船蛆和盾构机的类比

船蛆和盾构机的类比

类比是思维的梯子，它是旧知识和新知识之间的桥梁。类比使得你不需要从头向新知识上爬，而可以借助类比这个梯子，从旧知识爬到新知识上，减少了认知难度和时间（如图所示）。

类比的思维导图

仿生类比法是通过仿生学对自然系统生物分析和类比的启发创造新方法。自然界的动植物以其精妙绝伦的结构和性能为人类孕育出来新事物和新方法提供了学习样板。

无数事实表明，生物界所具有的精确可靠的定向、导航、探测、控制调节、能量转换、生物合成等生物系统的基本原理和结构，是人类创造新事物的巨大智慧源泉。1960年在美国诞生的边缘学科——仿生学，就是为解决技术上的难题而应用生物系统知识的学问。因此仿生类比法有人称为仿生学法。

无数的创新发明都是来源于仿生类比，其基本逻辑是：人类遇到困难无法解决？发现自然界的动物或者植物已经有很好的解决方法，人类则类比它们的方法，创造新事物来解决问题。

飞机类比模仿鸟，潜艇类比模仿，雷达类比模仿蝙蝠，尼龙搭扣类比模仿苍耳，人工冷光类比模仿萤火虫，电子蛙眼类比模仿蛙眼，屋顶瓦楞类比模仿动物的鳞甲，船桨类比模仿鱼的鳍。

这里我们讲述一下盾构机的发明故事。

盾构机全名叫盾构隧道掘进机，这种先进的地下隧道施工设备集机、电、液、传感、信息技术于一身，可在不影响地面状况的条件下作业，从而大大提高了施工的效率、安全性、降低了成本，因而受到世界各国地下隧道施工项目的青睐（如图36所示）。

图36 盾构机示意图

其巨大身影遍及城市地下轨道交通、公路铁路隧道、过江跨海隧道和水电工程隧道等施工现场（如图37所示）。

图37 盾构机做好的洞

简单的说，盾构机解决了地下挖洞的难题。那么盾构机是如何发明的呢？它是通过类比仿生船蛆而发明的。

18世纪末，英国人计划在伦敦地下修建一个横贯泰晤士河的隧道。然而，在当时的施工技术条件下，修建如此规模的河底隧道简直比登天还难！

1798年，泰晤士河隧道工程进入操作阶段。但由于多种难以克服的困难而使工程被迫中断。法国工程师布鲁诺尔是一个有心人，因此一直惦记着泰晤士河隧道工程问题。

一个偶然的机会，布鲁诺尔发现了一种船蛆的钻洞行为很有意思。那么，什么是船蛆呢？原来，船蛆为一种软体动物，因其穴居木制船舶而危害船舶，因此被称为船蛆，又被称为凿船贝。

船蛆在世界各地的海洋中都有分布，对海洋中的船舶等木质设备都具有严重的破坏性。1503年6月，哥伦布第四次航海到南美洲的牙买加。肆虐的船蛆毁掉了哥伦布船队的一半船只，航海队员不得不停靠在牙买加的一个小岛上。

由于水手们与当地居民发生了冲突，因此当地居民不给船队提供淡水和食物了。就是这种让哥伦布头痛的船蛆，却为布鲁诺尔带来了灵感。

布鲁诺尔仔细地观察了船蛆在船通体中的钻洞行为，并发现它还会从体内分泌一种液体涂在孔壁上形成保护壳，以抵抗木板潮湿后发生的膨胀（如图38所示）。

图38 船蛆的示意图

布鲁诺尔从这个现象中获得了灵感，连呼——“我有办法了！”自然，布鲁诺尔还是要感谢这个船蛆的。于是，布鲁诺尔提出了盾构掘进隧道的原理，并取得了英国的专利。这就是所谓的开放型手掘盾构的原型。

在地下挖洞和船蛆在木头挖洞的过程类似，都是挖长长的洞。那我们就可以通过类比仿生船蛆而建造一个类似的机器——盾构机。

我们来看看船蛆是如何挖洞的，它使用头部前段的贝壳，每分钟约旋转8~12次，利用壳面上的锉状嵴，将木材锉下。木屑又可作为食料。身体分泌石灰质衬于穴道内壁，用于抵抗木板膨胀和保护自己。

它钻入木材后靠两个水管与木材外面相通。活动时两个水管自木材表面的洞口伸出，所需要的食料和新鲜海水从鳃水管流入体内，体内的废水和排泄物从肛门水管排出体外。

布鲁诺尔受到船蛆挖洞的启发，想到可以通过圆筒来保护挖掘的人，然后圆筒向前移动，后边挖好的洞进行加固施工，防止塌方，就像船蛆分泌石灰质形成保护洞一样。于是，布鲁诺尔提出了盾构掘进隧道的原理，并取得了英国的专利。这就是所谓的开放型手掘盾构的原型（如图39所示）。

图39 盾构机原型

现代的盾构机已经采用机械化代替人工，它包括刀盘、出土系统、拼装系统和推动系统等。盾构机的刀盘类似于船蛆的锉状嵴，通过旋转将前方泥土削下来，出土系统类似于船蛆的排泄管道，将泥土运到洞外，配装系统安装管片类似于船蛆分泌的石灰，在挖完的洞壁上形成坚固的硬壁，从而保护自己和挖好的洞。推动系统类似于船蛆的身体，推动刀盘向前方推进（如图40所示）。

图40 盾构机挖洞整体示意图

推动系统推动盾构机前进，刀盘旋转切割岩土，出土系统将岩土运出洞外，拼装系统将弧形管片拼接成圆洞，这样圆洞就在不断的加长，这就是盾构机的主要作业流程。

船蛆通过带齿纹的贝壳将木屑锉下来，用嘴吃入肚内，经过肠子，排出体外；用足向前爬，并分泌石灰质形成石灰洞，用于保护自己。

盾构机通过刀盘的刀片将岩土削下来，从入口进入排土系统，经过内部管道，运输到洞外；用推动系统前进，并将管片拼成管洞，这个洞不仅可以保护人们，进行通车或者走线，也能防止塌方。

我们可以在一张图中展示船蛆和盾构机，来显示盾构机各个部分是如何仿生类比船蛆的。

比如，船蛆，是挖木洞，边挖边做石灰洞，而盾构机，是挖土洞，边挖边做混凝土洞。盾构机的刀盘如同船蛆带齿纹的贝壳，都是用来掘洞的，盾构机的出土系统如同船蛆的肠子，都是用来运输掘下来的物质的（如图41所示）。

图41 盾构机和船蛆的类比

船蛆听着和看着都恶心，还破坏船只，但是它其实不是“蛆”，而是一种贝类，也叫凿船贝，它也是一种美食。人类还通过仿生类比船蛆，制造出了挖洞效率高的盾构机。