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主機散熱孔為何是蜂巢狀?模仿昆蟲智慧 還有這些!

《小蟲大哉問》書摘精選

相比傳統的棟梁結構,蜂巢結構有著獨特的承重方式,是一種很獨特的建築方式。圖/時報出版提供
相比傳統的棟梁結構,蜂巢結構有著獨特的承重方式,是一種很獨特的建築方式。圖/時報出版提供

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蜂巢 神奇的六邊形

蜂巢的複雜性

蜜蜂巢不是圓形,圓形或蓮蓬形的通常是虎頭蜂的蜂巢,一些影視作品中的蜜蜂巢是仿照蜂蜜棒的形狀,很容易造成誤解;而且真正的蜜蜂巢通常不會裸露在環境中,而是藏在樹洞、岩洞等隱蔽的地方。蜜蜂巢的結構是一片一片,每一片稱為一脾,許多脾組合形成一個蜂巢。蜂巢通常是倒掛著,每一脾自上而下又有更細緻的分區,分別是儲蜜區、花粉區、繁殖區。儲蜜區是釀造和儲存蜂蜜的地方;花粉區儲藏工蜂採集的植物花粉;繁殖區則是蜂巢中最重要的幼蟲的生活區域。這種獨特的分區是蜜蜂智慧的體現。

首先,蜂巢的修建是自上而下,對早期蜂群來說,最主要的任務是儲備食物,此時蜂群會優先修建大量的儲蜜蜂房,當食物儲備量大了之後,蜂群的壯大就是順水推舟的事了。

其次,蜂群壯大到一定程度後會分蜂,老蜂后會帶著一批工蜂出走,此時原巢穴的新蜂后還來不及大量產卵,會出現許多空巢房,而空巢房很容易感染巢蟲(鱗翅目蠟螟幼蟲專吃蜂巢)。蜂脾的繁殖區在下面,分家後的工蜂可以毫無顧慮地將空巢房咬掉捨棄;如果繁殖區在上方,工蜂就會陷入是保護蜂蜜還是驅趕巢蟲的兩難境地。

最後,蜂群中幼蟲是最重要的部分,被保護在蜂脾底下,其他想取食幼蟲的動物,只能透過飛行的方式,但繁殖區表面覆蓋大量工蜂,可以發揮很強的保護作用。其他透過爬樹來靠近蜂巢的動物,往往只能吃到蜂蜜,而蜂蜜是蜂巢中最不珍貴的部分,可以快速補充。

六邊形傳說

如果說蜂脾的分區是蜜蜂智慧的體現,每一個蜂房的正六邊形結構則是蜜蜂無意之中形成的「天才設計」。為什麼這麼說呢?因為正六邊形的結構擁有很多神奇的特性。

第一,有效面積最大。首先,為了節約蜂巢空間,蜂房與蜂房之間一定得緊密貼著,不能留有空隙,這種情況下,能拼合的形狀只有三角形、正方形和正六邊形三種;然後,每一個蜂巢都需要保證一定的圓形空間,用於幼蟲生長。綜合來說,一定的情況下,在三角形、正方形和正六邊形蜂房中,正六邊形是圓形空間有效面積最大的方案。

第二,最節省材料。同樣,三種方案中,正六邊形蜂房周長最短,也就是說修建時消耗的材料最少。與此同時,有人認為由於蜂巢緊密相接,建第一個蜂房需要六邊,建第二個只需要修建五邊就夠了。

第三,最牢固。正六邊形結構擁有極佳的穩固性,無論受到來自哪一個方向的力,都不容易發生錯位或變形。

工蜂如何修建出正六邊形蜂巢呢?這種正六邊的形狀是工蜂有意為之,還是冥冥之中的必然結果呢?其實工蜂沒有那麼講究,對牠們來說,自己就能生產修建蜂巢的蜂蠟,不需要節約;而且牠們沒有太多想法,最開始修建的蜂房都是圓形,這是最簡單的形狀。所以蜂巢一開始是很多圓形的堆積。但由於工蜂體溫高,大量工蜂的活動會使蜂房溫度隨之升高,而蜂蠟則因高溫融化變軟,原來的圓形蜂巢不斷擴大並相互擠壓,自然形成正六邊形結構。這個過程類似吹泡泡,一個泡泡是圓形,但當很多圓形泡泡擠壓在一起,就很容易形成正六邊形。所以蜂巢結構不是工蜂的傑作,而是物理學的必然結果。

三種蜂巢模型。圖/時報出版提供
三種蜂巢模型。圖/時報出版提供

一九一Ο年,挪威數學家阿克塞爾.圖厄(Axel Thue)證明六角密堆積是平面上最有效的堆積方式,這解釋了蜂巢形成正六邊形的必然性。當然,蜂巢不一定都是六邊形,例如無刺蜂的蜂房,由於沒有緊密連接,還保持著圓形;而在蜂巢的一些折角地方,蜂房也會有五邊、七邊的形狀,說明蜂巢形狀是擴散擠壓而成。

圓是自然界最常見的形狀之一,生物的生長通常都是從中間擴散的圓,而圓的最密堆積就是六角密堆積,實際上自然界中有許多類似的正六邊形結構,例如龜背芋的果實、昆蟲複眼、火山柱狀玄武岩等。

蜂巢結構的運用

很可惜,蜜蜂不像傳說的那麼聰明,能主動建造六邊形蜂巢,但六角堆積模式在自然界這麼普遍,說明確實是非常優秀的結構模式。做為平面的最佳堆積結構,六角密堆積確實有著有效面積最大、最節省材料和最牢固的優點,而且帶來的視覺效果最好,因此這種結構常被用在材料學、建築學等領域,也被貼切地稱為蜂巢結構。

蜂窩孔散熱

電子設備運行過程的發熱會影響設備運行速度和壽命,因此散熱尤為重要。蜂巢形狀的散熱孔,保持設備外殼強度的同時,保證散熱面積的最大化。

散熱器。圖/時報出版提供
散熱器。圖/時報出版提供

蜂窩夾層材料

蜂窩紙板運用蜂窩排列的六面柱狀體做為夾芯,再覆蓋兩層紙做為板面,給原本的紙板提供更高的強度;與此同時,空心的夾芯節省大量材料,同時具備重量輕、不易變形等特點。如果將材質更換為金屬,強度會顯著提高,而重量卻會大幅增加。蜂窩板兼顧輕便和強度高的優點,在大型設備上有極好的應用前景,更是太空梭、衛星等的理想材料。

蜂窩紙板。圖/時報出版提供
蜂窩紙板。圖/時報出版提供

蜂巢折疊材料

列印的折紙材料透過特殊設計結構和工藝,可以自發地折疊成一個蜂巢結構。折疊後的蜂巢具有重量輕、隔熱、減震等特性,在保護果蔬和電子設備上具有很好的應用前景,甚至有可能在外科醫學上發揮作用,做為體內骨架為內臟、肌肉等提供支撐。

蜂巢輪胎

美國發明家發明一款不需要充氣的蜂巢輪胎,蜂巢結構可以發揮與傳統氣胎相似的減震作用,同時沒有充氣需求,使輪胎的運用更加方便,使用壽命更長。這種輪胎在共享腳踏車上得到廣泛運用。同時,不需要充氣意味著不存在漏氣、爆胎的問題,因此蜂巢輪胎的運用能替車輛行駛帶來更高的安全性,特別是在軍事領域,這種仿生輪胎極為堅固,能滿足軍事要求,同時不會有後顧之憂。

蜂巢建築

設計師們大膽地將蜂巢結構運用在建築上,相比傳統的棟梁結構,蜂巢結構有著獨特的承重方式。既可以做為支撐,也可以做為外觀牆面,還非常節省材料,是一種很獨特的建築方式。蜂巢結構在一些更大、更高的建築中得到運用,例如丹麥的Roskilde穹頂、墨西哥索馬亞博物館、中國水立方等。當然,有時候蜂巢結構只是提供一個獨特的外觀視角。

Roskilde 蜂巢建築。圖/時報出版提供
Roskilde 蜂巢建築。圖/時報出版提供

或許蜜蜂不是最聰明的動物,也不懂得天才設計,但蜜蜂身上確實有很多祕密值得我們去探究與學習。

㈠超強的記憶和導航能力。一隻體長不到兩公分的蜜蜂可以飛行數公里採蜜並準確回巢。

㈡超強的免疫能力。蜜蜂生活在高溫、高溼、高密度的蜂巢中,卻很少發生大規模疾病。

㈢適應高密度生活。蜂巢內的蜜蜂活動空間很小,相當於二十四平方公尺的空間住十五個成年人,蜜蜂卻可以避免高密度生活帶來的衛生問題和社會問題。

(四)發達的社會分工和有效的通訊。整個蜂群完全由蜂后控制,但每一隻工蜂都清楚自己的任務,蜂群能井井有條地運行。我們只知道蜂后會透過費洛蒙來控制蜂群,但具體如何控制,是單線聯繫還是網狀溝通,還有待研究。

㈤蜜蜂是目前唯一一種掌握人工授精技術的昆蟲,科學家可以精確地控制蜜蜂的品種改良,這種技術的研發和推廣對整個昆蟲學研究來說都意義非凡。

蜜蜂帶給人類的絕不只甜蜜的蜂蜜和巧奪天工的蜂巢,就像蜜蜂不辭辛苦地在花叢中採擷花蜜一樣,我們對科學的探究也需要不斷前行。

文章來源:陳睿、蘇洽帆著《小蟲大哉問:自然生態的科學探察與人文思考》,時報出版提供

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