船蛆和盾構機的類比

類比是思維的梯子，它是舊知識和新知識之間的橋樑。類比使得你不需要從頭向新知識上爬，而可以藉助類比這個梯子，從舊知識爬到新知識上，減少了認知難度和時間（如圖所示）。

類比的思維導圖

仿生類比法是透過仿生學對自然系統生物分析和類比的啟發創造新方法。自然界的動植物以其精妙絕倫的結構和效能為人類孕育出來新事物和新方法提供了學習樣板。

無數事實表明，生物界所具有的精確可靠的定向、導航、探測、控制調節、能量轉換、生物合成等生物系統的基本原理和結構，是人類創造新事物的巨大智慧源泉。1960年在美國誕生的邊緣學科——仿生學，就是為解決技術上的難題而應用生物系統知識的學問。因此仿生類比法有人稱為仿生學法。

飛機類比模仿鳥，潛艇類比模仿，雷達類比模仿蝙蝠，尼龍搭扣類比模仿蒼耳，人工冷光類比模仿螢火蟲，電子蛙眼類比模仿蛙眼，屋頂瓦楞類比模仿動物的鱗甲，船槳類比模仿魚的鰭。

這裡我們講述一下盾構機的發明故事。

盾構機全名叫盾構隧道掘進機，這種先進的地下隧道施工裝置集機、電、液、感測、資訊科技於一身，可在不影響地面狀況的條件下作業，從而大大提高了施工的效率、安全性、降低了成本，因而受到世界各國地下隧道施工專案的青睞（如圖36所示）。

圖36 盾構機示意圖

其巨大身影遍及城市地下軌道交通、公路鐵路隧道、過江跨海隧道和水電工程隧道等施工現場（如圖37所示）。

圖37 盾構機做好的洞

簡單的說，盾構機解決了地下挖洞的難題。那麼盾構機是如何發明的呢？它是透過類比仿生船蛆而發明的。

18世紀末，英國人計劃在倫敦地下修建一個橫貫泰晤士河的隧道。然而，在當時的施工技術條件下，修建如此規模的河底隧道簡直比登天還難！

1798年，泰晤士河隧道工程進入操作階段。但由於多種難以克服的困難而使工程被迫中斷。法國工程師布魯諾爾是一個有心人，因此一直惦記著泰晤士河隧道工程問題。

一個偶然的機會，布魯諾爾發現了一種船蛆的鑽洞行為很有意思。那麼，什麼是船蛆呢？原來，船蛆為一種軟體動物，因其穴居木製船舶而危害船舶，因此被稱為船蛆，又被稱為鑿船貝。

船蛆在世界各地的海洋中都有分佈，對海洋中的船舶等木質裝置都具有嚴重的破壞性。1503年6月，哥倫布第四次航海到南美洲的牙買加。肆虐的船蛆毀掉了哥倫布船隊的一半船隻，航海隊員不得不停靠在牙買加的一個小島上。

由於水手們與當地居民發生了衝突，因此當地居民不給船隊提供淡水和食物了。就是這種讓哥倫布頭痛的船蛆，卻為布魯諾爾帶來了靈感。

布魯諾爾仔細地觀察了船蛆在船通體中的鑽洞行為，並發現它還會從體內分泌一種液體塗在孔壁上形成保護殼，以抵抗木板潮溼後發生的膨脹（如圖38所示）。

圖38 船蛆的示意圖

布魯諾爾從這個現象中獲得了靈感，連呼——“我有辦法了！”自然，布魯諾爾還是要感謝這個船蛆的。於是，布魯諾爾提出了盾構掘進隧道的原理，並取得了英國的專利。這就是所謂的開放型手掘盾構的原型。

在地下挖洞和船蛆在木頭挖洞的過程類似，都是挖長長的洞。那我們就可以透過類比仿生船蛆而建造一個類似的機器——盾構機。

我們來看看船蛆是如何挖洞的，它使用頭部前段的貝殼，每分鐘約旋轉8~12次，利用殼面上的銼狀嵴，將木材銼下。木屑又可作為食料。身體分泌石灰質襯於穴道內壁，用於抵抗木板膨脹和保護自己。

它鑽入木材後靠兩個水管與木材外面相通。活動時兩個水管自木材表面的洞口伸出，所需要的食料和新鮮海水從鰓水管流入體內，體內的廢水和排洩物從肛門水管排出體外。

布魯諾爾受到船蛆挖洞的啟發，想到可以透過圓筒來保護挖掘的人，然後圓筒向前移動，後邊挖好的洞進行加固施工，防止塌方，就像船蛆分泌石灰質形成保護洞一樣。於是，布魯諾爾提出了盾構掘進隧道的原理，並取得了英國的專利。這就是所謂的開放型手掘盾構的原型（如圖39所示）。

圖39 盾構機原型

現代的盾構機已經採用機械化代替人工，它包括刀盤、出土系統、拼裝系統和推動系統等。盾構機的刀盤類似於船蛆的銼狀嵴，透過旋轉將前方泥土削下來，出土系統類似於船蛆的排洩管道，將泥土運到洞外，配裝系統安裝管片類似於船蛆分泌的石灰，在挖完的洞壁上形成堅固的硬壁，從而保護自己和挖好的洞。推動系統類似於船蛆的身體，推動刀盤向前方推進（如圖40所示）。

圖40 盾構機挖洞整體示意圖

推動系統推動盾構機前進，刀盤旋轉切割岩土，出土系統將岩土運出洞外，拼裝系統將弧形管片拼接成圓洞，這樣圓洞就在不斷的加長，這就是盾構機的主要作業流程。

船蛆透過帶齒紋的貝殼將木屑銼下來，用嘴吃入肚內，經過腸子，排出體外；用足向前爬，並分泌石灰質形成石灰洞，用於保護自己。

盾構機透過刀盤的刀片將岩土削下來，從入口進入排土系統，經過內部管道，運輸到洞外；用推動系統前進，並將管片拼成管洞，這個洞不僅可以保護人們，進行通車或者走線，也能防止塌方。

我們可以在一張圖中展示船蛆和盾構機，來顯示盾構機各個部分是如何仿生類比船蛆的。

比如，船蛆，是挖木洞，邊挖邊做石灰洞，而盾構機，是挖土洞，邊挖邊做混凝土洞。盾構機的刀盤如同船蛆帶齒紋的貝殼，都是用來掘洞的，盾構機的出土系統如同船蛆的腸子，都是用來運輸掘下來的物質的（如圖41所示）。

圖41 盾構機和船蛆的類比

船蛆聽著和看著都噁心，還破壞船隻，但是它其實不是“蛆”，而是一種貝類，也叫鑿船貝，它也是一種美食。人類還透過仿生類比船蛆，製造出了挖洞效率高的盾構機。