1. 潜艇

“大海是一种超自然而又神奇的生命载体。它是运动，是爱；它是‘永恒的生命’。” —Jules Verne，Twenty Thousand Leagues Under the Sea

人类探索海洋已有数千年之久。因此，儒勒·凡尔纳（Jules Verne）在其 19 世纪 60 年代首次出版的科幻经典著作《海底两万里》（Twenty Thousand Leagues Under the Sea）中对海洋深处可能存在的事物进行构想，便不足为奇了。故事讲述了尼莫船长——大型潜艇“鹦鹉螺号”（Nautilus）的设计师和船长，与几位同伴一起探索世界各地海洋深处的冒险。“鹦鹉螺号”由依靠海水发电的电池驱动，能为船员提炼饮用水，并且船上还藏有一座巨大的图书馆。

Alphonse de Neuville 根据 Jules Verne的小说《海底两万里》绘制的 “鹦鹉螺号”插图。该作品在其原属国家已进入公有领域，在其他国家和地区的版权期限为作者去世后 70 年或更短，通过 Wikimedia Commons 共享。

虽然潜艇在 Verne 的故事之前就已经存在了（人们普遍认为凡尔纳是根据 Robert Fulton 发明的手动潜艇命名的“鹦鹉螺号”），但它们的先进程度远不及 Verne 所描述的。在 Verne 的小说问世之前，潜艇主要依靠人力或蒸汽驱动，既危险又低效。直到 19 世纪 80 年代，随着更先进的电池技术的出现，潜艇才获得了可靠的驱动方式，而此时 Verne 的著作已经出版。

尽管 Verne 本人并非发明家，但他的故事显然激发了工程师和发明家的灵感，他们通过为自己的发明命名来向他的故事致敬。例如，开发出首艘能在开放海域广泛航行的潜艇的 Simon Lake 就曾表示， 他是在童年阅读凡尔纳的故事后受到启发。不仅如此，世界上第一艘核动力潜艇“鹦鹉螺号”（USSNautilus）的名字明显是受到Verne故事的启发，并且像 Verne 故事中的潜艇一样由核动力推进，因此它的航行时间比以前的潜艇更长，并于 1958 年成为首艘抵达北极的水下航行器。

一艘经过全面大修的“鹦鹉螺号”潜艇（ USS Nautilus）于 1960 年浮出水面的照片。此图片文件由美国海军水手或员工在履行官方职责过程中拍摄或制作。作为美国联邦政府作品，该作品在美国已进入公有领域，通过 Wikimedia Commons共享。

2. 遥控操作臂

20 世纪 40 年代，人们迫切需要找到一种能够在不与放射性物质直接接触的情况下对其进行操作的方法。幸运的是，科幻作家 Robert Heinlein 早已设想了这项技术。

Heinlein 的短篇小说 “Waldo” 讲述了 Waldo Farthingwaite-Jones 的故事，他是一位机械天才，患有重症肌无力症，这是一种导致肌肉无力的罕见疾病，使他无法抬起头来喝水或握住勺子。他将自己的智慧投入到一种特殊装置的研发，借助一只特制手套操控一只强大的机械手。这个以 “Waldo F. Jones’ Synchronous Reduplicating Pantograph” 之名获得专利的装置使他暴富，并让他能够在低轨道空间站建造和居住。

尽管并非严格按照 Heinlein 的创作设计，早期遥控操作臂有时会被称为 “waldo”，以此向启发它们的虚构发明致敬。随着遥控操作臂技术的不断进步，其在不适宜居住环境中的应用也日益广泛。MDA Space 公司开发了 一款专为国际空间站（ISS）设计的专用操作臂 Dextre，它能够执行复杂的维修任务，让工程师能够不用冒着在太空行走的风险对飞船进行维修。随着机器人技术和遥控操作臂在医疗保健等行业中的持续发展，我们只能期待 “waldo” 未来将带来的深远影响。

左图：内华达测试基地 25 区的一台遥控操作臂。此图像或媒体文件包含基于National Park Service 的一名员工作品的材料，系该员工的职务作品。作为 美国联邦政府的成果，该作品在美国境内进入公有领域，通过Wikimedia Commons 共享。右图：由 MDA开发并由NASA在国际空间站（ISS）上运行的特制遥控操作臂。此文件获 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported 许可授权，通过 Wikimedia Commons 共享。

3. 手机

《星际迷航》（ Star Trek）系列对社会的影响之深远很难估计。除了催生了无数衍生作品、电视剧及其他科幻作品外，它还极大地激发了公众对太空探索的兴趣。或许并不令人意外的是，该系列还预言了许多技术进步，包括类似 Geordi La Forge’s VISOR（护目镜）的仿生眼、功能类似《星际迷航》船员相位武器的电击枪，以及具备“通讯器”功能的手机。

《星际迷航》通信器的复制品，最初由雕塑家 WahF Ming Chang 设计。此图片文件获 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported 许可授权，通过 Wikimedia Commons 共享。

上图所示为星际舰队成员在执行任务时使用的原版通讯器。该设备具备专用的“亚空间传输”功能，使船员能够在不受干扰的情况下与飞船进行通信。后来，这些通讯设备以腕表和徽章的形式出现在船员的制服上。

虽然最早的手机并未完全达到科幻小说中的水平，但摩托罗拉公司于 1983 年推出了第一款型号为 DynaTAC 的商用手机。此后，手机技术持续发展，体积越来越小，功能越来越强大。尽管《星际迷航》中通讯器的“亚空间传输”纯属虚构，但许多其他功能已通过技术实现，例如虚拟助手和全球定位系统（GPS）。

摩托罗拉 DynaTAC 8000X，第一款商用移动电话。此图片文件根据获 Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported许可授权， 通过Wikimedia Commons 共享。

4. 虚拟现实

无论是用于梦境控制、创建全息房间，还是在计算机中构建整个世界，虚拟现实（VR）都存在于无数的幻想与科幻作品中。在现实世界中，我们看到虚拟现实在 20 世纪 60 年代初开始实现。哈佛大学教授 Ivan Sutherland 发明了第一款头戴式显示器，该设备能够将线框模型投影到用户眼前。然而，由于设备重量和体积过大，用户必须通过天花板悬挂设备才能使用。随着VR技术的发展，其应用领域不断拓展，包括 NASA 的飞行训练、广场恐惧症的心理治疗，以及工程领域中的交互式3D建模。毫不意外，随着 VR 游戏的日益流行，VR 在娱乐行业也占据重要地位。

由美国国家航空航天局（NASA）开发的早期虚拟现实头戴式设备原型照片，该设备旨在协助飞行员和宇航员的训练。此图片文件获Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International 许可授权，通过 Wikimedia Commons 共享。COMSOL AB、其子公司以及产品与美国国家航空航天局（NASA）无关，亦未获得 NASA 的认可、赞助或支持。

VR在科幻作品中的首次出现可追溯至 Laurence Manning 于1933年出版的短篇小说 The Man Who Awoke。然而，直到20世纪80至 90年代，随着 Neal Stephenson 的 Snow Crash 等作品的问世，我们才看到对现代VR的预言，其中“化身”（avatar）和“元宇宙”（metaverse）等概念得以普及。Snow Crash 描绘了一个名为“元宇宙”的完整虚拟世界。在这个世界中，人们可以通过虚拟形象过上与现实生活截然不同的生活。许多人被这个虚拟世界所吸引，Stephenson 的故事也启发了诸多技术与媒体作品，如《头号玩家》（ Ready Player One）和《黑客帝国》（The Matrix）。

尽管 Stephenson 的小说是一部反乌托邦作品，但人们不得不承认虚拟世界的魅力，因为它通过提供沉浸式体验，使现实中无法实现的事物成为可能。随着VR技术的不断进步，实现 Stephenson 构想的技术或许只是时间问题。

延伸阅读

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1. 新干线列车

说高速新干线列车（也称子弹头列车）是日本基础设施的革命性成果并非没有道理。这条铁路带来了诸多益处，如减少城市拥堵、每年带来 5000 亿日元（约 33 亿美元）的经济贡献、提高日本国民的住房支付能力，以及大大减少日本城市的二氧化碳排放量。然而，这并不是说这条近 3000 公里的线路没有遇到过挑战。

JR 东日本新干线上的 7 种不同列车，每一种列车的设计都各具特色。采用 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

其中一个挑战是噪声污染。列车速度不断提高，随之也产生更多的噪声，尤其是在进入隧道时。在隧道中，高速行驶的列车会将空气推向车头，压缩空气。当列车和气浪到达隧道尽头时，就会产生巨大的音爆，干扰居民区。为了减少这种影响，这些列车的受电弓被减小，并安装了隔音屏障，但这还不够。

然而，当工程师 Eiji Nakatsu 从一个不太可能的来源——翠鸟身上找到灵感时，这一切都改变了。在观察到翠鸟如何优雅地潜入水中而不会 对水面造成太大破坏之后，Nakatsu决定模仿翠鸟的特性设计一种新的列车。通过重新设计新干线列车的前部，使其看起来像翠鸟的喙，他的团队能够降低列车的噪声水平，降低能耗，并提高列车的整体速度。

普通翠鸟，又名欧亚翠鸟。请注意它细长锥形喙。采用 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

2. 荷叶效应涂料

虽然高压冲洗混凝土石板或建筑物墙壁上的污垢和灰尘能让人感到满足，但如果我们不需要这样做就能清洗污垢，那肯定会很神奇。如果有办法让这些表面能够自我清洁就好了。幸运的是，工程师们正是从荷花及其有趣的叶子中获得了灵感。

展示出超疏水特性的荷花。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 分享。

人们观察到荷花的超疏水特性由来已久，但其独特的特性是 Wilhelm Barthlott 博士于 20 世纪 70 年代首次发现的。荷花的超疏水特性被称为“荷叶效应”，是指落在荷叶上的水滴只有 0.6% 会附着在荷叶表面。这是由于叶片上的微小粗糙纹理将空气吸附在叶片表面的微小空腔中 ，导致水直接滑落，并在水落下时将叶片上的污垢或灰尘颗粒拖走。这种自清洁和超疏水效果立即吸引了多个领域的工程师关注。

荷叶表面的水滴，突出显示了接触角。通过 Wikimedia Commons 共享，在公有领域获得许可。

发现这种效应后，Barthlott开始研究如何在工业环境中模仿这些特性，最终他开发出一种涂层，用于欧洲各地的建筑物，减少灰尘和污垢的积聚。一些科学家模仿这种效应，制造出了疏水性纺织品和自清洁金属。此外，美国国家航空航天局（NASA）还利用这种效应设计了自清洁太空服、科学仪器和太阳能电池板。

3. 风力涡轮机

在帆船出现的时候，人们就开始利用风的力量。事实上，第一台风车在 9 世纪就已问世。风车的使用遍及世界各地，第一台风力涡轮机最终于 19 世纪 80 年代末在苏格兰建成，这使我们能够将风能转化为电能。随着气候问题日益严重，风力发电越来越受欢迎。风力发电领域的一项重要创新不是来自天空，而是来自海洋，因为研究人员希望通过座头鲸来提高风力涡轮机的效率。

中国新疆的一座风电场。采用 CC BY-SA 2.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

研究人员发现，座头鲸虽然体型庞大，却能做出令人惊奇的如翻滚、急转弯和冲撞等杂技动作，这部分是由于其鳍上有被称为“结节”的独特凸起。这些小结节长在座头鲸鳍的前缘（即最先接触空气或水的部分），并被证明能将空气导入沿鳍的狭窄气流中，从而减少阻力，增加升力。这就是所谓的“结节效应”。

一头座头鲸在 Massachusetts Stellwagen Bank 国家海洋保护区破浪前行。注意鲸鳍前缘的凸起。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

工程师们已经开始测试结节效应在飞机和风力涡轮机等各种不同应用中的益处。研究发现，小结节可以使飞机更难失速，从而有效增加飞机叶片的工作角度。在风力涡轮机叶片应用中加入小结节可使涡轮机在更低的风速下工作，减少叶片旋转产生的噪声，并改善其工作角度，这使涡轮机在不可预测的天气条件下能够保持运行。

4. 纳米胶带

自人类出现以来，人们就需要把东西粘在一起，有证据表明，焦油黏合剂用于早期石器中的证据可追溯到旧石器时代中期。从那时起，黏合剂就已经有了长足的发展。黏合剂有多种形式和强度，无论是用超级胶水连接破损的塑料，还是在会议室的墙上贴便条作为提醒。然而有一种形式根本不需要黏性：完全非化学性的胶带，其灵感来自于壁虎和它们攀爬峭壁的独特能力。

黏在玻璃墙上的壁虎脚底特写。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

壁虎利用一种被称为“范德华力”的现象来黏附表面，这种现象描述了原子之间的吸引力和排斥力。与离子键或共价键不同，范德华力的存在不是因为化学键。这种力通常很微弱，但许多其他动物（例如昆虫和蜘蛛）也利用这种力进行攀爬。与壁虎一样，这些动物的腿上都有大量被称为“刚毛”的细小绒毛，这 使得它们能够黏在玻璃等峭壁上。通过模仿壁虎身上的细小绒毛，科学家们利用这种力开发出了一种胶带，无需任何化学黏合剂就能将物体悬挂起来。

纳米胶带在显微镜下的视图。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikipedia 共享。

这种胶带（通常被称为纳米胶带）使用碳纳米管模仿壁虎脚垫上的刚毛，这样就能利用与壁虎相同的范德华力将表面黏在一起。该技术最初开发于21世纪初，现在已经取得了进步，可以使胶带的黏性更强，更容易移除，甚至可用于机器人技术。(提示：如果您想进一步了解壁虎是如何利用范德华力攀爬，请查看我们的壁虎足模型！）。

5. 合成蜘蛛丝

虽然大多数人认为蜘蛛是噩梦的杰作，但众所周知，蜘蛛有很多好处。它们捕食昆虫，可以控制害虫数量，减少疾病传播；它们的毒液正被研究用于治疗慢性疼痛； 可通过研究它们的膨胀行为进一步了解种群动态。蜘蛛丝是其中的一个好处，它经久耐用、极富弹性，而且质量极轻。

用蛛丝包裹猎物的蜘蛛。采用 CC BY-SA 4.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

那么，既然蜘蛛丝如此神奇，我们为什么不使用它呢？第一个问题是它极难生产。与蚕不同，蜘蛛既是捕食性动物，又是独居动物，这使它们很难 通过传统方法养殖。此外，蜘蛛纺织品的采集需要很长时间，艺术家需要花费五年时间和一百万只蜘蛛才能生产出一条披肩。鉴于这些挑战，工程师们转而采用人工方法来尝试制造蜘蛛丝。

当蜘蛛产丝时，它们首先会在体内的丝腺中制造一种复杂且富含蛋白质的液体。当这种液体在蜘蛛体内流动时，会进入使其酸化并变成固体丝线的导管。然后，蛛丝通过喷丝头被拉出，用于捕捉猎物或筑巢等多种用途。工程师在尝试重现这一过程时，面临着各种挑战。首先，蜘蛛体内变为丝的液体由于分子结构长且复杂，很难再现。其次，必须将液体变成固体丝，这可能需要大量能源或有害化学物质，如甲醇和丙酮。第三，必须小心地拉伸（或纺丝），以生产出可用的纤维。无论采用哪种方法，生产可用的合成丝都是成本高昂且效率低效的。

实验室开发的合成蜘蛛丝。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

然而，希望并未破灭，因为研究人员通过生物工程和生物合成技术，在生产人合成丝方面取得了长足进步。在不增加成本或对环境造成有害影响的情况下，人们正在逐步生产这种纤维。谁知道呢，也许有一天我们会穿着蜘蛛丝纺制的衬衫走来走去，用蜘蛛网制成的绳子攀爬，或者用蜘蛛丝制成的缝合线缝合伤口。

更多阅读

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1. 青霉素

生命在抗生素问世之前面临着许多危险。像扁桃体炎、支气管炎和肺炎等都是致命的疾病。导致感染的创伤往往会危及生命。器官移植等需要免疫抑制的治疗措施更是不可能实现。然而，1928 年，苏格兰细菌学家 Alexander Fleming 偶然发现了青霉菌，改变了人们的生活。

发现青霉素的地点是伦敦圣玛丽医院。Fleming 去度暑假之前把他正在研究的金黄色葡萄球菌的培养物留在了实验室的一个黑暗角落里。休假归来后，他和他的研究生 Daniel Pryce 和 Stuart Craddock 发现其中一个培养皿的盖子微微打开着。培养皿内长出了一种蓝绿色的霉菌，值得注意的是，细菌无法在霉菌周围生长。

污染 Fleming 的细菌培养物的霉菌——红青霉标本。获 CC BY-SA 4.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

虽然不确定这种霉菌的确切来源，Fleming 团队还是采集了一个样本，并在继续他们的研究之前保存了这种当时尚不为人知的霉菌。在随后的几年里，Fleming 继续研究这种后来被鉴定为红青霉菌的霉菌。不过，他未能针对红青霉菌的应用取得更多进展。幸运的是，1939 年 Howard Flore 带领的研究团队继承了 Fleming 的研究，并最终成功分离和提取出化学物质青霉素。时至今日，青霉素仍作为抗生素被使用。

1946 年使用的玻璃药瓶中的青霉素。获 CC BY-SA 4.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

2. 烟雾警报器

安装在办公室或卧室天花板上的圆盘状小装置——烟雾报警器很容易被人们遗忘，但它却是普通人所能拥有的最重要的科技产品之一。事实上，一个正常工作的烟雾探测器可以将住宅火灾的死亡率降低 60% 左右。如果不是瑞士物理学家 Walter Jaeger 在 20 世纪 30 年代的一次意外发现，我们可能永远也不会拥有烟雾探测器。

烟雾探测器。采用 CC BY-SA 3.0, CC BY-SA 2.5, CC BY-SA 2.0, 和 CC BY-SA 1.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

Jaeger 最初并不打算制造烟雾探测器。相反，他当时正在研制一种能够检测有毒气体的电离传感器。Jaeger 预测，有毒气体会进入传感器，与电离的空气分子结合，最终引起装置内部电路的电流发生变化。然而，该装置未能成功检测到少量有毒气体。据说，Jaeger 当时坐在办公桌前，点燃了一支香烟，突然装置中的电流开始下降。

随后几年，其他科学家继续在这一领域开展研究。另一位瑞士物理学家 Ernst Meli 开发了一种能够探测矿井中气体的装置，以及一种能够扩展这些电离室产生的信号的冷阴极管。20 世纪 60 年代， Duane Pearsall 和 Stanley Bennett Peterson 研制出第一台家用烟雾探测器，迅速将消防安全从矿井和工业建筑带入家用领域。

3. Kevlar 纤维

很难相信，这种用于防护装备、运动器材和乐器的坚固耐热纤维最初是为应对汽油短缺而发明的。但 Kevlar 正是如此。这种强韧合成纤维是由 Stephanie Kwolek 发明的，如果当时她像扔普通废品一样将它扔掉，今天就不会有这种纤维存在了。

用于防弹衣的对芳纶纱线线轴。采用 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

Kwolek 当时在杜邦公司担任化学家，由于预计会出现天然气短缺，她的任务是发明一种轻质纤维，用于制造更结实、更轻的汽车轮胎。在这个项目过程中，她在一种看起来浑浊而稀薄的溶液中测试出了几种不同的聚合物。通常情况下，这样的溶液会被扔掉，但 Stephanie 冒险说服她的同事对其进行了测试。出乎他们意料的是，这种纤维没有断裂并且应用前景广阔。最终，这种纤维被开发成我们今天所熟知的 Kevlar 纤维。

许多人都知道 Kevlar 纤维用于军队或警察组织的防弹衣，其实它在许多其他领域也有应用。它可用于大型船舶的缆绳，以及独木舟和弓弦等运动器材。Kevlar 纤维还被用于军鼓和扬声器的外壳。Kwolek 的意外发现甚至催生了高分子化学这一新领域的兴起。

一艘 Kevlar 材质的赛艇。采用 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

4. 魔术贴搭扣

很多科学家从大自然中寻找灵感。有些人从 翠鸟身上获得灵感，设计出子弹头列车；有些人则从海狸身上获得灵感，设计出性能更好的潜水衣。然而，这种灵感并不总是有意为之。VELCRO^® 品牌搭扣的发明者 George de Mestral 就是如此，他在牛蒡植物的毛刺中获得了惊人的发现。

左图：牛蒡植物。采用 CC BY-SA 4.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。右图: VELCRO ^® 品牌搭扣(第一款魔术贴)的钩面。采用 CC BY 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

当 De Mestral 从阿尔卑斯山徒步旅行归来时，开始了一项许多徒步旅行者都熟悉的工作：清除粘在衣服和狗身上的毛刺。受这种粘连植物的启发，他决定用显微镜来观察它。在显微镜下，他发现种子周围有数以百计的钩状小刺。这些钩刺后来成为我们现在所熟知的 VELCRO^® 品牌搭扣诞生的驱动力。

De Mestral 的发明最初遭到拒绝，但在使用合成纤维代替天然纤维并找到机械化加工方法后，他的发明在 20 世纪 50 年代末得以广泛应用，取得巨大成功。现在，VELCRO^® 品牌搭扣和其他魔术贴搭扣已应用于许多行业。在服装领域，它可以取代大衣上的纽扣、拉链或鞋带。最著名的应用可能是美国国家航空航天局（NASA）使用这种搭扣件固定设备和宇航服。

5. Super Soaker^® 超级水枪

骄阳似火，阳光将草坪染成了尘土棕色。蝉在树上鸣叫，汗水顺着额头滴落。你的邻居从房子旁边走来，手里拿着你最信任的刚从水龙头里重新装上水的 Super Soaker^® 超级水枪，来对抗炎炎夏日。这项由美国国家航空航天局工程师 Lonnie Johnson 发明的玩具入选 2015 年美国国家玩具名人堂。它是有史以来最畅销的水上玩具之一，其灵感来源于一次意外。

Super Soaker CPS2000，属于“恒压系统”系列超级水枪。采用 CC BY-SA 3.0 许可，通过 Wikimedia Commons 共享。

Johnson 是一名多产的发明家， 拥有 100 多项专利，当时他正在开发一种新型热泵，这种热泵可以使用加压水代替氟里昂（Freon^® ）。突然，一股稳定的水流从房间里喷射而出。受此启发，他用有机玻璃、PVC 管和汽水瓶制作了一个原型。这个原型后来被送到 Larami 公司，并最终成为我们今天所熟知的 Super Soaker^® 超级水枪。

Johnson 并没有就此止步。他继续从事航空航天项目和玩具行业的工作，最终通过调整设计，发明了 Nerf N-Strike 玩具枪。

扩展阅读

• 上述发明的确令人惊叹，但也不要忽视那些并非偶然诞生的发明。阅读下列博客，了解更多其他发明家及其重要发明的信息：
  • Douglas Engelbart, 电脑鼠标开发者
  • Olive Dennis, 她的创新研究开创了舒适的铁路客运旅行
  • Elijah McCoy, 他创造的蒸汽机润滑系统改变了铁路行业

 
VELCRO 是 Velcro IP Holdings LLC 的注册商标。经许可使用。Kevlar 是杜邦安全与建筑公司的注册商标。Super Soaker 是 Hasbro, Inc.Freon 是 The Chemours Company FC, LLC 的注册商标。