吉林
自然界里到处是刺。蛇的毒牙、仙人掌的尖刺、蝎子的毒钩、鲨鱼的牙齿，还有你上周被划破手指的那根玫瑰刺。它们形态各异，目的却高度一致：刺穿。
那么，经过数亿年的进化打磨，自然界为什么没能造出一种放之四海而皆准的完美穿刺工具？
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的研究团队，花时间研究了140种不同的生物穿刺工具，从病毒的注射针头到猛禽的利爪，横跨植物、动物、真菌和微生物。他们的结论发表在《科学进展》上，简洁而有点令人沮丧：完美的穿刺工具根本不存在，因为物理定律不允许。
形状背后，是一场永恒的妥协
研究团队的核心发现，围绕两个基本参数展开：锥度和横截面形状。
锥度描述的是工具从根部到尖端的收窄程度，是像鲨鱼牙齿那样宽扁的三角形，还是像眼镜蛇毒牙那样细长的锥形。横截面则描述了工具的截面是圆润的，还是扁平的。
这两个参数共同决定了一件事：穿刺效率与抗折断能力之间的平衡。
扁平的工具插入更容易，因为它切开材料时制造的是一道细缝，需要撑开的组织更少。但扁平也意味着更容易弯曲和断裂，在高强度的穿刺动作中风险更高。
圆润的工具更结实，不容易折断，但穿透同样的材料需要消耗更多能量，因为它必须把更多组织推开。
研究团队用计算机模拟了25种不同锥度和横截面组合的锥形工具，计算每一种在造成裂缝并插入目标时所需的能量，以及它们各自的抗弯折能力。结果清晰：没有任何一种模型能同时在两个维度上达到最优。
论文第一作者、进化生物力学教授菲利普·安德森说得直接："如果你试图提高一个工具的抗屈曲性能，你就会失去穿刺性能，反之亦然。你几乎是在寻找一个中间点，让两种性能都尽可能得到优化。"
每种生物都在用自己的方式解这道题
在野外发现的各种武器上排，从左至右：Gary Todd、Jbjensen1、Josh Plueger/美国空军；下排，从左至右：Michelle Passeroti/美国国家海洋和大气管理局、Stefanie Leuker、Joel Garlich-Miller/美国鱼类及野生动物管理局。图片由Diana Yates绘制。
有意思的地方在于，不同的生物对这道物理题给出了截然不同的答案，而这些答案都与它们的生存策略高度吻合。
在模拟中，综合得分最高的锥体，与现实中蝎子毒刺、眼镜王蛇毒牙、玫瑰刺、红尾鹰爪和行军蚁颚的形态惊人地接近。这些工具在穿透力和强度之间找到了相对平衡的位置，可以称得上是"全能型选手"。
仙人掌的刺则是另一种策略。它们的穿刺效率极高，但也是最容易弯折的一类。这听起来像是一个缺陷，但对仙人掌来说恰恰合理：一株仙人掌可以长出数以百计的刺，失去几根无关大局，重要的是整体覆盖面足够密，让捕食者无从下嘴。
研究人员考察了影响穿刺效率的两个因素——锥度和圆度。较扁平（圆度较小）的工具往往具有更高的穿刺效率，但更容易发生屈曲或弯曲。戴夫·佩普/戴安娜·耶茨绘图
哺乳动物的犬齿则走向了另一个极端，高度抗折但穿透力相对有限。原因直白：哺乳动物一生只有两副牙，乳牙和恒牙，弄断了就没了。安德森说，从进化角度看，牙齿的耐用性比它的穿刺能力更重要，因为活得长才能有更多繁殖机会。
鱼刺的逻辑又完全不同。研究人员发现，许多鱼的刺根本不是为了主动攻击设计的，它的功能更像是让捕食者觉得这条鱼太难咽，放弃吞食。目的从"刺穿对方"变成了"让自己难以被刺穿"，形态设计自然也随之变化。
这里有一个生物学的底层原则在发挥作用，研究人员称之为"能量分配"：任何生物体的能量预算都是有限的，用在武器上的资源多了，用在繁殖、生长或免疫上的资源就少了。进化不是在追求单项最优，而是在所有需求之间寻找整体上最划算的方案。
这项研究最实用的价值，或许在生物仿生工程领域。目前，医疗针头、手术刀、微型探针的设计，往往只参考一两种生物结构。安德森认为，更好的方式是把140种生物穿刺工具当成一个数据库，观察整体趋势，而不是单一模仿。
毕竟，进化已经在这个问题上试验了数亿年，那些失败的设计早已被淘汰，留下来的每一种形态，都是在特定约束条件下的最优解。
人类工程师要做的，也许是搞清楚自己面对的是哪种约束，然后去找对应的那个答案。
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