科学·技术·社会　动物与仿生

动物与仿生 什么是仿生 人们通过对生物的形态结构和生理特点的认真观察和研究 模仿生物的某些结构和功能发明创造了各种仪器设备 萤火虫 人工冷光科学家研究发现 萤火虫的发光器位于腹部 这个发光器由发光层 透明层和反射层三部分组成 发光层拥有几千个发光细胞 它们都含有荧光素和荧光酶两种物质 萤火虫的发光 实质上是把化学能转变成光能的过程 早在40年代 人们根据对萤火虫的研究 创造了日光灯 使人类的照明光源发生了很大变化 萤火虫的特异功能是由它体内所含的荧光素 荧光酶和氧气相互作用的结果 荧光酶是一种蛋白质 是发光的催化剂 在它的作用下 荧光素便和氧气发生化学反应 形成氧化荧光素 在这个化学反应中 每氧化一个荧光素分子就发射出一个光子 因而反应所产生的能量全部以光的形式释放出来 自然界能够发光的生物还有许多种 有一种甲壳动物 在它们由干燥变成潮湿的时候 能发出辉光 第二次世界大战中 日本兵感到较强的灯光危险性太大 就在干燥的甲壳动物上吐一点儿唾沫 它发出的光足够阅读一张地图 生物发光的强度虽然不大 但却给人们研究新光源以重要启示 2 长颈鹿与宇航员失重现象长颈鹿之所以能将血液通过长长的颈输送到头部 是由于长颈鹿的血压很高 据测定 长颈鹿的血压比人的正常血压高出2倍 这样高的血压为什么不会使长颈鹿患脑溢血而死亡呢 这与长颈鹿身体的结构有关 首先 长颈鹿血管周围的肌肉非常发达 能压缩血管 控制血流量 同时长颈鹿腿部及全身的皮肤和筋膜绷得很紧 利于下肢的血液向上回流 科学家由此受到启示 在训练宇航员对 设置一种特殊器械 让宇航员利用这种器械每天锻炼几小时 以防止宇航员血管周围肌肉退化 在宇宙飞船升空时 科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤可控制血管压力的原理 研制了飞行服 抗荷服 抗荷服上安有充气装置 随着飞船速度的增高 抗荷服可以充入一定量的气体 从而对血管产生一定的压力 使宇航员的血压保持正常 同时 宇航员腹部以下部位是套入抽去空气的密封装置中的 这样可以减小宇航员腿部的血压 利于身体上部的血液向下肢输送 1 4 乌龟的龟壳与薄壳建筑龟壳的背甲呈拱形 跨度大 包括许多力学原理 虽然它只有2mm的厚度 但使用铁锤敲砸也很难破坏它 建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计 这类建筑有许多优点 用料少 跨度大 坚固耐用 薄壳建筑也并非都是拱形 举世闻名的悉尼歌剧院则像一组泊港的群帆 蜻蜓与飞机蜻蜓通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流 并利用气流产生的涡流来使自己上升 蜻蜓能在很小的推力下翱翔 不但可向前飞行 还能向后和左右两侧飞行 其向前飞行速度可达72公里 小时 此外 蜻蜓的飞行行为简单 仅靠两对翅膀不停地拍打 科学家据此结构基础研制成功了直升飞机 飞机在高速飞行时 常会引起剧烈振动 甚至有时会折断机翼而引起飞机失事 蜻蜓依靠加重的翅膀在高速飞行时安然无恙 于是人们效仿蜻蜓在飞机的两翼加上了平衡重锤 解决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题 5 6 蜘蛛与装甲蜘蛛和装甲生物学家发现蜘蛛丝的强度相当于同等体积的钢丝的5倍 受此启发 英国剑桥一所技术公司试制成犹如蜘蛛丝一样的高强度纤维 用这种纤维做成的复合材料可以用来做防弹衣 防弹车 坦克装甲车等结构材料 鲸鱼与潜艇鲸鱼和潜艇的 鲸背效应 当代核潜艇能长时间潜航于冰海之下 但若在冰下发射导弹 则必须破冰上浮 这就碰到了力学上的难题 潜舴专家从鲸鱼每隔10分钟必须破冰呼吸一次中得到启迪 在潜艇顶部突起的指挥台围壳和上层建筑方面 作了加强材料力度和外形仿鲸背处理 果然取得了破冰时的 鲸背效应 7 8 青蛙与电子眼为了弄清楚为什么青蛙一定要等飞蛾起飞才发动攻击 仿生学家对青蛙进行了特殊的实验研究 原来 蛙眼视网膜的神经细胞分成五类 一类只对颜色起反应 另外四类只对运动目标的某个特征起反应 并能把分解出的特征信号输送到大脑视觉中枢 视顶盖 视顶盖上有四层神经细胞 第一层对运动目标的反差起反应 第二层能把目标的凸边抽取出来 第三层只看见目标的四周边缘 第四层则只管目标暗前缘的明暗变化 这四层特征就好像在四张透明纸上的画图 迭在一起 就是一个完整的图像 因此 在迅速飞动的各种形状的小动物里 青蛙可立即识别出它最喜欢吃的苍蝇和飞蛾 而对其他飞动着的东西和静止不动景物都毫无反应 弄清了蛙眼的原理和结构 仿生学家就发明了电子蛙眼 蝴蝶与人造卫星蝴蝶和卫星控温系统遨游太空的人造卫星 当受到阳光强烈辐射时 卫星温度会高达200摄氏度 而在阴影区域 卫星温度会下降至零下200摄氏度左右 这很容易烤坏或冻坏卫星上的精密仪器仪表 它一度曾使航天科学家伤透了脑筋 后来 人们从蝴蝶身上受到启迪 原来 蝴蝶身体表面生长着一层细小的鳞片 这些鳞片有调节体温的作用 每当气温上升 阳光直射时 鳞片自动张开 以减少阳光的辐射角度 从而减少对阳光热能的吸收 当外界气温下降时 鳞片自动闭合 紧贴体表 让阳光直射鳞片 从而把体温控制在正常范围之内 科学家经过研究 为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统 9 10 别外 鲨鱼皮游衣的面料主要采用一种叫做箍铜树脂薄膜的新型的高科技产品 具有极强的弹性和伸展性 它更好的紧束人体外形 尽可能创造出流线性效果 同时还可以压缩肌肉 减少肌肉在水中的摆动 要知道肌肉在水中的摆动正是形状阻力产生的主要来源 鲨鱼皮游泳衣是把仿生学理论和流体力学理论运用到体育领域里中的一次尝试 有专家甚至认为它是继比基尼问世以来在泳衣设计上的又一次跨时代革命 由于世界大赛上顶尖高手间的差距往往只在毫厘之间 如果鲨鱼皮真的能提高哪怕1 的成绩 那么现在的各项世界纪录 在它的影响下都将形同虚设 仿生造型设计 鸟类的蛋具有如此大的承受力 是与它特有的蛋形曲线和科学的结构分不开的 蛋的结构有3层 外层为表皮层 又称闪光层 中层为海绵层 内层为乳头层 不同的鸟类具有不同的3层显微结构 仿生造型设计 车身结构 就象哺乳动物的骨骼 支撑着体内的其他部分 对于宝马3系 车身重量约占整车的20 而人的骨骼占人体重的18 再以马为例 马的骨骼与其总体重之比达到完美的7 10 平衡的秘密就在于马骨骼的结构和密度 总重量 高负重组织结构 以马为鉴的轻质技术 仿生造型设计 宝马的H2R氢燃料汽车最高时速达300 175公里 无庸置疑 发挥到极至的空气动力学是实现这一高速的关键因素 宝马H2R外型和设计的灵感来自海豚和企鹅的低阻身材 圆鼓的前脸 收起的尾部 极小的正锋面 成就了其0 21的阻力系数 而球的阻力系数则是0 50 鱼 海豚 企鹅 流线品质的最佳化 响尾蛇的视力几乎为零 但其鼻子上的颊窝器官具有热定位功能 对0 001摄氏度的温差都能感觉出来 且反应时间不超过0 1秒 即使爬虫 小兽等在夜间入睡后 凭借它们身体所发出的热能 响尾蛇就能感知并敏捷地前往捕食 科学家根据响尾蛇这一奇特功能 研制出现代夜视仪 空对空响尾蛇导弹 以及仿生红外探测器 蝙蝠发出的超声波遇到障碍物就会被反射回来 迅速判断前方是什么物体 距离有多远 是食物 树干还是敌人 然后决定进攻或躲避 经过蝙蝠的启示 人类发明了声纳 即超声波测距仪 用于各个领域 发挥着重要的作用 3 蝙蝠的回声定位与雷达雷达是一种神奇的电学器具 它由电磁波往返时间 测得阻波物的距离 假如你问雷达是谁发明的 在芬克的雷达机械中说 在一九四七年一月号的英国奋勉杂志上 科学家B Vesey Fitzgerald发表了一篇很有趣的文本 给我们解释蝙蝠在黑暗中如何指导自己飞行 不论如何黑暗 如何狭窄的地方 绝不碰壁 这是什么原因 它怎样知道前面有无障碍呢 关于这事有两位美国生物学家格利芬和迦朗包在一九四 年已经证明 蝙蝠能够避免碰撞 是藉一种天然雷达 不过是声波代替电磁波 在原理方面完全相仿 从蝙蝠口中发出一种频率极高的声波 超过人类听觉范围以外 二位科学家藉着一种特制的电力设备 在蝙蝠飞行时 将它所发的高频率声波记录出来 这种声波碰到墙上 必然折回 它的耳膜就能分辨障碍物的距离远近 而向适宜方向飞去 蝙蝠传输声波也像雷达一样 都是相距极短的时间而且极有规则 并且每只蝙蝠 有其固有的频率 这样蝙蝠可分清自己的声音 不至发生扰乱 因这缘故 蝙蝠飞行之时 常是张口 假如你将它口紧闭 它便失去指挥作用 假如堵上它的耳朵 便要撞到墙上 无法飞行 这个有趣的实验 道破了它的秘密 螳螂臂 锯子有一次鲁班进深山砍树木时 一不小心 手被一种野草的叶子划破了 他摘下叶片轻轻一摸 原来叶子两边长着锋利的齿 他的手就是被这些小齿划破的 他还看到在一棵野草上有条大蝗虫 两个大板牙上也排列着许多小齿 所以能很快地磨碎叶片 鲁班就从这两件事上得到了启发 他想 要是这样齿状的工具 不是也能很快地锯断树木了吗 于是 他经过多次试验 终于发明了锋利的锯子 大大提高了工效 电鱼 伏特电池电鱼体内有一种奇特的发电器官 这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的 由于电鱼的种类不同 所以发电器的形状 位置 电板数都不一样 电鳗的发电器呈棱形 位于尾部脊椎两侧的肌肉中 电鳐的发电器形似扁平的肾脏 排列在身体中线两侧 共有200万块电板 电鲶的发电器起源于某种腺体 位于皮肤与肌肉之间 约有500万块电板 单个电板产生的电压很微弱 但由于电板很多 产生的电压就很大了 19世纪初 意大利物理学家伏特 以电鱼发电器官为模型 设计出世界上最早的电池 猪鼻子 防毒面具第一次世界大战期间 在伊普雷战役 1915 4 22 中德军向英法联军阵地施放了氯气 一种毒气 今天自来水有时用氯气消毒 结果造成英法联军15000人中毒其中5000人死亡 清理战场时发现战场上的许多家禽家畜飞禽走兽都中毒死光了 唯独老猪活蹦乱跳安然无恙 这引起了英法联军统帅部的极大兴趣 他们派出最优秀的化学家深入实地考察 为了揭开秘密 化学家们做了个实验 把猪牛羊等圈在一起 然后施放氯气 他们则在远处用望远镜观察 结果发现老猪比其他牲畜嗅觉更灵 他们更早地嗅到了毒气的异味 于是便拼命想逃窜 当逃不出时 圈住了 就开始用它们那强有力的大钢嘴 猪鼻子 拼命地拱地 把地拱松了后它们把大鼻子插