仿生学的例子

仿生学的例子 大自然的启示 乌贼和鱼雷诱饵 乌贼体内的囊状物能分泌黑色液体 遇到危险时它便释放出 这种黑色液体 诱骗攻击者上当 潜艇设计者们仿效乌贼的 这一功能读者设计出了鱼雷诱饵 鱼雷诱醋似袖珍潜艇 可 按潜艇的原航向航行 航速不变 也可模拟噪音 螺旋节拍 声信号和多普勒音调变化等 正是它这种惟妙惟肖的表演 令敌潜艇或攻击中的鱼雷真假难辩 最终使潜艇得以逃脱 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 长颈鹿和 抗荷服 长颈鹿是目前世界上最高的动物 其大脑和心脏的距离约 3 米 完全是靠高达 160 260 毫米汞柱的血压把血液送到大脑 的 按一般分析 当长颈鹿低头饮水时 大脑的位置低于心 脏 大量的血液会涌入大脑 使血压更加增高 那么长颈鹿 会在饮水时得脑充血或血管破烈等疾病而死 但是裹在长颈 鹿身上的一层 厚皮紧紧箍住了血管 限制了血压 飞机设 计师和航空生物学家依照长颈鹿皮肤原理 设计出一种新颖 的 抗荷服 从而解决了超高速歼击机驾驶员在突然加速爬 升时因脑部缺血而引起的痛苦 这种 抗荷服 内有一装置 当飞机加速时可压缩空气 也能对血管产生相应的压力 这 比长颈鹿的厚皮更高明了 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 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 苍苍蝇蝇与与宇宇宙宙飞飞船船 苍蝇为人类做出的伟大贡献令人讨厌的苍蝇 与宏伟的航 天事业似乎风马牛不相及 但仿生学却把它们紧密地联系 起来了 苍蝇是声名狼藉的 逐臭之夫 凡是腥臭污秽的 地方 都有它们的踪迹 苍蝇的嗅觉特别灵敏 远在几千 米外的气味也能嗅到 但是苍蝇并没有 鼻子 它靠什么 来充当嗅觉的呢 原来 苍蝇的 鼻子 嗅觉感受器分 布在头部的一对触角上 引每个 鼻子 只有一个 鼻孔 与 外界相通 内含上百个嗅觉神经细胞 若有气味进入 鼻 孔 这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲 送往 大脑 大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同 就可区别出不同气味的物质 因此 苍蝇的触角像是一台 灵敏的气体分析仪 仿生学家由此得到启发 根据苍蝇嗅 觉器官的结构和功能 仿制成一种十分奇特的小型气体分 析仪 这种仪器的 探头 不是金属 而是活的苍蝇 就是 把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上 将引导出来 的神经电信号经电子线路放大后 送给分析器 分析器一 经发现气味物质的信号 便能发出警报 这种仪器已经被 安装在宇宙飞船的座舱里 用来检测舱内气体的成分 这 种小型气体分析仪 也可测量潜水艇和矿井里的有害气体 利用这种原理 还可用来改进计算机的输入装置和有关气 体色层分析仪的结构原理中 另外苍蝇的楫翅 又叫平衡 棒 是个 天然导航仪 人们模仿它制成了 振动陀螺仪 这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上 实现了自动 驾驶 从萤火虫到人工冷光 从从萤萤火火虫虫到到人人工工冷冷光光 自从人类发明了电灯 生活变得方便 丰富多了 但电 灯只能将电能的很少一部分转变成可见光 其余大部分都 以热能的形式浪费掉了 而且电灯的热射线有害于人眼 那么 有没有只发光不发热的光源呢 人类又把目光投向 了大自然 在自然界中 有许多生物都能发光 如细菌 真菌 蠕 虫 软体动物 甲壳动物 昆虫和鱼类等 而且这些动物发 出的光都不产生热 所以又被称为 冷光 在众多的发光 动物中 萤火虫是其中的一类 萤火虫约有 1 500 种 它们 发出的冷光的颜色有黄绿色 橙色 光的亮度也各不相同 萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率 而且发出的冷 光一般都很柔和 很适合人类的眼睛 光的强度也比较高 因此 生物光是一种人类理想的光 9 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 在荧光酶的作用下 荧光素在细胞内水分的参与下 与氧 化合便发出荧光 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 近年来 科学家 先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素 后来又分离 出了荧光酶 接着 又用化学方法人工合成了荧光素 由 荧光素 荧光酶 ATP 三磷酸腺苷 和水混合而成的生物 光源 可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯 由于这种 光没有电源 不会产生磁场 因而可以在生物光源的照明 下 做清除磁性水雷等工作 现在 人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似 生物光的冷光 作为安全照明用 电电鱼鱼与与伏伏特特电电池池 自然界中有许多生物都能产生电 仅仅是鱼类就有 500 余种 人们将这些能放电的鱼 统称为 电鱼 各种电鱼放电的本领各不相同 放电能力最强的是电 鳐 电鲶和电鳗 中等大小的电鳐能产生 70 伏左右的电 压 而非洲电鳐能产生的电压高达 220 伏 非洲电鲶能产 生 350 伏的电压 电鳗能产生 500 伏的电压 有一种南美 洲电鳗竟能产生高达 880 伏的电压 称得上电击冠军 据 说它能击毙像马那样的大动物 电鱼放电的奥秘究竟在哪里 经过对电鱼的解剖研究 终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官 这些发电器 官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 电鱼这种非凡的本领 引起了人们极大的兴趣 19 世 纪初 意大利物理学家伏特 以电鱼发电器官为模型 设 计出世界上最早的伏特电池 因为这种电池是根据电鱼的 天然发电器设计的 所以把它叫做 人造电器官 对电鱼 的研究 还给人们这样的启示 如果能成功地模仿电鱼的 发电器官 那么 船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很 好的解决 水水母母的的顺顺风风耳耳 在自然界中 水母 早在 亿多年前 它们就已经在海 水里生活了 但是 水母跟顺风耳又有什么关系呢 人 们肯定会问这样一个问题 因为 水母在风暴来临之前 就会成群结队地游向大海 就预示风暴既将来临 但是 这又与 顺风耳 有什么关系呢 原来 在蓝色的海洋上 由空气和波浪摩擦而产生的次声波 频率为 赫兹 是风暴来临之前的预告 这种次声波 人耳是听不到的 而对水母来说却是易如反掌 科学家经过研究发现 水母 的耳朵里长着一个细柄 柄上有个小球 球内有块小小的 听石 科学家仿照水母耳朵的结构和功能 设计了水母耳风 暴预测仪 相当精确地模拟了水母感受次声波的器官 技技能能训训练练长长颈颈鹿鹿与与宇宇航航员员失失重重现现像像 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导致长颈鹿患 脑溢血而死亡呢 这和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 蛋蛋壳壳与与薄薄壳壳建建筑筑 蛋壳呈拱形 跨度大 包括许多力学原理 虽然它只 有 2 mm 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 防风和导湿的功能 斑斑马马 斑马生活在非洲大陆 外形与一般的马没有什么两样 它们身上的条纹是为适应生存环境而衍化出来的保护色 在所有斑马中 细斑马长得最大最美 它的肩高 140 160 厘米 耳朵又圆又大 条纹细密且多 斑马常与草原上的 牛羚 旋角大羚羊 瞪羚及鸵鸟等共外 以抵御天敌 人类 将斑马条纹应用到军事上是一个是很成功仿生学例子 昆昆虫虫与与仿仿生生 昆虫个体小 种类和数量庞大 占现存动物的 75 以 上 遍布全世界 它们有各自的生存绝技 有些技能连人 类也自叹不如 人们对自然资源的利用范围越来越广泛 特别是仿生学方面的任何成就 都来自生物的某种特性 本文简要介绍昆虫与仿生学 右为家蝇的眼睛 蝴蝶与仿生 蝴蝴蝶蝶与与仿仿生生 五彩的蝴蝶锦色粲然 如重月纹凤蝶 褐脉金斑蝶等 尤其是萤光翼凤蝶 其后翅在阳光下时而金黄 时而翠绿 有时还由紫变蓝 科学家通过对蝴 蝶色彩的研究 为军 事防御带来了极大的裨益 在二战期间 德军包围了列宁 格勒 企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施 苏 联昆虫学家施万维奇根据当时 人们对伪装缺乏认识的情 况 提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发现的道理 在 军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装 因此 尽管德军费尽 心机 但列宁格勒的军事 基地仍安然无惹 为赢得最后 的胜利奠定了坚实的基础 根据同样的原理 后来人们还 生产出了迷彩服 大大减少了战斗中的伤亡 10 人造卫星在太空中由于位 置的不断变化可引起温度 骤然变化 有时温差可高达两 三百度 严重影响许多仪 器的正常工作 科学家们受蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照 射方向自动变换角度而调 节体温的启发 将人造卫星的 控温系统制成了叶片正反两面辐射 散热能力相差很大的 百叶窗样式 在每扇窗的转动位置安装有对温度敏感的金 属丝 随温度变化可调节窗的开合 从而保持了人造卫星 内部温度的恒定 解决了航天事业中的一大难题 甲甲虫虫与与仿仿生生 气步甲炮虫自卫时 可喷射出具有恶臭的高温液体 炮弹 以迷惑 刺激和惊吓敌害 科学家将其解剖后发 现甲虫体内有 3 个小室 分别储有二元酚溶液 双氧水和 生物酶 二元酚和双氧水流到第三小室与生物酶 混合发 生化学反应 瞬间就成为 100 的毒液 并迅速射出 这种 原理目前已应用于军事技术中 二战期间 德国纳粹为了 战争的需要 据此机理制造出了一种功率极大且性能安全 可靠的新型发动机 安装在飞航式导弹上 使之飞行速度 加快 安全稳定 命中率提高 英国伦敦在受其轰炸时损 失惨重 美国军事专家受甲虫喷 射原理的启发研制出了 先进的二元化武器 这种武器将两种或多种能产生毒剂的 化学物质分装在两个隔开的容器中 炮弹发射后隔膜破裂 两种毒剂中间体在弹体飞 行的 8 10 秒内混合并发生反 应 在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌人 它们 易于生产 储存 运输 安全且不易失效 萤火虫可将化学 能直接转变成光能 且转化效率达 100 而普通电灯的 发光效率只有 6 人们模仿萤火虫的发光原理制成的冷 光源可将发光效率提高十几倍 大大节约了能量 另外 根据甲 虫的视动反应机制研制成功的空对地速度计已成 功地应用于航空事业中 蜻蜻蜓蜓与与仿仿生生学学 蜻蜒通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳 定气流 井利用气流产生的涡流来使自己上升 蜻蜒能在 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 72km 小时 此外 蜻蜒的 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 蜻蜒 依靠加重的翅痣在高速飞行时安然无恙 于是人们仿效蜻 蜒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 苍苍蝇蝇与与仿仿生生 昆虫学家研究发现 苍蝇的后翅退化成一对平衡棒 当它飞行时 平衡棒以一定的频率进行机械振动 可以调 节翅膀的运动方向 是保持苍蝇身体平 衡的导航仪 科 学家据此原理研制成一代新型导航仪 振动陀螺仪 大 大改进了飞机的飞行性能 LlJ 可使飞机自动停止危险的 滚翻飞行 在机体强烈倾斜时还 能自动恢复平衡 即使 是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失 苍蝇的复眼包 含 4000 个可独立成像的单眼 能看清几乎 360 范围内的 物体 在蝇眼的启示下 人们制成了由 1329 块小透镜组 成的一次可拍 1329 张高分辨率照片的蝇眼照像机 在军 事 医学 航空 航天上被广泛应用 苍蝇的嗅觉特别灵敏 并能对 数十种气味进行快速分析且可立即作出反应 科 学家根据苍蝇嗅觉器官的结构 把各种化学反应转变成电 脉冲的方式 制成了十分灵敏的小型气体分析仪 目前已 广 泛应用于宇宙飞船 潜艇和矿井等场所来检测气体成 分 使科研 生产的安全系数更为准确 可靠 蜂类与仿生 蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小 蜂房组成 每个小蜂房的底部由 3 个相同的菱形组成 这 些结构与近代数学家精确计算出来的 菱形钝角 109 28 锐角 70 32 完全相同 是最节省 材料的结构 且容量大 极坚固 令许多专家赞叹不止 人们仿其构造 用各种材料制成蜂巢式夹层结构板 强度大 重量轻 不 易传导声和热 是建筑及制造航天飞 机 宇宙飞船 人造 卫星等的理想材料 蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着 对偏振光方向十分敏感的偏振片 可利用太阳准确定位 科学家据此原理研制成功了偏 振光导航仪 早已广泛用 于航海事业中 其其它它昆昆虫虫与与仿仿生生 跳蚤的跳跃本领十分高强 航空专家对此进行了 生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线 抗撕断 裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索 船和潜艇来自人们 对鱼类和海豚的模仿 响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的 热眼 功能和其舌 上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原 理 研制开发出来的现代化武器 火箭升空利用的是水母 墨鱼反冲原理 科研人员通过研究变色龙的变色本领 为部队研制出 了不少军事伪装装备 科学家研究青蛙的眼睛 发明了电子蛙眼 白蚁不仅使用胶粘剂建筑它们的土堆 还可以通过头 部的小管向敌人喷射胶粘剂 于是人们按照同样的原理制 造了工作的武器 快干胶炮弹 美国空军通过毒蛇的 热眼 功能 研究开发出了微型