仿生学的例子

1、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

2、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 160260 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”

3、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

4、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。苍蝇与宇宙飞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

5、“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

6、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萤火虫到人工冷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

7、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4

8、0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。电鱼与伏特电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

9、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

10、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，弓I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。水母的顺风耳在自然界中，水母，早在5亿多年前，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

11、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813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。技能训练长颈鹿与宇航员失重现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

12、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，研制了飞行服一一“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

13、腿部的血压，利于身体上部的血 液向下肢输送。蛋壳与薄壳建筑蛋壳呈拱形，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

14、应用到军事上是一个是很成功仿生 学例子。昆虫与仿生75 %昆虫个体小，种类和数量庞大，占现存动物的 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）蝴蝶与仿生蝴蝶与仿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

15、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

16、，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。甲虫与仿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 C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

17、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。蜻蜓与仿生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

18、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。苍蝇与仿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 LIJ，

19、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

20、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一一菱形钝角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。其它昆虫与仿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

21、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 型热传感器。我国纺织科技人员利用仿生学原理，借鉴陆地动物的皮毛结构，设计出一种KEG保温面料，并具有防风和导