仿生學的例子

1、仿生學的例子大自然的啟示烏賊和魚雷誘餌 烏賊體內的囊狀物能分泌黑色液體，遇到危險時它便釋放出這種黑色液體，誘騙攻擊者上當。潛艇設計者們仿效烏賊的這一功能讀者設計出了魚雷誘餌。魚雷誘醋似袖珍潛艇，可按潛艇的原航向航行，航速不變，也可模擬噪音、螺旋節(jié)拍、聲信號和多普勒音調變化等。正是它這種惟妙惟肖的表演，令敵潛艇或攻擊中的魚雷真假難辯，最終使?jié)撏У靡蕴用摗?蜘蛛和裝甲 生物學家發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲的強度相當于同等體積的鋼絲的5倍。受此啟發(fā)，英國劍橋一所技術公司試制成猶如蜘蛛絲一樣的高強度纖維。用這種纖維做成的復合材料可以用來做防彈衣、防彈車、坦克裝甲車等結構材料。 長頸鹿和“抗荷服” 長頸鹿是目前世界上最高

2、的動物，其大腦和心臟的距離約3米，完全是靠高達160260毫米汞柱的血壓把血液送到大腦的。按一般分析，當長頸鹿低頭飲水時，大腦的位置低于心臟，大量的血液會涌入大腦，使血壓更加增高，那么長頸鹿會在飲水時得腦充血或血管破烈等疾病而死。但是裹在長頸鹿身上的一層、厚皮緊緊箍住了血管，限制了血壓，飛機設計師和航空生物學家依照長頸鹿皮膚原理，設計出一種新穎的“抗荷服”，從而解決了超高速殲擊機駕駛員在突然加速爬升時因腦部缺血而引起的痛苦。這種“抗荷服”內有一裝置，當飛機加速時可壓縮空氣，也能對血管產生相應的壓力，這比長頸鹿的厚皮更高明了。 鯨魚和潛艇的“鯨背效應” 當代核潛艇能長時間潛航于冰海之下，但若在冰

3、下發(fā)射導彈，則必須破冰上浮，這就碰到了力學上的難題。潛舴專家從鯨魚每隔10分鐘必須破冰呼吸一次中得到啟迪，在潛艇頂部突起的指揮臺圍殼和上層建筑方面，作了加強材料力度和外形仿鯨背處理，果然取得了破冰時的“鯨背效應”。 蝴蝶和衛(wèi)星控溫系統(tǒng)遨游太空的人造衛(wèi)星，當受到陽光強烈輻射時，衛(wèi)星溫度會高達200攝氏度；而在陰影區(qū)域，衛(wèi)星溫度會下降至零下200攝氏度左右，這很容易烤壞或凍壞衛(wèi)星上的精密儀器儀表，它一度曾使航天科學家傷透了腦筋。后來，人們從蝴蝶身上受到啟迪。原來，蝴蝶身體表面生長著一層細小的鱗片，這些鱗片有調節(jié)體溫的作用。每當氣溫上升、陽光直射時，鱗片自動張開，以減少陽光的輻射角度，從而減少對陽光

4、熱能的吸收；當外界氣溫下降時，鱗片自動閉合，緊貼體表，讓陽光直射鱗片，從而把體溫控制在正常范圍之內?？茖W家經(jīng)過研究，為人造地球衛(wèi)星設計了一種猶如蝴蝶鱗片般的控溫系統(tǒng)。   蒼蠅與宇宙飛船蒼蠅為人類做出的偉大貢獻令人討厭的蒼蠅，與宏偉的航天事業(yè)似乎風馬牛不相及，但仿生學卻把它們緊密地聯(lián)系起來了。蒼蠅是聲名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污穢的地方，都有它們的蹤跡。蒼蠅的嗅覺特別靈敏，遠在幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅并沒有“鼻子”，它靠什么來充當嗅覺的呢? 原來，蒼蠅的“鼻子”嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上。引每個“鼻子”只有一個“鼻孔”與外界相通，內含上百個嗅覺神經(jīng)細胞。若

5、有氣味進入“鼻孔”，這些神經(jīng)立即把氣味刺激轉變成神經(jīng)電脈沖，送往大腦。大腦根據(jù)不同氣味物質所產生的神經(jīng)電脈沖的不同，就可區(qū)別出不同氣味的物質。因此，蒼蠅的觸角像是一臺靈敏的氣體分析儀。仿生學家由此得到啟發(fā)，根據(jù)蒼蠅嗅覺器官的結構和功能，仿制成一種十分奇特的小型氣體分析儀。這種儀器的“探頭”不是金屬，而是活的蒼蠅。就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經(jīng)上，將引導出來的神經(jīng)電信號經(jīng)電子線路放大后，送給分析器；分析器一經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣味物質的信號，便能發(fā)出警報。這種儀器已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內氣體的成分。這種小型氣體分析儀，也可測量潛水艇和礦井里的有害氣體。利用這種原理，還可用來改進計算

6、機的輸入裝置和有關氣體色層分析儀的結構原理中。另外蒼蠅的楫翅（又叫平衡棒）是個“天然導航儀”，人們模仿它制成了“振動陀螺儀”。這種儀器目前已經(jīng)應用在火箭和高速飛機上，實現(xiàn)了自動駕駛。    從螢火蟲到人工冷光從螢火蟲到人工冷光自從人類發(fā)明了電燈，生活變得方便、豐富多了。但電燈只能將電能的很少一部分轉變成可見光，其余大部分都以熱能的形式浪費掉了，而且電燈的熱射線有害于人眼。那么，有沒有只發(fā)光不發(fā)熱的光源呢? 人類又把目光投向了大自然。 在自然界中，有許多生物都能發(fā)光，如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等，而且這些動物發(fā)出的光都不產生熱，所以又被稱為“冷光?！痹?/p>

7、眾多的發(fā)光動物中，螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1 500種,它們發(fā)出的冷光的顏色有黃綠色、橙色，光的亮度也各不相同。螢火蟲發(fā)出冷光不僅具有很高的發(fā)光效率，而且發(fā)出的冷光一般都很柔和，很適合人類的眼睛，光的強度也比較高。因此，生物光是一種人類理想的光。9 科學家研究發(fā)現(xiàn)，螢火蟲的發(fā)光器位于腹部。這個發(fā)光器由發(fā)光層、透明層和反射層三部分組成。發(fā)光層擁有幾千個發(fā)光細胞，它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。在熒光酶的作用下，熒光素在細胞內水分的參與下，與氧化合便發(fā)出熒光。螢火蟲的發(fā)光，實質上是把化學能轉變成光能的過程。 早在40年代，人們根據(jù)對螢火蟲的研究，創(chuàng)造了日光燈，使人類的照明光源發(fā)生了很大變化

8、。近年來，科學家先是從螢火蟲的發(fā)光器中分離出了純熒光素，后來又分離出了熒光酶，接著，又用化學方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當閃光燈。由于這種光沒有電源，不會產生磁場，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。 現(xiàn)在，人們已能用摻和某些化學物質的方法得到類似生物光的冷光，作為安全照明用。 電魚與伏特電池自然界中有許多生物都能產生電，僅僅是魚類就有500余種 。人們將這些能放電的魚，統(tǒng)稱為“電魚”。 各種電魚放電的本領各不相同。放電能力最強的是電鰩、電鯰和電鰻。中等大小的電鰩能產生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能

9、產生的電壓高達220伏；非洲電鯰能產生350伏的電壓；電鰻能產生500伏的電壓，有一種南美洲電鰻竟能產生高達880伏的電壓，稱得上電擊冠軍,據(jù)說它能擊斃像馬那樣的大動物。 電魚放電的奧秘究竟在哪里?經(jīng)過對電魚的解剖研究， 終于發(fā)現(xiàn)在電魚體內有一種奇特的發(fā)電器官。這些發(fā)電器官是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細胞構成的。由于電魚的種類不同，所以發(fā)電器的形狀、位置、電板數(shù)都不一樣。電鰻的發(fā)電器呈棱形，位于尾部脊椎兩側的肌肉中；電鰩的發(fā)電器形似扁平的腎臟，排列在身體中線兩側，共有200萬塊電板;電鯰的發(fā)電器起源于某種腺體，位于皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板。單個電板產生的電壓很微弱，但由于電板很

10、多，產生的電壓就很大了。 電魚這種非凡的本領，引起了人們極大的興趣。19世紀初，意大利物理學家伏特，以電魚發(fā)電器官為模型，設計出世界上最早的伏特電池。因為這種電池是根據(jù)電魚的天然發(fā)電器設計的,所以把它叫做“人造電器官”。對電魚的研究，還給人們這樣的啟示：如果能成功地模仿電魚的發(fā)電器官，那么，船舶和潛水艇等的動力問題便能得到很好的解決。 水母的順風耳在自然界中，水母，早在億多年前，它們就已經(jīng)在海水里生活了?！暗?，水母跟順風耳又有什么關系呢？”人們肯定會問這樣一個問題。因為，水母在風暴來臨之前，就會成群結隊地游向大海，就預示風暴既將來臨。但是，這又與“順風耳”有什么關系呢？原來，在藍色的海洋上，

11、由空氣和波浪摩擦而產生的次聲波（頻率為赫茲），是風暴來臨之前的預告。這種次聲波，人耳是聽不到的，而對水母來說卻是易如反掌?？茖W家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，水母的耳朵里長著一個細柄，柄上有個小球，球內有塊小小的聽石。 科學家仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳風暴預測儀，相當精確地模擬了水母感受次聲波的器官。 技能訓練長頸鹿與宇航員失重現(xiàn)像長頸鹿之所以能將血液通過長長的頸輸送到頭部，是由于長頸鹿的血壓很高。據(jù)測定，長頸鹿的血壓比人的正常血壓高出2倍。這樣高的血壓為什么不會導致長頸鹿患腦溢血而死亡呢？這和長頸鹿身體的結構有關。首先，長頸鹿血管周圍的肌肉非常發(fā)達，能壓縮血管，控制血流量；同時長頸鹿腿部及全身的

12、皮膚和筋膜繃得很緊，利于下肢的血液向上回流?？茖W家由此受到啟示，在訓練宇航員對，設置一種特殊器械，讓宇航員利用這種器械每天鍛煉幾小時，以防止宇航員血管周圍肌肉退化；在宇宙飛船升空時，科學家根據(jù)長頸鹿利用緊繃的皮膚可控制血管壓力的原理，研制了飛行服“抗荷服”。抗荷服上安有充氣裝置，隨著飛船速度的增高，抗荷服可以充入一定量的氣體，從而對血管產生一定的壓力，使宇航員的血壓保持正常。同時，宇航員腹部以下部位是套入抽去空氣的密封裝置中的，這樣可以減小宇航員腿部的血壓，利于身體上部的血液向下肢輸送。 蛋殼與薄殼建筑蛋殼呈拱形，跨度大，包括許多力學原理。雖然它只有2 mm的厚度，但使用鐵錘敲砸也很難破壞它。

13、建筑學家模仿它進行了薄殼建筑設計。這類建筑有許多優(yōu)點：用料少，跨度大，堅固耐用。薄殼建筑也并非都是拱形，舉世聞名的悉尼歌劇院則像一組泊港的群帆。 防風和導濕的功能。斑馬斑馬生活在非洲大陸，外形與一般的馬沒有什么兩樣，它們身上的條紋是為適應生存環(huán)境而衍化出來的保護色。在所有斑馬中，細斑馬長得最大最美。它的肩高140-160厘米，耳朵又圓又大，條紋細密且多。斑馬常與草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鴕鳥等共外，以抵御天敵。人類將斑馬條紋應用到軍事上是一個是很成功仿生學例子。 昆蟲與仿生昆蟲個體小，種類和數(shù)量龐大，占現(xiàn)存動物的75以上，遍布全世界。它們有各自的生存絕技，有些技能連人類也自嘆不如。人們對

14、自然資源的利用范圍越來越廣泛，特別是仿生學方面的任何成就，都來自生物的某種特性，本文簡要介紹昆蟲與仿生學。（右為家蠅的眼睛）    蝴蝶與仿生蝴蝶與仿生五彩的蝴蝶錦色粲然，如重月紋鳳蝶，褐脈金斑蝶等，尤其是螢光翼鳳蝶，其后翅在陽光下時而金黃，時而翠綠，有時還由紫變藍。科學家通過對蝴 蝶色彩的研究，為軍事防御帶來了極大的裨益。在二戰(zhàn)期間，德軍包圍了列寧格勒，企圖用轟炸機摧毀其軍事目標和其他防御設施。蘇聯(lián)昆蟲學家施萬維奇根據(jù)當時 人們對偽裝缺乏認識的情況，提出利用蝴蝶的色彩在花叢中不易被發(fā)現(xiàn)的道理，在軍事設施上覆蓋蝴蝶花紋般的偽裝。因此，盡管德軍費盡心機，但列寧格勒的軍事 基地

15、仍安然無惹，為贏得最后的勝利奠定了堅實的基礎。根據(jù)同樣的原理，后來人們還生產出了迷彩服，大大減少了戰(zhàn)斗中的傷亡。10 人造衛(wèi)星在太空中由于位 置的不斷變化可引起溫度驟然變化，有時溫差可高達兩、三百度，嚴重影響許多儀器的正常工作?？茖W家們受蝴蝶身上的鱗片會隨陽光的照射方向自動變換角度而調 節(jié)體溫的啟發(fā)，將人造衛(wèi)星的控溫系統(tǒng)制成了葉片正反兩面輻射、散熱能力相差很大的百葉窗樣式，在每扇窗的轉動位置安裝有對溫度敏感的金屬絲，隨溫度變化可調節(jié)窗的開合，從而保持了人造衛(wèi)星內部溫度的恒定，解決了航天事業(yè)中的一大難題。 甲蟲與仿生氣步甲炮蟲自衛(wèi)時，可噴射出具有惡臭的高溫液體 “炮彈”，以迷惑、刺激和驚嚇敵害。

16、科學家將其解剖后發(fā)現(xiàn)甲蟲體內有3個小室，分別儲有二元酚溶液、雙氧水和生物酶。二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶 混合發(fā)生化學反應，瞬間就成為100的毒液，并迅速射出。這種原理目前已應用于軍事技術中。二戰(zhàn)期間，德國納粹為了戰(zhàn)爭的需要，據(jù)此機理制造出了一種功率極大且性能安全可靠的新型發(fā)動機，安裝在飛航式導彈上，使之飛行速度加快，安全穩(wěn)定，命中率提高，英國倫敦在受其轟炸時損失慘重。美國軍事專家受甲蟲噴 射原理的啟發(fā)研制出了先進的二元化武器。這種武器將兩種或多種能產生毒劑的化學物質分裝在兩個隔開的容器中，炮彈發(fā)射后隔膜破裂，兩種毒劑中間體在彈體飛 行的810秒內混合并發(fā)生反應，在到達目標的瞬間生成致命

17、的毒劑以殺傷敵人。它們易于生產、儲存、運輸，安全且不易失效。螢火蟲可將化學能直接轉變成光能，且轉化效率達100%，而普通電燈的發(fā)光效率只有6%。人們模仿螢火蟲的發(fā)光原理制成的冷光源可將發(fā)光效率提高十幾倍，大大節(jié)約了能量。另外，根據(jù)甲 蟲的視動反應機制研制成功的空對地速度計已成功地應用于航空事業(yè)中。 蜻蜓與仿生學蜻蜒通過翅膀振動可產生不同于周圍大氣的局部不穩(wěn)定氣流，井利用氣流產生的渦流來使自己上升。蜻蜒能在很小的推力下翱翔，不但可向前飛行，還能向后和左右兩側飛行，其向前飛行速度可達72km/小時。此外，蜻蜒的 飛行行為簡單，僅靠兩對翅膀不停地拍打。科學家據(jù)此結構基礎研制成功了直升飛機。飛機在高速

18、飛行時，常會引起劇烈振動，甚至有時會折斷機翼而引起飛機失事。蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飛行時安然無恙，于是人們仿效蜻蜒在飛機的兩翼加上了平衡重錘，解決了因高速飛行而引起振動這個令人棘手的問題。 蒼蠅與仿生昆蟲學家研究發(fā)現(xiàn)，蒼蠅的后翅退化成一對平衡棒。當它飛行時，平衡棒以一定的頻率進行機械振動，可以調節(jié)翅膀的運動方向，是保持蒼蠅身體平 衡的導航儀。科學家據(jù)此原理研制成一代新型導航儀振動陀螺儀，大大改進了飛機的飛行性能LlJ，可使飛機自動停止危險的滾翻飛行，在機體強烈傾斜時還 能自動恢復平衡，即使是飛機在最復雜的急轉彎時也萬無一失。蒼蠅的復眼包含4000個可獨立成像的單眼，能看清幾乎360。范圍內的

19、物體。在蠅眼的啟示下，人們制成了由1329塊小透鏡組成的一次可拍1329張高分辨率照片的蠅眼照像機，在軍事、醫(yī)學、航空、航天上被廣泛應用。蒼蠅的嗅覺特別靈敏并能對 數(shù)十種氣味進行快速分析且可立即作出反應?？茖W家根據(jù)蒼蠅嗅覺器官的結構，把各種化學反應轉變成電脈沖的方式，制成了十分靈敏的小型氣體分析儀，目前已廣 泛應用于宇宙飛船、潛艇和礦井等場所來檢測氣體成分，使科研、生產的安全系數(shù)更為準確、可靠。 蜂類與仿生蜂巢由一個個排列整齊的六棱柱形小 蜂房組成，每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成，這些結構與近代數(shù)學家精確計算出來的菱形鈍角109。28，銳角70。32完全相同，是最節(jié)省 材料的結構，且容量

20、大、極堅固，令許多專家贊嘆不止。人們仿其構造用各種材料制成蜂巢式夾層結構板，強度大、重量輕、不易傳導聲和熱，是建筑及制造航天飛 機、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料。蜜蜂復眼的每個單眼中相鄰地排列著對偏振光方向十分敏感的偏振片，可利用太陽準確定位?？茖W家據(jù)此原理研制成功了偏 振光導航儀，早已廣泛用于航海事業(yè)中。 其它昆蟲與仿生跳蚤的跳躍本領十分高強，航空專家對此進行了。 生物學家通過對蛛絲的研究制造出高級絲線，抗撕斷裂降落傘與臨時吊橋用的高強度纜索。船和潛艇來自人們對魚類和海豚的模仿。 響尾蛇導彈等就是科學家模仿蛇的“熱眼”功能和其舌上排列著一種似照相機裝置的天然紅外線感知能力的原理，研制開發(fā)出來的現(xiàn)代化武器。 火箭升空利用的是水母、墨魚反沖原理。 科研人員通過研究變色龍的變色本領，為部隊研制出了不少軍事偽裝裝備。 科學家研究青蛙的眼睛，發(fā)明了電子蛙眼。 白蟻不僅使用膠粘劑建筑它們的土堆，還可以通過頭部的小管向敵人噴射膠粘劑。于是人們按照同樣的原理制造了工作的武器快干膠炮彈。 美國空軍通過毒蛇的“熱眼”功能，研究開發(fā)出了微型