昆蟲的感覺器官和仿生學

昆蟲的感覺器官和仿生學第1頁/共125頁一、常見的昆蟲感覺器官頭部的主要感覺器官包括觸角、單眼和復眼。在口器各組成部分上也有感覺器。2第2頁/共125頁鞭節(jié)flagellum：觸角的端節(jié)，常分成若干亞節(jié)，此節(jié)在不同昆蟲中變化很大。觸角及其構造：基本上由3節(jié)構成：柄節(jié)scape：最基部的一節(jié)，常粗短梗節(jié)pedicel：觸角的第2節(jié)，較小。3第3頁/共125頁1、線狀（絲狀）：觸角細長，呈圓筒形。除第一、二節(jié)稍大外，其余各節(jié)大小、形狀相似，逐漸向端部變細。例如蝗蟲、蟋蟀及一些蛾類等。

（二）觸角的類型4第4頁/共125頁2、念珠狀：鞭節(jié)由近似圓珠形的小節(jié)組成，大小一致，象一串念珠。例如白蟻、褐蛉等。5第5頁/共125頁6第6頁/共125頁3、鋸齒狀：鞭節(jié)各亞節(jié)的端部向一邊突出呈角狀，觸角看起來象一個鋸條。例如叩頭蟲、雌性綠豆象等。7第7頁/共125頁4、櫛齒狀：鞭節(jié)各亞節(jié)向一邊突出很長，形如梳子。例如雄性綠豆象等。8第8頁/共125頁綠豆象9第9頁/共125頁antenna叩頭甲10第10頁/共125頁5、雙櫛齒狀（羽狀）：鞭節(jié)各亞節(jié)向兩邊突出成細枝狀，很象鳥的羽毛。例如雄性蠶蛾、毒蛾等。11第11頁/共125頁12第12頁/共125頁6、棒狀（球桿狀）：觸角細長，近端部的數(shù)節(jié)膨大如橢圓球狀。例如蝶類（是鱗翅目中蝶與蛾的主要區(qū)別特征之一）、蟻蛉等。13第13頁/共125頁14第14頁/共125頁7、錘狀：鞭節(jié)端部數(shù)節(jié)突然膨大，形狀如錘。例如瓢蟲、郭公蟲等。15第15頁/共125頁8、鰓葉狀：端部數(shù)節(jié)擴大成片狀，可以開合，狀似魚鰓。這種觸角為鞘翅目金龜子類所特有。16第16頁/共125頁17第17頁/共125頁9、膝狀（肘狀）：柄節(jié)特別長，梗節(jié)短小，鞭節(jié)由大小相似的亞節(jié)組成，在柄節(jié)和梗節(jié)之間成肘狀或膝狀彎曲。例如象鼻蟲、蜜蜂、小蜂等。18第18頁/共125頁19第19頁/共125頁211.蜜蜂的觸角；2.第3節(jié)基部的感覺器20第20頁/共125頁10、環(huán)毛狀：除基部兩節(jié)外，每節(jié)具有一圈細毛，近基部的毛較長。列如雄性的蚊、搖蚊等。21第21頁/共125頁22第22頁/共125頁11、剛毛狀：觸角很短，基部的一、二節(jié)較大，其余的節(jié)突然縮小，細似剛毛。例如蜻蜓、蟬、飛虱等。23第23頁/共125頁24第24頁/共125頁12、具芒狀：觸角很短，鞭節(jié)僅一節(jié)，較柄節(jié)和梗節(jié)粗大，其上有一根剛毛狀或芒狀構造，稱為觸角芒。觸角芒有的光滑，有的具毛或呈羽狀。這類觸角為雙翅目蠅類所特有。25第25頁/共125頁26第26頁/共125頁蝴蝶的觸角用來感覺味道27第27頁/共125頁蚊子的觸角可以聽到聲音。28第28頁/共125頁螞蟻、蜜蜂見面后互相碰觸角，傳遞信息。29第29頁/共125頁仰泳蝽靠觸角使自己在游泳時保持身體的平衡。30第30頁/共125頁二、復眼位置：顱側區(qū)，但常有變化，如突眼蠅、豉甲等。形狀：多圓形、卵圓形。復眼由若干大小不一致的小眼組成。家蠅的復眼31第31頁/共125頁用來辨別物體，特別是運動的物體，是最重要的視覺器官。

成蟲和不全變態(tài)類的若蟲和稚蟲，一般都有一對復眼。多數(shù)昆蟲復眼能感受的光波波譜范圍也比人眼寬廣。但是，昆蟲的視程遠不及人類。

另外，絕大多數(shù)昆蟲是色盲，如蜜蜂不能分辨出青色和綠色，也不能分辨出紅色和黑色。

32第32頁/共125頁牛虻的復眼33第33頁/共125頁突眼蠅的復眼34第34頁/共125頁天牛的復眼35第35頁/共125頁水棲的豉甲科昆蟲上、下分離的復眼使得它們能在水面游泳時能同時看清楚水表和水中的情況。36第36頁/共125頁37第37頁/共125頁許多“點的影像”互相結合便組成整個物體“鑲嵌的影像”

38第38頁/共125頁翅wing39第39頁/共125頁40第40頁/共125頁鱗片41第41頁/共125頁二、仿生學的基本內(nèi)涵仿生學(Bionics)

模仿生物系統(tǒng)的原理以建造技術系統(tǒng)，或者使人造技術系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的科學仿生學是一門建立在多學科邊緣上的綜合性學科，包括生理學、神經(jīng)學、醫(yī)學、化學、數(shù)學、電子學、信息學等學科。42第42頁/共125頁前言生物體生物模型數(shù)學模型技術模型技術裝置仿生學的研究方法43第43頁/共125頁真正最高水平的仿生學應該是制造生命。（如用化學分子，或者用一個分子構筑具有生理活性的物質(zhì)，如牛胰島素結晶。有爭議的課題，涉及到倫理學，）44第44頁/共125頁結晶牛胰島素（crystallizedbovineinsulin）是牛的胰島素結晶。牛胰島素是牛胰臟中胰島β-細胞所分泌的一種調(diào)節(jié)糖代謝的蛋白質(zhì)激素。其一級結構1955年由英國桑格（S.Sanger）首先確定牛胰島素中氨基酸的組成和排列順序。桑格也因此榮獲1958年諾貝爾化學獎。從1958年開始，中國科學院上海生物化學研究所、中國科學院上海有機化學研究所和北京大學生物系三個單位聯(lián)合，以王應睞為首，由龔岳亭、鄒承魯、杜雨花、季愛雪、邢其毅、汪猷、徐杰誠等人共同組成一個協(xié)作組，在前人對胰島素結構和肽鏈合成方法研究的基礎上，開始探索用化學方法合成胰島素。45第45頁/共125頁經(jīng)過周密研究，他們確立了合成牛胰島素的程序。合成工作是分三步完成的：第一步，先把天然胰島素拆成兩條鏈，再把它們重新合成為胰島素，并于1959年突破了這一難題，重新合成的胰島素是同原來活力相同、形狀一樣的結晶。第二步，在合成了胰島素的兩條鏈后，用人工合成的B鏈同天然的A鏈相連接。這種牛胰島素的半合成在1964年獲得成功。第三步，把經(jīng)過考驗的半合成的A鏈與B鏈相結合。在1965年9月17日完成了結晶牛胰島素的全合成。經(jīng)過嚴格鑒定，它的結構、生物活力、物理化學性質(zhì)、結晶形狀都和天然的牛胰島素完全一樣。這是世界上第一個人工合成的蛋白質(zhì)。這項成果獲1982年中國自然科學一等獎。王應睞因此被著名英國學者李約瑟（JosephNeedham,1900-1995)譽為“中國生物化學的奠基人之一”。46第46頁/共125頁蛋白質(zhì)研究一直被喻為破解生命之謎的關節(jié)點。胰島素是蛋白質(zhì)的一種。由此，胰島素的人工合成，標志著人類在揭開生命奧秘的道路上又邁出了一步。和“兩彈一星”一樣，中國人在世界上第一次人工合成胰島素被負載了很多意義：科研的，民族榮譽感的。尤其讓人們津津樂道的是，這是中國科學家與諾貝爾獎幾乎是零距離的接觸。直到這么久過去了，這也是對中國在科學領域里做出世界上第一流成績的一個最好證明。

47第47頁/共125頁1966年底，A．Tiselius訪問了中國，他當時是瑞典皇家科學院諾貝爾獎評審委員會化學組的主席，人們很自然地把他和物色合適的諾貝爾獎候選人聯(lián)系起來。后來我得知Tiselius對胰島素全序列人工合成的評價很高。當被問及對中國第一顆原子彈爆炸的看法時，他的回答卻是：“你們能從書上學到原子彈的知識，但學不到人工合成胰島素?！?8第48頁/共125頁仿枯葉蝶的迷彩服三、與昆蟲有關的仿生學研究49第49頁/共125頁復眼與多屏幕電視墻50第50頁/共125頁受蠅眼的啟示發(fā)明了蠅眼攝像機，除獲得理想的圖片外，還發(fā)現(xiàn)許多常規(guī)手段無法得到的細節(jié)。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(nèi)的物體。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。51第51頁/共125頁基于蒼蠅視覺系統(tǒng)的新型攝像軟件能夠拍攝普通的圖像（下）并顯示其中的重要細節(jié)，例如房間中的人像（中）并突出細節(jié)（上）。52第52頁/共125頁可用于超薄相機的人造昆蟲眼。使人造眼應用于微型全方位監(jiān)視設備，超薄照相機以及高速運動傳感器上。53第53頁/共125頁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。54第54頁/共125頁蝴蝶色彩與偽裝在二戰(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(chǎn)出了迷彩服，大大減少了戰(zhàn)斗中的傷亡。55第55頁/共125頁56第56頁/共125頁擬態(tài)與仿生57第57頁/共125頁擬態(tài)仿生擬態(tài)仿生坦克的迷彩著裝58第58頁/共125頁三色迷彩的德國“豹”I坦克在電視成像下的效果擬態(tài)仿生擬態(tài)仿生坦克的迷彩著裝59第59頁/共125頁60第60頁/共125頁蝴蝶身上的鱗片會隨陽光的照射方向自動變換角度而調(diào)節(jié)體溫人造衛(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家們受此啟發(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(zhuǎn)動位置安裝有對溫度敏感的金屬絲，隨溫度變化可調(diào)節(jié)窗的開合，從而保持了人造衛(wèi)星內(nèi)部溫度的恒定，解決了航天事業(yè)中的一大難題。61第61頁/共125頁鱗片62第62頁/共125頁63第63頁/共125頁屁步甲炮蟲自衛(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。解剖后發(fā)現(xiàn)甲蟲體內(nèi)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。二戰(zhàn)期間，德國據(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。64第64頁/共125頁步甲的自衛(wèi)

放屁御敵65第65頁/共125頁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(chǎn)生毒劑的化學物質(zhì)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8—10秒內(nèi)混合并發(fā)生反應，在到達目標的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人。它們易于生產(chǎn)、儲存、運輸，安全且不易失效。66第66頁/共125頁螢火蟲的發(fā)光器由發(fā)光層、透明層和反射層組成。發(fā)光層擁有幾千個發(fā)光細胞，含有熒光素和熒光酶。在熒光酶的作用下，熒光素在細胞內(nèi)水分的參與下，與氧化合發(fā)出熒光。螢火蟲的發(fā)光，實質(zhì)上是把化學能轉(zhuǎn)變成光能的過程。螢火蟲可將化學能直接轉(zhuǎn)變成光能，且轉(zhuǎn)化效率達100%，67第67頁/共125頁昆蟲學家研究發(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(diào)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，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(zhuǎn)彎時也萬無一失。68第68頁/共125頁昆蟲觸角與仿生一只雌舞毒蛾僅能分泌0.1微克性引誘素，但這已足夠誘來100萬只雄蛾。30個性引誘素分子便能促使一只雄美洲蟑螂產(chǎn)生性興奮。雌松樹鋸蠅，其氣味能招引約1億只雄蠅。69第69頁/共125頁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(zhuǎn)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(chǎn)的安全系數(shù)更為準確、可靠。70第70頁/共125頁蜂巢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。71第71頁/共125頁夏普32英寸以上的液晶電視都采用夏普自行生產(chǎn)的第六代ASV仿生蜂巢設計,日本原裝超黑低反射TFT透射型超級廣角液晶面板，使得屏幕的光反射大大降低且黑色更加純正。

72第72頁/共125頁蜂巢水果托盤73第73頁/共125頁蜂巢式互聯(lián)網(wǎng)74第74頁/共125頁巴塞羅那建筑史上最前衛(wèi)、最瘋狂的建筑藝術家，高迪。75第75頁/共125頁76第76頁/共125頁圣家教堂77第77頁/共125頁跳蚤的跳躍本領十分高強，航空專家對此進行了大量研究，英國一飛機制造公司從其垂直起跳的方式受到啟發(fā)，成功制造出了一種幾乎能垂直起落的鷂式飛機78第78頁/共125頁79第79頁/共125頁80第80頁/共125頁81第81頁/共125頁82第82頁/共125頁83第83頁/共125頁昆蟲飛行器MicromechanicalFlyingInsect(MFI)Project（微型機械昆蟲飛行項目）：根據(jù)麗蠅的飛行原理來設計的。Robofly84第84頁/共125頁《科學時報》訊(記者曉峰)澳大利亞國立大學的科學家最近根據(jù)昆蟲的仿生學原理制造了一架新型飛行器，它會像蜜蜂一樣觀察周圍的事物，能夠像蜻蜓一樣自如地飛行，而且它還能夠在環(huán)境惡劣的火星表面飛行，以代替行動遲緩的漫游者機器人，從而改變?nèi)藗兲剿骰鹦堑姆绞?。?002年）85第85頁/共125頁１０月９日，美國《華盛頓郵報》刊出長篇調(diào)查報道披露，美國軍方和情報機構可能已成功擁有半機械半昆蟲的技術，從而在間諜情報、軍事偵察和安全保衛(wèi)等領域產(chǎn)生革命性的影響。（2007年）86第86頁/共125頁蜻蜓通過翅膀振動（拍打）使自己上升。向前飛行，向后和左右兩側飛行，速度可達72公里/小時。科學家據(jù)此研制成功了直升飛機。又效仿蜻蜓的翅痣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。87第87頁/共125頁88第88頁/共125頁89第89頁/共125頁90第90頁/共125頁91尺蛾=尺蠖第91頁/共125頁92第92頁/共125頁BionicBugs

TheDefenseDepartment’sattemptstomergeinsectsandelectronicsarebenefitingsciencemorethanthemilitaryByFerrisJabr

|PostedJanuary22,2010;Postedin:PhysicalScience

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93第93頁/共125頁Agiantflowerbeetlewearsanelectronicbackpackthatallowsresearcherstowirelesslycontrolitsflight.94第94頁/共125頁giantflowerbeetle95第95頁/共125頁Agiantflowerbeetlefliesabout,veeringupanddown,leftandright.Buttheinsectisn’tapest,anditisn’tsteeringitsownpath.Animplantedreceiver,microcontroller,microbattery,andsixcarefullyplacedelectrodes–apayloadsmallerthanadimeandweighinglessthanastickofgum–allowanengineertocontrolthebugwirelessly.Histeampreviouslymodified-beetlesduringthepupalstage,sothattheirimplantsareinvisibleinadulthood–avaluablepropertyiftheyaretobeusedincovertmissions.96第96頁/共125頁AgiantflowerbeetleCool!AsayoungboyIdelightedinscaringmysisterwithainanimaterubbermouse.Inthefutureyoungboyswillhaveremotecontrolflyingbugswithwhichtotormenttheirlittlesisters.Howfun!97第97頁/共125頁Inalarge,emptyroomattheUniversityofCalifornia,Berkeley,agiantflowerbeetlesitsonthefloor.Likemostbeetles,ithasasegmentedbody,sixlegs,andapairofwings.Butthere’ssomethingalittledifferentaboutthisone:it’swearinganelectronicbackpackthat’swiredtoitswingmusclesandbrain.Anengineerintheroomtapsabuttononhislaptopandinstantlythebeetle’swingsbegintovibrate,rousingitintoflight.Pressinganotherkeystopsallwingmovementmid-flight.Thebeetledropstothefloor—alittlestunned,perhaps,butunharmed.Ifitsoundstoobizarre

[bi'zɑ:]

tobetrue,justcheckoutthisvideoonYouTubeorviewitbelow.98第98頁/共125頁Thisbionicbugisthelatestcreationofagovernment-fundedresearchprojectwhosegoalistoinventanewkindofmilitarysurveillancebyfusinglivinginsectswithinnovativeelectronics.TheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA)hasalreadyinvested$12millionsince2006inthesci-fiventure,hopingsomedaytodeployinsect-machinehybridsasinconspicuousarmyscouts.AdiversegroupofscientistsfromacrossthenationisworkingtohelpmakeDARPA’svisionofremotecontrolledinsectspiesareality.Althoughanymilitaryapplicationisstillalongwayoff,biologistsandengineersarealreadyfindingtheresearchuseful.99第99頁/共125頁Inanewstudy,electricalengineerHirotakaSatoandhisBerkeleycolleaguesembeddedtinyelectrodesinbeetles’brainsandmuscles,allowingtheresearcherstoremotelystartandstopflight,maketheinsectsturnrightorleft,andeventriggerchangesinelevation.TheBerkeleyresearchdemonstrates“thefirstwirelesscontrolofanyinsectinfreeflight,”saidJohnVandenBrooks,anArizonaStateUniversityinsectbiologistandco-authorofthestudy,whichwaspublishedthispastOctoberinthejournalFrontiersinIntegrativeNeuroscience.100第100頁/共125頁Accordingtothestudy,remotelycontrolledflyinginsectscould“serveascouriers

[?k?ri?]

tolocationsnoteasilyaccessibletohumans,”placeswheresoldierscan’tstrollaboutunnoticed.Asstatedonitswebsite,DARPAhopestoeventuallyuseinsectcyborgs[?sa??b?rɡ]tocarry“sensors,suchasamicrophoneoragassensor,torelaybackinformationgatheredfromthetargetdestination.”TheBerkeleyteamworkedwithgreenJunebeetlesandgiantflowerbeetles,whichcangrowtothesizeofahumanpalm.“Beetlesarereallyubiquitousandreallystrongfliers,andtheycancarryalargepayload,”saidVandenBrooks,explaininghowthesebugscanflyevenwhiletotingtheheftyelectronicbackpacksthatprocessandpowertheelectrodeswiredtotheirbodies.101第101頁/共125頁Afterimplantingradio-equippedelectrodesintotheadultbeetles’brainsandwingmuscles,theresearchersusedalaptoptowirelesslyactivatetheimplants,whichdeliveredpulsesofelectricity.Excitingthebeetles’brainsallowedtheteamtostartorstopflightoncommand.Exactlywhythisworkedsowellremainsunclear,sincetheelectrodesaffectedasizeableandunspecifiedbrainregion.“Wemusthavebeenstimulatingsomepartofthemotorarea,”VandenBrookssuggested.Tochangethedirectionofflight,theresearchersexcitedeithertheleftortherightwingmuscles.102第102頁/共125頁BeforetheBerkeleystudy,mostadvancesininsectcyborgresearchhappenedatCornellUniversity’sLaboratoryforIntelligentMachineSystems,wheresomeresearchersfocusonmoths—specifically,hawkmoths(天蛾),whichbreedquicklyandcancarrylargepayloadsduringflight.SomeCornellresearchershaveexperimentedwithimplantingelectrodesduringearlystagesofmetamorphosis,sotheadulthawkmothsemergeascyborgs.Theseimplantsallowedforsomepreliminarycontrolofwingmovementsandestablishedthesurgicaltechniqueslaterusedandmodifiedbyothers,includingtheBerkeleyteam.103第103頁/共125頁AlthoughDARPAhopesinsect-machinehybridswillsomedayfacilitatethemilitary,afleetofstealthyinsectspieswon’tbebreakingoutofthelabanytimesoon.“It’sthewholeideaoftheflyonthewalltechnology,”saidTimReissman,amechanicalengineeratCornell.“Currently,ourflyisthisrelativelyhugeinsect,”headded,emphasizingtheneedforbothsmallerinsectsandlighterdevicesbeforethecyborgswillbeofanyhelptothearmedforces.VandenBrooks,co-authoroftheBerkeleystudy,agreed:“Somepeopledefinitelyblowitoutofproportion.We’renotevenclosetohavinganyapplicationsofthatkind.”104第104頁/共125頁Perhapsthegreatesthurdletoapracticalmilitaryapplicationofbionicbugsistheissueofpower.Anycyborgelectronicswillrequireapowersource,whichusuallymeansheavybatteriesthatweighdownevenlargeinsectslikeflowerbeetlesandhawkmoths.Imagineagiantbugthesizeofyourhand,luggingabackpackofbatteriesandmicrochips,tryingtodiscreetlycarryoutitsreconnaissance.Notexactlyinconspicuous.Butsomeresearchersaredeterminedtoresolvetheissuesofpowerandsize.reconnaissance

[美][r??kɑn?s?ns,-z?ns]

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inconspicuous[美][??nk?n?sp?kju?s]105第105頁/共125頁WiththeguidanceoflabdirectorEphrahimGarcia,amechanicalandaerospaceengineer,ReissmanandothersatCornellhavetriedtocreateelectronicdevicespoweredbythemoths’ownmovements—anattempttocircumventthedependencyoncumbersomebatteries.Toaccomplishthis,theyusepiezoelectricmaterial,whichturnsmotion“intoavoltagethatcanbeutilizedtopowerotherthings,”Garciaexplained.Attachingapiezoelectricdevicetoamothturnsthevibrationsofitsbodyduringflightintoapowersource.Theultimategoalisfunctionalbattery-freesensors,suchasatinycameraor“asimpleGPSmonitor—theworld’ssmallest,”Garciasaid.106第106頁/共125頁Reissmanisoptimisticabouttheirsuccess.Hiscolleaguesareworkingtobuildminiaturemechanicalsystemscompatiblewiththelowvoltagesharvestedfromamoth’smovements.AccordingtoReissman,theirdevicesarealmostefficientenoughfortakeoff.Noteveryonethinksit’sfeasibletoextractsufficientenergyfrominsectmovementtopoweranymechanicalinstrumentsofpracticaluse.“I’mskeptical,”saidReidHarrison,aUniversityofUtahbioengineerwhobuildselectronicbackpacksforlocustsinordertostudyhowtheirnervoussystemshelpthemescapepredators.“Theseanimalsonlygeneratesomuchmechanicalforce.Evenusingpiezoelectricmaterial,it’saverydifficultchallenge.”107第107頁/共125頁Despitetheobstaclestotrueenergyharvesting,researcherspersist.AttheUniversityofWashington,BrianOtisisdesigningabattery-freein-flightmonitoringdeviceforhawkmoths.“Thereisdataforinsectsshowinghugedifferencesintemperaturebetweenrestandmovement,”heexplained.Otisbelievesthehighinternalheatofaflyinginsectisanotherpotentialpowersource.108第108頁/共125頁BecauseDARPAprovidesthefunding,scientistswhotakeonthechallengeofcreatinginsectcyborgsareostensiblyworkingtowardtheultimateserviceofthegovernmentandarmy.Butsofar,thesynthesisofinsectandmachinehasbenefitedsciencemorethanthemilitary.Insectcyborgsarenotonlypushingengineerstobuilddevices—likeCornell’sGPSsystem—thataresmaller,lighterandmoreefficientthananythingthey’vemadebefore,theycouldgivescientistsaccesstoentirelynovelinformation.109第109頁/共125頁It’sverydifficulttomeasurealivingorganism’sinternalprocesseswithoutsomehowrestrainingitanddisturbingitsnaturalbehaviors.Butthemorescientistslearnaboutsafelyfusinglivinganimalsandtechnology,thebettertheybecomeatmonitoringthemanyimportantbiologicalprocessesthathappeninsidethoseanimals,withoutkeepingthemcageduportetheredinlabs.Bionicbugscouldsoonprovidebiologistswithanunprecedentedabilitytostudyinsectsintheirnaturalenvironment.Imaginebreedingcyborgmothsandbeetlesoutfittedwithtinyself-sufficientGPSmonitorsandchemicalsensors—thenreleasingthemtotheskiesandforests.110第110頁/共125頁“Wewanttomonitorbodytemperature,metabolicrate,flightspeed—wewanttomapwheretheyaregoing,maptheirlifehistory.Alotofthisisreallyunknown,”saidVandenBrooks,co-authoroftheBerkeleystudy.“Animaltrackingdevicesandhowlongtheylastareanimportantissue,”saidCornell’sReissman.“Makingbetter,longerlastingdeviceswouldbeveryadvantageoustounderstandingbiologicalsystems.”111第111頁/共125頁Focusingonthenervoussystemsofinsectshasalsoprovenbeneficialtoscientists.Itmightseemtrivialtostudythebrainsandbehaviorsofbugs,butnerves—theindividualcellsofthenervoussystem—aresocomplicatedthatresearchersneedtotightlyconcentratetheireffortstomakeprogress.“It’saveryvaluablewaytoapproachandstudyneuroscience,”theUniversityofUtah’sHarrisonsaid.“Itturnsoutbiologyisreally,reallycomplex.Ahouseflyhasaquartermillionneuronsinitsbrain—andthat’sjustahousefly!”112第112頁/共125頁“It’ssuchasci-fiapproachthatsomepeopleseenofeasibilityoruseforthisresearch,”saidReissman,“butthetruthisthateachoftheseresearchareasneedsadvancing.We’regoingtokeepseeinggoodsciencecomeoutofthis.”113第113頁/共125頁不會漏氣的仿蜂巢輪胎

我們的身邊日夜都陪伴著大量昆蟲和蜘蛛綱動物，它們形態(tài)不一，體型各異，但由于長相恐怖，我們幾乎不會將它們作為思考的對象。實際上，昆蟲和蜘蛛綱不僅在地球生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要位置，同時也是人類的一個不可思議的靈感源泉，很多富有創(chuàng)造性的設計靈感均來自于這些小生靈。以下盤點的是十大仿生設計，設計靈感來自蝴蝶、甲蟲、蜘蛛等昆蟲和蜘蛛綱動物，它們讓我們研制的設備進一步接近自然的完美。114第114頁/共125頁1.不會漏氣的仿蜂巢輪胎未來的輪胎不需要充氣，因此也就不存在漏氣問題，這一進步能夠挽救很多士兵的生命。按照政府提出的要求，輪胎需要具備較高的承重能力，可抵御臨時爆炸裝置襲擊并且能夠在遇襲后仍以每小時50英里(約合每小時80公里)的速度行駛。為了滿足政府的