科學(xué)·技術(shù)·社會　動物與仿生

1、動物與仿生學(xué),潞水中學(xué) 譚琦霞,目標(biāo)學(xué)習(xí),1.知道什么是仿生學(xué),了解人們利用仿生學(xué)原理進行的發(fā)明創(chuàng)造。 2.能合作或自己制作動物仿生的手抄報。 3.激發(fā)學(xué)生熱愛科學(xué),用于探索的精神。,什么是仿生學(xué)？,仿生學(xué)是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學(xué)，它是在上世紀(jì)中期才出現(xiàn)的一門新的邊緣科學(xué)。仿生學(xué)研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術(shù)之中，發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機器，創(chuàng)造新技術(shù)。說簡單點就是將其他動物或植物上的優(yōu)點吸取并應(yīng)用于科技上。,螢火蟲人工冷光,螢火蟲與冷光,科學(xué)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(xì)胞，它們

2、都含有熒光素和熒光酶兩種物質(zhì)。在熒光酶的作用下，熒光素在細(xì)胞內(nèi)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(zhì)上是把化學(xué)能轉(zhuǎn)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。,1,長頸鹿與宇航員失重現(xiàn)象,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使長頸鹿患腦溢血而死亡呢？這與長頸鹿身體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。首先，長頸鹿血管周圍的肌肉非常發(fā)達(dá)，能壓縮血管，控制血流量；同時長頸鹿腿部及全身的皮膚和筋膜繃得很緊，利于下肢的血液向上回流?？茖W(xué)家由此受到啟示，在訓(xùn)練宇

3、航員對，設(shè)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(xué)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(chǎn)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。,雷達(dá)是一種神奇的電學(xué)器具，它由電磁波往返時間，測得阻波物的距離。假如你問雷達(dá)是誰發(fā)明的？在芬克的雷達(dá)機械中說，“雷達(dá)的發(fā)明，不能專歸于某一位科學(xué)家，乃是許多無線電學(xué)工程師努力研究

4、，加以調(diào)準(zhǔn)而成?！痹趹?zhàn)時，美國麻省理工學(xué)院由五百位科學(xué)家和工程師致力于雷達(dá)的研究。希奇得很，在自然界中，你找得到神為某種動物所豫備的雷達(dá)。在一九四七年一月號的英國奮勉雜志上，科學(xué)家B. Vesey-Fitzgerald 發(fā)表了一篇很有趣的文本，給我們解釋蝙蝠在黑暗中如何指導(dǎo)自己飛行，不論如何黑暗，如何狹窄的地方，絕不碰壁，這是什么原因？,雷達(dá)與蝙蝠,它怎樣知道前面有無障礙呢？關(guān)于這事有兩位美國生物學(xué)家格利芬和迦朗包在一九四年已經(jīng)證明，蝙蝠能夠避免碰撞，是藉一種天然雷達(dá)，不過是聲波代替電磁波，在原理方面完全相仿。從蝙蝠口中發(fā)出一種頻率極高的聲波，超過人類聽覺范圍以外，二位科學(xué)家藉著一種特制的電力

5、設(shè)備，在蝙蝠飛行時，將它所發(fā)的高頻率聲波記錄出來。,這種聲波碰到墻上，必然折回，它的耳膜就能分辨障礙物的距離遠(yuǎn)近，而向適宜方向飛去。蝙蝠傳輸聲波也像雷達(dá)一樣，都是相距極短的時間而且極有規(guī)則，并且每只蝙蝠，有其固有的頻率，這樣蝙蝠可分清自己的聲音，不至發(fā)生擾亂。因這緣故，蝙蝠飛行之時，常是張口，假如你將它口緊閉，它便失去指揮作用，假如堵上它的耳朵，便要撞到墻上，無法飛行。這個有趣的實驗，道破了它的秘密。,4,龜殼的背甲呈拱形，跨度大，包括許多力學(xué)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。建筑學(xué)家模仿它進行了薄殼建筑設(shè)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

6、非都是拱形，舉世聞名的悉尼歌劇院則像一組泊港的群帆。,烏龜?shù)凝敋づc薄殼建筑,蜻蜓與直升機,蜻蜓通過翅膀振動可產(chǎn)生不同于周圍大氣的局部不穩(wěn)定氣流，并利用氣流產(chǎn)生的渦流來使自己上升。蜻蜓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(cè)飛行，其向前飛行速度可達(dá)72公里/小時。此外，蜻蜓的飛行行為簡單，僅靠兩對翅膀不停地拍打。科學(xué)家據(jù)此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研制成功了直升飛機。飛機在高速飛行時，常會引起劇烈振動，甚至有時會折斷機翼而引起飛機失事。蜻蜓依靠加重的翅膀在高速飛行時安然無恙，于是人們效仿蜻蜓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。 為了研究滑翔飛行和碰撞的空氣動力

7、學(xué)以及其飛行的效率，一個四葉驅(qū)動，用遠(yuǎn)程水平儀控制的機動機翼（翅膀）模型被研制，并第一次在風(fēng)洞內(nèi)測試了各項飛行參數(shù)。 第二個模型試圖安裝一個以更快頻率飛行的翅膀，達(dá)到每秒18次震動的速度。有特色的是，這個模型采用了可變可調(diào)節(jié)前后兩對機翼之間相差的裝置。,6,蜘蛛和裝甲 生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲的強度相當(dāng)于同等體積的鋼絲的5倍。受此啟發(fā)，英國劍橋一所技術(shù)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(fù)合材料可以用來做防彈衣、防彈車、坦克裝甲車等結(jié)構(gòu)材料。,蜘蛛與裝甲,鯨魚和潛艇的“鯨背效應(yīng)” 當(dāng)代核潛艇能長時間潛航于冰海之下，但若在冰下發(fā)射導(dǎo)彈，則必須破冰上浮，這就碰到了力學(xué)上的難題。潛舴專家

8、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(yīng)”。,7,鯨魚與潛艇,青蛙與電子眼,為了弄清楚為什么青蛙一定要等飛蛾起飛才發(fā)動攻擊，仿生學(xué)家對青蛙進行了特殊的實驗研究。原來，蛙眼視網(wǎng)膜的神經(jīng)細(xì)胞分成五類，一類只對顏色起反應(yīng)，另外四類只對運動目標(biāo)的某個特征起反應(yīng)，并能把分解出的特征信號輸送到大腦視覺中樞視頂蓋。視頂蓋上有四層神經(jīng)細(xì)胞，第一層對運動目標(biāo)的反差起反應(yīng)；第二層能把目標(biāo)的凸邊抽取出來；第三層只看見目標(biāo)的四周邊緣；第四層則只管目標(biāo)暗前緣的明暗變化。這四層特征就好像在四張透明紙上的畫圖，迭在

9、一起，就是一個完整的圖像。因此，在迅速飛動的各種形狀的小動物里，青蛙可立即識別出它最喜歡吃的蒼蠅和飛蛾，而對其他飛動著的東西和靜止不動景物都毫無反應(yīng)。 弄清了蛙眼的原理和結(jié)構(gòu)，仿生學(xué)家就發(fā)明了電子蛙眼。,鯊魚與游泳衣,10,別外，鯊魚皮游衣的面料主要采用一種叫做箍銅樹脂薄膜的新型的高科技產(chǎn)品，具有極強的彈性和伸展性，它更好的緊束人體外形，盡可能創(chuàng)造出流線性效果，同時還可以壓縮肌肉，減少肌肉在水中的擺動，要知道肌肉在水中的擺動正是形狀阻力產(chǎn)生的主要來源。鯊魚皮游泳衣是把仿生學(xué)理論和流體力學(xué)理論運用到體育領(lǐng)域里中的一次嘗試，有專家甚至認(rèn)為它是繼比基尼問世以來在泳衣設(shè)計上的又一次跨時代革命，由于世界

10、大賽上頂尖高手間的差距往往只在毫厘之間，如果鯊魚皮真的能提高哪怕1的成績，那么現(xiàn)在的各項世界紀(jì)錄，在它的影響下都將形同虛設(shè)。,仿生造型設(shè)計,寶馬的H2R氫燃料汽車最高時速達(dá)300.175公里。無庸置疑，發(fā)揮到極至的空氣動力學(xué)是實現(xiàn)這一高速的關(guān)鍵因素。寶馬H2R外型和設(shè)計的靈感來自海豚和企鵝的低阻身材。圓鼓的前臉、收起的尾部，極小的正鋒面，成就了其0.21的阻力系數(shù)。而球的阻力系數(shù)則是0.50。,魚、海豚、企鵝流線品質(zhì)的最佳化,蝙蝠發(fā)出的超聲波遇到障礙物就會被反射回來，迅速判斷前方是什么物體，距離有多遠(yuǎn)，是食物，樹干還是敵人，然后決定進攻或躲避。,蝙蝠與超聲波,經(jīng)過蝙蝠的啟示，人類發(fā)明了聲納，即

11、超聲波測距儀 ,用于各個領(lǐng)域，發(fā)揮著重要的作用。,螳螂臂鋸子 有一次魯班進深山砍樹木時，一不小心，手被一種野草的葉子劃破了，他摘下葉片輕輕一摸，原來葉子兩邊長著鋒利的齒，他的手就是被這些小齒劃破的，他還看到在一棵野草上有條大蝗蟲，兩個大板牙上也排列著許多小齒，所以能很快地磨碎葉片。魯班就從這兩件事上得到了啟發(fā)。他想，要是這樣齒狀的工具，不是也能很快地鋸斷樹木了嗎？于是，他經(jīng)過多次試驗，終于發(fā)明了鋒利的鋸子，大大提高了工效。,電魚伏特電池 電魚體內(nèi)有一種奇特的發(fā)電器官。這些發(fā)電器是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細(xì)胞構(gòu)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

12、呈棱形，位于尾部脊椎兩側(cè)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(cè)，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(chǎn)生的電壓很微弱，但由于電板很多，產(chǎn)生的電壓就很大了。 19世紀(jì)初，意大利物理學(xué)家伏特，以電魚發(fā)電器官為模型，設(shè)計出世界上最早的電池 。,豬鼻子防毒面具,第一次世界大戰(zhàn)期間，在伊普雷戰(zhàn)役（1915.4.22）中德軍向英法聯(lián)軍陣地施放了氯氣（一種毒氣，今天自來水有時用氯氣消毒），結(jié)果造成英法聯(lián)軍15000人中毒其中5000人死亡。清理戰(zhàn)場時發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)場上的許多家禽家畜飛禽走獸都中毒死光了，唯獨老豬活蹦亂跳安然無恙，這引起了英法聯(lián)軍統(tǒng)帥部的極大興趣。他們派出最優(yōu)秀的化學(xué)家深入實地考察。 為了揭開秘密，化學(xué)家們做了個實驗：把豬牛羊等圈在一起，然后施放氯氣，他們則在遠(yuǎn)處用望遠(yuǎn)鏡觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)老豬比其他牲畜嗅覺更靈，他們更早地嗅到了毒氣的異味，于是便拼命想逃竄，當(dāng)逃不出時（圈住了）就開始用它們那強有力的大鋼嘴（豬鼻子）拼命地拱地，把地拱松了后它們把大鼻子插進松軟的泥土里。毒氣散盡后，其他牲畜都中毒死亡了，老豬這時