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仿生學(xué)資料有沒(méi)有仿制成功小型氣體分析儀的例子

?? 2021-05-31 iscisc5250
核心提示:仿生學(xué)舉15個(gè)例子: 1。由令人討厭的蒼蠅,仿制成功一種十分奇特的小型氣體分析儀。已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里,用來(lái)檢測(cè)艙內(nèi)
自然界形形色色的生物,都有著怎樣的奇異本領(lǐng)?它們的種種本領(lǐng),給了人類哪些啟發(fā)?模仿這些本領(lǐng),人類又可以造出什么樣的機(jī)器?這里要介紹的一門(mén)新興科學(xué)——仿生學(xué)。

蒼蠅,是細(xì)菌的傳播者,誰(shuí)都討厭它。美國(guó)英思科MX6可是蒼蠅的楫翅(又叫平衡棒)是“天然導(dǎo)航儀”,人們模仿它制成了“振動(dòng)陀螺儀”。這種儀器目前已經(jīng)應(yīng)用在火箭和高速飛機(jī)上,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛。蒼蠅的眼睛是一種“復(fù)眼”,由30O0多只小眼組成,人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”。“蠅眼透鏡”是用幾百或者幾千塊小透鏡整齊排列組合而成的,用它作鏡頭可以制成“蠅眼照相機(jī)”,一次就能照出千百?gòu)埾嗤南嗥_@種照相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版和大量復(fù)制電子計(jì)算機(jī)的微小電路,大大提高了工效和質(zhì)量。“蠅眼透鏡”是一種新型光學(xué)元件,它的用途很多。 
魚(yú)兒在水中有自由來(lái)去的本領(lǐng),人們就模仿魚(yú)類的形體造船,以木槳仿鰭。相傳早在大禹時(shí)期,我國(guó)古代勞動(dòng)人民觀察魚(yú)在水中用尾巴的搖擺而游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎,他們就在船尾上架置木槳。通過(guò)反復(fù)的觀察、模仿和實(shí)踐,逐漸改成櫓和舵,增加了船的動(dòng)力,掌握了使船轉(zhuǎn)彎的手段。這樣,即使在波濤滾滾的江河中,人們也能讓船只航行自如。 


蒼蠅,是細(xì)菌的傳播者,誰(shuí)都討厭它。可是蒼蠅的楫翅(又叫平衡棒)是“天然導(dǎo)航儀”,人們模仿它制成了“振動(dòng)陀螺儀”。這種儀器目前已經(jīng)應(yīng)用在火箭和高速飛機(jī)上,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛。蒼蠅的眼睛是一種“復(fù)眼”,由30O0多只小眼組成,人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”美國(guó)英思科MX6。“蠅眼透鏡”是用幾百或者幾千塊小透鏡整齊排列組合而成的,用它作鏡頭可以制成“蠅眼照相機(jī)”,一次就能照出千百?gòu)埾嗤南嗥_@種照相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版和大量復(fù)制電子計(jì)算機(jī)的微小電路,大大提高了工效和質(zhì)量。“蠅眼透鏡”是一種新型光學(xué)元件,它的用途很多。 


美國(guó)英思科MX6 手持泵吸式復(fù)合式氣體檢測(cè)儀

鳥(niǎo)兒展翅可在空中自由飛翔。據(jù)《韓非子》記載魯班用竹木作鳥(niǎo)“成而飛之,三日不下”。然而人們更希望仿制鳥(niǎo)兒的雙翅使自己也飛翔在空中。早在四百多年前,意大利人利奧那多&midDOt;達(dá)·芬奇和他的助手對(duì)鳥(niǎo)類進(jìn)行仔細(xì)的解剖,研究鳥(niǎo)的身體結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥(niǎo)類的飛行。設(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī),voc這是世界上第一架人造飛行器。 

以上這些模仿生物構(gòu)造和功能的發(fā)明與嘗試,可以認(rèn)為是人類仿生的先驅(qū),也是仿生學(xué)的萌芽。 
仿生學(xué)舉15個(gè)例子:
1。由令人討厭的蒼蠅,仿制成功一種十分奇特的小型氣體分析儀。已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里,用來(lái)檢測(cè)艙內(nèi)氣體的成分
2。從螢火蟲(chóng)到人工冷光;
3。電魚(yú)與伏特電池;
4。水母的順風(fēng)耳,仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能,設(shè)計(jì)了水母耳風(fēng)暴預(yù)測(cè)儀,能提前15小時(shí)對(duì)風(fēng)暴作出預(yù)報(bào),對(duì)航海和漁業(yè)的安全都有重要意義。
5。人們根據(jù)蛙眼的視覺(jué)原理,已研制成功一種電子蛙眼。這種電子蛙眼能像真的蛙眼那樣,準(zhǔn)確無(wú)誤地識(shí)別出特定形狀的物體。把電子蛙眼裝入雷達(dá)系統(tǒng)后,雷達(dá)抗干擾能力大大提高。這種雷達(dá)系統(tǒng)能快速而準(zhǔn)確地識(shí)別出特定形狀的飛機(jī)、艦船和導(dǎo)彈等。特別是能夠區(qū)別真假導(dǎo)彈,防止以假亂真。
電子蛙眼還廣泛應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)及交通要道上。在機(jī)場(chǎng),它能監(jiān)視飛機(jī)的起飛與降落,若發(fā)現(xiàn)飛機(jī)將要發(fā)生碰撞,能及時(shí)發(fā)出警報(bào)。在交通要道,它能指揮車輛的行駛,防止車輛碰撞事故的發(fā)生。
6。根據(jù)蝙蝠超聲定位器的原理,人們還仿制了盲人用的“探路儀”。這種探路儀內(nèi)裝一個(gè)超聲波發(fā)射器,盲人帶著它可以發(fā)現(xiàn)電桿、臺(tái)階、橋上的人等。如今,有類似作用的“超聲眼鏡”也已制成。
7。模擬藍(lán)藻的不完全光合器,將設(shè)計(jì)出仿生光解水的裝置,從而可獲得大量的氫氣。
8。根據(jù)對(duì)人體骨胳肌肉系統(tǒng)和生物電控制的研究,已仿制了人力增強(qiáng)器——步行機(jī)。
9。現(xiàn)代起重機(jī)的掛鉤起源于許多動(dòng)物的爪子。
10。屋頂瓦楞模仿動(dòng)物的鱗甲。
11。船槳模仿的是魚(yú)的鰭。
12。鋸子學(xué)的是螳螂臂,或鋸齒草。
13。蒼耳屬植物獲取靈感發(fā)明了尼龍搭扣。
14。嗅覺(jué)靈敏的龍蝦為人們制造氣味探測(cè)儀提供了思路。
15。壁虎腳趾對(duì)制造能反復(fù)使用的粘性錄音帶提供了令人鼓舞的前景。
16。貝用它的蛋白質(zhì)生成的膠體非常牢固,這樣一種膠體可應(yīng)用在從外科手術(shù)的縫合到補(bǔ)船等一切事情上美國(guó)英思科MX6



【發(fā)人深省的對(duì)比】

人類仿生的行為雖然早有雛型,但是在20世紀(jì)40年代以前,人們并沒(méi)有自覺(jué)地把生物作為設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。科學(xué)家對(duì)于生物學(xué)的研究也只停留在描述生物體精巧的結(jié)構(gòu)和完美的功能上。而工程技術(shù)人員更多的依賴于他們卓越的智慧,辛辛苦苦的努力,進(jìn)行著人工發(fā)明。他們很少有意識(shí)的向生物界學(xué)習(xí)。但是,以下幾個(gè)事實(shí)可以說(shuō)明:人們?cè)诩夹g(shù)上遇到的某些難題,生物界早在千百萬(wàn)年前就曾出現(xiàn),而且在進(jìn)化過(guò)程中就已解決了,然而人類卻沒(méi)有從生物界得到應(yīng)有的啟示。

首先是對(duì)生物原型的研究。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際提出的具體課題,將研究所得的生物資料予以簡(jiǎn)化,吸收對(duì)技術(shù)要求有益的內(nèi)容,取消與生產(chǎn)技術(shù)要求無(wú)關(guān)的因素,得到一個(gè)生物模型;第二階段是將生物模型提供的資料進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,并使其內(nèi)在的聯(lián)系抽象化,用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言把生物模型“翻譯”成具有一定意義的數(shù)學(xué)模型;最后數(shù)學(xué)模型制造出可在工程技術(shù)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)物模型。當(dāng)然在生物的模擬過(guò)程中,不僅僅是簡(jiǎn)單的仿生,更重要的是在仿生中有創(chuàng)新。經(jīng)過(guò)實(shí)踐——認(rèn)識(shí)——再實(shí)踐的多次重復(fù),才能使模擬出來(lái)的東西越來(lái)越符合生產(chǎn)的需要。這樣模擬的結(jié)果,使最終建成的機(jī)器設(shè)備將與生物原型不同,在某些方面甚上超過(guò)生物原型的能力。例如今天的飛機(jī)在許多方面都超過(guò)了鳥(niǎo)類的飛行能力,電子計(jì)算機(jī)在復(fù)雜的計(jì)算中要比人的計(jì)算能力迅速而可靠。

仿生學(xué)的基本研究方法使它在生物學(xué)的研究中表現(xiàn)出一個(gè)突出的特點(diǎn),就是整體性。從仿生學(xué)的整體來(lái)看,它把生物看成是一個(gè)能與內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行聯(lián)系和控制的復(fù)雜系統(tǒng)。它的任務(wù)就是研究復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的相互關(guān)系以及整個(gè)系統(tǒng)的行為和狀態(tài)。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我復(fù)制,它們與外界的聯(lián)系是密不可分的。生物從環(huán)境中獲得物質(zhì)和能量,才能進(jìn)行生長(zhǎng)和繁殖;生物從環(huán)境中接受信息,不斷地調(diào)整和綜合,才能適應(yīng)和進(jìn)化。長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程使生物獲得結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一,局部與整體的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。仿生學(xué)要研究生物體與外界刺激(輸入信息)之間的定量關(guān)系,即著重于數(shù)量關(guān)系的統(tǒng)一性,才能進(jìn)行模擬。為達(dá)到此目的,采用任何局部的方法都不能獲得滿意的效果。因此,仿生學(xué)的研究方法必須著重于整體。

仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容是極其豐富多彩的,因?yàn)樯锝绫旧砭桶汕先f(wàn)的種類,它們具有各種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能供各行業(yè)來(lái)研究。自從仿生學(xué)問(wèn)世以來(lái)的二十幾年內(nèi),仿生學(xué)的研究得到迅速的發(fā)展,且取得了很大的成果。就其研究范圍可包括電子仿生、機(jī)械仿生、建筑仿生、化學(xué)仿生等。隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展,學(xué)科分支繁多,在仿生學(xué)中相應(yīng)地開(kāi)展對(duì)口的技術(shù)仿生研究。例如:航海部門(mén)對(duì)水生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的流體力學(xué)的研究;航空部門(mén)對(duì)鳥(niǎo)類、昆蟲(chóng)飛行的模擬、動(dòng)物的定位與導(dǎo)航;工程建筑對(duì)生物力學(xué)的模擬;無(wú)線電技術(shù)部門(mén)對(duì)于人神經(jīng)細(xì)胞、感覺(jué)器宮和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬;計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)于腦的模擬似及人工智能的研究等。在第一屆仿生學(xué)會(huì)議上發(fā)表的比較典型的課題有:“人造神經(jīng)元有什么特點(diǎn)”、“設(shè)計(jì)生物計(jì)算機(jī)中的問(wèn)題”、“用機(jī)器識(shí)別圖像”、“學(xué)習(xí)的機(jī)器”等。從中可以看出以電子仿生的研究比較廣泛。仿生學(xué)的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究,即動(dòng)物的感覺(jué)器官、神經(jīng)元、神經(jīng)系統(tǒng)的整體作用。以后在機(jī)械仿生和化學(xué)仿生方面的研究也隨之開(kāi)展起來(lái),近些年又出現(xiàn)新的分支,如人體的仿生學(xué)、分子仿生學(xué)和宇宙仿生學(xué)等。

總之,仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容,從模擬微觀世界的分子仿生學(xué)到宏觀的宇宙仿生學(xué)包括了更為廣泛的內(nèi)容。而當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)正是處于一個(gè)各種自然科學(xué)高度綜合和互相交叉、滲透的新時(shí)代,仿生學(xué)通過(guò)模擬的方法把對(duì)生命的研究和實(shí)踐結(jié)合起來(lái),同時(shí)對(duì)生物學(xué)的發(fā)展也起了極大的促進(jìn)作用。在其它學(xué)科的滲透和影響下,使生物科學(xué)的研究在方法上發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變;在內(nèi)容上也從描述和分析的水平向著精確和定量的方向深化。生物科學(xué)的發(fā)展又是以仿生學(xué)為渠道向各種自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)輸送寶貴的資料和豐富的營(yíng)養(yǎng),加速科學(xué)的發(fā)展。閃此,仿生學(xué)的科研顯示出無(wú)窮的生命力,它的發(fā)展和成就將為促進(jìn)世界整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。

【仿生學(xué)的研究范圍】

仿生學(xué)的研究范圍主要包括:力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。

◇力學(xué)仿生,是研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì),以及生物體各組成部分在體內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和生物體在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。例如,建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑,模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱,既消除應(yīng)力特別集中的區(qū)域,又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結(jié)構(gòu),把人工海豚皮包敷在船艦外殼上,可減少航行揣流,提高航速;

◇分子仿生,是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。例如,在搞清森林害蟲(chóng)舞毒蛾性引誘激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)后,合成了一種類似有機(jī)化合物,在田間捕蟲(chóng)籠中用千萬(wàn)分之一微克,便可誘殺雄蟲(chóng);

◇能量仿生,是研究與模仿生物電器官生物發(fā)光、肌肉直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能等生物體中的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程;

◇信息與控制仿生,是研究與模擬感覺(jué)器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及高級(jí)中樞的智能活動(dòng)等方面生物體中的信息處理過(guò)程。例如,根據(jù)象鼻蟲(chóng)視動(dòng)反應(yīng)制成的“自相關(guān)測(cè)速儀”可測(cè)定飛機(jī)著陸速度。根據(jù)鱟復(fù)眼視網(wǎng)膜側(cè)抑制網(wǎng)絡(luò)的工作原理,研制成功可增強(qiáng)圖像輪廓、提高反差、從而有助于模糊目標(biāo)檢測(cè)的—些裝置。已建立的神經(jīng)元模型達(dá)100種以上,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出新型計(jì)算機(jī)。

模仿人類學(xué)習(xí)過(guò)程,制造出一種稱為“感知機(jī)”的機(jī)器,它可以通過(guò)訓(xùn)練,改變?cè)g聯(lián)系的權(quán)重來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí),從而能實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別。此外,它還研究與模擬體內(nèi)穩(wěn)態(tài),運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)物的定向與導(dǎo)航等生物系統(tǒng)中的控制機(jī)制,以及人-機(jī)系統(tǒng)的仿生學(xué)方面。

某些文獻(xiàn)中,把分子仿生與能量仿生的部分內(nèi)容稱為化學(xué)仿生,而把信息和控制仿生的部分內(nèi)容稱為神經(jīng)仿生。

仿生學(xué)的范圍很廣,信息與控制仿生是一個(gè)主要領(lǐng)域。一方面由于自動(dòng)化向智能控制發(fā)展的需要,另一方面是由于生物科學(xué)已發(fā)展到這樣一個(gè)階段,使研究大腦已成為對(duì)神經(jīng)科學(xué)最大的挑戰(zhàn)。人工智能和智能機(jī)器人研究的仿生學(xué)方面——生物模式識(shí)別的研究,大腦學(xué)習(xí)記憶和思維過(guò)程的研究與模擬,生物體中控制的可靠性和協(xié)調(diào)問(wèn)題等——是仿生學(xué)研究的主攻方面。

控制與信息仿生和生物控制論關(guān)系密切。兩者都研究生物系統(tǒng)中的控制和信息過(guò)程,都運(yùn)用生物系統(tǒng)的模型。但前者的目的主要是構(gòu)造實(shí)用人造硬件系統(tǒng);而生物控制論則從控制論的一般原理,從技術(shù)科學(xué)的理論出發(fā),為生物行為尋求解釋。

最廣泛地運(yùn)用類比、模擬和模型方法是仿生學(xué)研究方法的突出特點(diǎn)。其目的不在于直接復(fù)制每一個(gè)細(xì)節(jié),而是要理解生物系統(tǒng)的工作原理,以實(shí)現(xiàn)特定功能為中心目的。—般認(rèn)為,在仿生學(xué)研究中存在下列三個(gè)相關(guān)的方面:生物原型、數(shù)學(xué)模型和硬件模型。前者是基礎(chǔ),后者是目的,而數(shù)學(xué)模型則是兩者之間必不可少的橋梁。

由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性,搞清某種生物系統(tǒng)的機(jī)制需要相當(dāng)長(zhǎng)的研究周期,而且解決實(shí)際問(wèn)題需要多學(xué)科長(zhǎng)時(shí)間的密切協(xié)作,這是限制仿生學(xué)發(fā)展速度的主要原因。

【仿生學(xué)的現(xiàn)象】

蒼蠅與宇宙飛船

令人討厭的蒼蠅,與宏偉的航天事業(yè)似乎風(fēng)馬牛不相及,但仿生學(xué)卻把它們緊密地聯(lián)系起來(lái)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(jué)特別靈敏,遠(yuǎn)在幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅并沒(méi)有“鼻子”,它靠什么來(lái)充當(dāng)嗅覺(jué)的呢? 原來(lái),蒼蠅的“鼻子”——嗅覺(jué)感受器分布在頭部的一對(duì)觸角上。

每個(gè)“鼻子”只有一個(gè)“鼻孔”與外界相通,內(nèi)含上百個(gè)嗅覺(jué)神經(jīng)細(xì)胞。若有氣味進(jìn)入“鼻孔”,這些神經(jīng)立即把氣味刺激轉(zhuǎn)變成神經(jīng)電脈沖,送往大腦。大腦根據(jù)不同氣味物質(zhì)所產(chǎn)生的神經(jīng)電脈沖的不同,就可區(qū)別出不同氣味的物質(zhì)。因此,蒼蠅的觸角像是一臺(tái)靈敏的氣體分析儀。

仿生學(xué)家由此得到啟發(fā),根據(jù)蒼蠅嗅覺(jué)器的結(jié)構(gòu)和功能,仿制成功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(xì)的微電極插到蒼蠅的嗅覺(jué)神經(jīng)上,將引導(dǎo)出來(lái)的神經(jīng)電信號(hào)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(zhì)的信號(hào),便能發(fā)出警報(bào)。這種儀器已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里,用來(lái)檢測(cè)艙內(nèi)氣體的成分。

這種小型氣體分析儀,也可測(cè)量潛水艇和礦井里的有害氣體。利用這種原理,還可用來(lái)改進(jìn)計(jì)算機(jī)的輸入裝置和有關(guān)氣體色層分析儀的結(jié)構(gòu)原理中。

從螢火蟲(chóng)到人工冷光

美國(guó)英思科MX6 手持泵吸式復(fù)合式氣體檢測(cè)儀


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(zhuǎn)變成可見(jiàn)光,其余大部分都以熱能的形式浪費(fèi)掉了,而且電燈的熱射線有害于人眼。那么,有沒(méi)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(xì)菌、真菌、蠕蟲(chóng)、軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物、昆蟲(chóng)和魚(yú)類等,而且這些動(dòng)物發(fā)出的光都不產(chǎn)生熱,所以又被稱為“冷光”。

在眾多的發(fā)光動(dòng)物中,螢火蟲(chóng)是其中的一類。螢火蟲(chóng)約有1500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(chóng)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(qiáng)度也比較高。因此,生物光是一種人類理想的光。

科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn),螢火蟲(chóng)的發(fā)光器位于腹部。這個(gè)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(gè)發(fā)光細(xì)胞,它們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(chóng)的發(fā)光,實(shí)質(zhì)上是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成光能的過(guò)程。

早在40年代,人們根據(jù)對(duì)螢火蟲(chóng)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。近年來(lái),科學(xué)家先是從螢火蟲(chóng)的發(fā)光器中分離出了純熒光素,后來(lái)又分離出了熒光酶,接著,又用化學(xué)方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、ATP(三酸腺苷)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(dāng)閃光燈。由于這種光沒(méi)有電源,不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),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(xué)物質(zhì)的方法得到類似生物光的冷光,作為安全照明用。

電魚(yú)與伏特電池

自然界中有許多生物都能產(chǎn)生電,僅僅是魚(yú)類就有500余種 。人們將這些能放電的魚(yú),統(tǒng)稱為“電魚(yú)”。

各種電魚(yú)放電的本領(lǐng)各不相同。放電能力最強(qiáng)的是電鰩、電鯰和電鰻。中等大小的電鰩能產(chǎn)生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能產(chǎn)生的電壓高達(dá)220伏;非洲電鯰能產(chǎn)生350伏的電壓;電鰻能產(chǎn)生500伏的電壓,有一種南美洲電鰻竟能產(chǎn)生高達(dá)880伏的電壓,稱得上電擊冠軍,據(jù)說(shuō)它能擊斃像馬那樣的大動(dòng)物。

電魚(yú)放電的奧秘究竟在哪里?經(jīng)過(guò)對(duì)電魚(yú)的解剖研究, 終于發(fā)現(xiàn)在電魚(yú)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(pán)的半透明的盤(pán)形細(xì)胞構(gòu)成的。由于電魚(yú)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(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(wàn)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(wàn)塊電板。單個(gè)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。

電魚(yú)這種非凡的本領(lǐng),引起了人們極大的興趣。19世紀(jì)初,意大利物理學(xué)家伏特,以電魚(yú)發(fā)電器官為模型,設(shè)計(jì)出世界上最早的伏打電池。因?yàn)檫@種電池是根據(jù)電魚(yú)的天然發(fā)電器設(shè)計(jì)的,所以把它叫做“人造電器官”。對(duì)電魚(yú)的研究,還給人們這樣的啟示:如果能成功地模仿電魚(yú)的發(fā)電器官,那么,船舶和潛水艇等的動(dòng)力問(wèn)題便能得到很好的解決。

水母的順風(fēng)耳

“燕子低飛行將雨,蟬鳴雨中天放晴。”生物的行為與天氣的變化有一定關(guān)系。沿海漁民都知道,生活在沿岸的魚(yú)和水母成批地游向大海,就預(yù)示著風(fēng)暴即將來(lái)臨。

水母,又叫海蜇,是一種古老的腔腸動(dòng)物,早在5億年前,它就漂浮在海洋里了。這種低等動(dòng)物有預(yù)測(cè)風(fēng)暴的本能,每當(dāng)風(fēng)暴來(lái)臨前,它就游向大海避難去了。

原來(lái),在藍(lán)色的海洋上,由空氣和波浪摩擦而產(chǎn)生有害氣體檢測(cè)的次聲波 (頻率為每秒8—13次),總是風(fēng)暴來(lái)臨的前奏曲。這種次聲波人耳無(wú)法聽(tīng)到,小小的水母卻很敏感。仿生學(xué)家發(fā)現(xiàn),水母的耳朵的共振腔里長(zhǎng)著一個(gè)細(xì)柄,柄上有個(gè)小球,球內(nèi)有塊小小的聽(tīng)石,當(dāng)風(fēng)暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽(tīng)石時(shí),聽(tīng)石就剌激球壁上的神經(jīng)感受器,于是水母就聽(tīng)到了正在來(lái)臨的風(fēng)暴的隆隆聲。

仿生學(xué)家仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能,設(shè)計(jì)了水母耳風(fēng)暴預(yù)測(cè)儀,相當(dāng)精確地模擬了水母感受次聲波的器官。把這種儀器安裝在艦船的前甲板上,當(dāng)接受到風(fēng)暴的次聲波時(shí),可令旋轉(zhuǎn)360°的喇叭自行停止旋轉(zhuǎn),它所指的方向,就是風(fēng)暴前進(jìn)的方向;指示器上的讀數(shù)即可告知風(fēng)暴的強(qiáng)度。這種預(yù)測(cè)儀能提前15小時(shí)對(duì)風(fēng)暴作出預(yù)報(bào),對(duì)航海和漁業(yè)的安全都有重要意義。
開(kāi)放分類:
生物、自然科學(xué)、自然、仿生學(xué)、學(xué)科

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學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以及工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想及工作原理的科學(xué)。

仿生學(xué)(bionics)在具有生命之意的希臘語(yǔ)bion上,加上有工程技術(shù)涵義的ics而組成的詞。大約從1960年才開(kāi)始使用。生物具有的功能迄今比任何人工制造的機(jī)械都優(yōu)越得多,仿生學(xué)就是要在工程上實(shí)現(xiàn)并有效地應(yīng)用生物功能的一門(mén)學(xué)科。例如關(guān)于信息接受(感覺(jué)功能)、信息傳遞(神經(jīng)功能)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等,這種生物體的結(jié)構(gòu)與功能在機(jī)械設(shè)計(jì)方面給了很大啟發(fā)。可舉出的仿生學(xué)例子,如將海豚的體形或皮膚結(jié)構(gòu)(游泳時(shí)能使身體表面不產(chǎn)生紊流)應(yīng)用到潛艇設(shè)計(jì)原理上。仿生學(xué)也被認(rèn)為是與控制論有密切關(guān)系的一門(mén)學(xué)科,而控制論主要是將生命現(xiàn)象和機(jī)械原理加以比較,進(jìn)行研究和解釋的一門(mén)學(xué)科。
蒼蠅,是細(xì)菌的傳播者,誰(shuí)都討厭它。可是蒼蠅的楫翅(又叫平衡棒)是“天然導(dǎo)航儀”,人們模仿它制成了“振動(dòng)陀螺儀”。這種儀器目前已經(jīng)應(yīng)用在火箭和高速飛機(jī)上,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛。蒼蠅的眼睛是一種“復(fù)眼”,由3000多只小眼組成,人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”。“蠅眼透鏡”是用幾百或者幾千塊小透鏡整齊排列組合而成的,用它作鏡頭可以制成“蠅眼照相機(jī)”,一次就能照出千百?gòu)埾嗤南嗥_@種照相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版和大量復(fù)制電子計(jì)算機(jī)的微小電路,大大提高了工效和質(zhì)量。“蠅眼透鏡”是一種新型光學(xué)元件,它的用途很多。
自然界形形色色的生物,都有著怎樣的奇異本領(lǐng)?它們的種種本領(lǐng),給了人類哪些啟發(fā)?模仿這些本領(lǐng),人類又可以造出什么樣的機(jī)器?這里要介紹的一門(mén)新興科學(xué)——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),它是在本世紀(jì)中期才出現(xiàn)的一門(mén)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(jī)器,創(chuàng)造新技術(shù)。從仿生學(xué)的誕生、發(fā)展,到現(xiàn)在短短幾十年的時(shí)間內(nèi),它的研究成果已經(jīng)非常可觀。仿生學(xué)的問(wèn)世開(kāi)辟了獨(dú)特的技術(shù)發(fā)展道路,也就是向生物界索取藍(lán)圖的道路,它大大開(kāi)闊了人們的眼界,顯示了極強(qiáng)的生命力。

人類仿生由來(lái)已久 
自古以來(lái),自然界就是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。種類繁多的生物界經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程,使它們能適應(yīng)環(huán)境的變化,從而得到生存和發(fā)展。勞動(dòng)創(chuàng)造了人類。人類以自己直立的身軀、能勞動(dòng)的雙手、交流情感和思想的語(yǔ)言,在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中,促進(jìn)了神經(jīng)系統(tǒng)尤其是大腦獲得了高度發(fā)展。因此,人類無(wú)與倫比的能力和智慧遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)生物界的所有類群。人類通過(guò)勞動(dòng)運(yùn)用聰明的才智和靈巧的雙手制造工具,從而在自然界里獲得更大自由。人類的智慧不僅僅停留在觀察和認(rèn)識(shí)生物界上,而且還運(yùn)用人類所獨(dú)有的思維和設(shè)計(jì)能力模仿生物,通過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)增加自己的本領(lǐng)。魚(yú)兒在水中有自由來(lái)去的本領(lǐng),人們就模仿魚(yú)類的形體造船,以木槳仿鰭。相傳早在大禹時(shí)期,我國(guó)古代勞動(dòng)人民觀察魚(yú)在水中用尾巴的搖擺而游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎,他們就在船尾上架置木槳。通過(guò)反復(fù)的觀察、模仿和實(shí)踐,逐漸改成櫓和舵,增加了船的動(dòng)力,掌握了使船轉(zhuǎn)彎的手段。這樣,即使在波濤滾滾的江河中,人們也能讓船只航行自如。
鳥(niǎo)兒展翅可在空中自由飛翔。據(jù)《韓非子》記載魯班用竹木作鳥(niǎo)“成而飛之,三日不下”。然而人們更希望仿制鳥(niǎo)兒的雙翅使自己也飛翔在空中。早在四百多年前,意大利人利奧那多·達(dá)·芬奇和他的助手對(duì)鳥(niǎo)類進(jìn)行仔細(xì)的解剖,研究鳥(niǎo)的身體結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥(niǎo)類的飛行。設(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī),這是世界上第一架人造飛行器。
以上這些模仿生物構(gòu)造和功能的發(fā)明與嘗試,可以認(rèn)為是人類仿生學(xué)的先驅(qū),也是仿生學(xué)的萌芽。電子蛙眼——根據(jù)青蛙發(fā)明
雷達(dá)——蝙蝠
鳥(niǎo)、蜻蜓——飛機(jī)
螢火蟲(chóng)——日光燈
水母——水母耳風(fēng)暴預(yù)測(cè)儀
蒼蠅——航天(有關(guān))
壁虎腳趾——粘性錄音帶
螳螂——鋸子
美國(guó)英思科MX6

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