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第18章 仿生思维法

(一)概念

通过研究相关生物的组织机构、运动规律、抗病能力等,仿照其原理,制造出新的产品。

(二)应用范围

仿生思维法主要应用于研制新颖的仪器、装备、工具、药品、建筑等。

(三)举例说明

“例1”在第一次世界大战时,德军潜艇靠古老的潜望镜观察海面,击沉了协约国方面的4000多艘舰船,但是却看不见水下的暗礁和水雷,所以德军也有上百艘潜艇触礁或撞雷。怎样才能侦察水下的情况?为什么海豚、鲸等海兽及某些鱼类在水下能行动自如?法国的物理学家郎之万在实验中发现:超声波在水中能传播,而且碰到阻碍会返回。于是他研制出一种“回声定位仪”——即“声纳”,利用超声波来侦察水下情况。到第二次世界大战时,声纳得到了很快的发展,水面舰艇和潜艇都安装了声纳,既有主动声纳,又有被动声纳。在民用方面,渔船用声纳来探测鱼群,海洋考察船用声纳来探测海底地貌结构。后来,还发展了航空声纳和海岸声纳;在鱼雷和深水炸弹上安上声纳,在水中能跟踪追击,自动寻找目标;研制了利用声纳反击鱼雷、捕捉水雷的兵器。

“例2”在澳大利亚西部有一种白蚁,通常在地下的巢穴上筑有3米多高的楔形蚁塔,楔尖总是像罗盘一样指向北方,因此取名为罗盘白蚁。生物学家发现,白蚁地下巢穴的温度始终保持在30~32℃之间,原因是:泥塔与地下巢穴相通,组成一个自然调节的空调系统;泥塔在阳光照射下受热时,塔内气温升高,空气因密度减小而上升,产生抽气作用,温度就不会上升;泥塔表面皱折较多,有很大的表面积,在阳光斜射时能最大限度地吸收热量;工蚁凭自己对温度变化的灵敏感觉,随时搬动泥土阻断或扩大空气通道来调节空气的流动。

1994年,英国的建筑师们根据罗盘白蚁地下巢穴保持恒温并使空气流通的原理在诺丁汉建造了七幢楼房,有三层的,也有四层的。每幢大楼的角上都有一个17米高的圆柱形玻璃塔,作用是采集阳光并吸收太阳热量,使塔内空气受热上升。塔顶有一个塔盖,用温度能量控制计算机控制液压机升降塔盖,来调节上升的空气流量,达到既保持适宜温度、又吸入新鲜空气、产生自然风的目的,而不必使用空调。

“例3”科学家经过研究发现,苍蝇有高超的飞行技术和长时间飞行的本领,能悬空定身,行动敏捷,反应灵活,一忽儿作圆形飞转,一忽儿作垂直起落,能急速转向,进退自如。苍蝇前翅发达,后翅为平衡棒,外观像一对小棒槌,完全丧失了飞翔的作用,是一种“导航仪”,能控制苍蝇飞行时的平衡,当蝇体倾斜或偏离航向时,平衡棒的振动平面发生变化,并通过反射予以迅速校正。在苍蝇平衡棒功能的启示下,科技人员研制出一种新型导航仪——振动陀螺仪,已用于高速飞行的飞机和火箭,能自动停止危险的“滚翻”飞行,强烈倾斜时,也能自动得以平衡,使飞机在最复杂的急转弯时也万无一失。

“例4”啄木鸟被称为“森林医生”,为了在树皮下寻找害虫的幼虫充饥,整天啄木不止,它每啄一次的速度达到每秒555米,头部摆动的速度达每秒5777米。如此快速,啄木鸟头部受到的冲击力等于所受重力的1000倍。然而,啄木鸟却不会发生脑震荡,生物学家对啄木鸟的头部解剖后发现:它的脑壳很硬,周围又有一层类似海绵状的骨骼,里面吸附着许多液体,能起消震作用,外围还长满了能起减震作用的肌肉。科学家从啄木鸟头部的特殊构造得到了启示,设计出一种新型的安全帽,这种帽子里面松软,外面很坚固,戴上这种帽子即使头部受到硬物的打击,也不会受到损害。

“例5”很早以前,人类就对飞行充满了幻想。中国战国时期,鲁班就设计过会飞的木鸟,但是却没有流传下来。意大利文艺复兴时期的创造巨匠达·芬奇也设计过类似鸟类的飞行装置。但是,由于没有结构结实、重量轻、能量转化率高的飞行动力,模仿鸟类的飞行迟迟没有实现。

最早进行滑翔飞行实验的是德国的奥托·利内特。他从小就喜欢观察小鸟的飞行,后来他进入了波茨坦的机械学校。他在观察小鸟飞行时发现:鸟儿的翅膀总是弯曲的,而且一般都生得前面厚、后面薄。于是,他就仿照小鸟的翅膀制成了两个骨架,用纱布绷好,再涂上一层蜡,制成了一对大翅膀。他带着大翅膀登上了一座小山,紧紧抓住这对大翅膀从山上一跃而下,安全地滑行了近30米并平稳地着落了。他后来又制造了一对更大的翅膀,选择了一个更高的山丘进行滑翔试验,一下子滑翔了200多米,从此吸引许多人加入滑翔飞行的行列。奥托·利内特把自己对鸟类飞行的研究结果和滑翔机的制作方法写了一本书《鸟类飞行——飞机驾驶术的基础》。在书中,他不仅叙述了如何进行滑翔机的制造,而且还提出了两个重要的飞行理论问题:“极曲线”的分析方法和著名的“风洞实验”。极曲线就是按照鸟儿的翅膀先制成小模型,计算空气的阻力和浮力后,再画成一张曲线图,然后对翅膀进行分析。风洞实验就是制成一个与飞行中的真实情况一致的实验装置,利用这个装置在作好的机翼模型上加上相当的风力进行实验。直到今天,这两项实验还是飞机设计、制造中最重要的环节。

1896年8月19日,奥托·利内特因滑翔机失事而献出了生命。1903年12月,美国的莱特兄弟制造出了人类第一架有动力驱动的螺旋桨飞机。后来,人们又制造出喷气式飞机和直升机,航空科学得到迅猛的发展,飞机已成为战时威力强大的武器,在和平时期又是方便、快速的客货运输工具,还广泛应用于探矿、找水、观察植物生长、预报森林火灾、测绘地形地图、考察冰川、航空摄影等等。飞机的发明和使用是仿生思维法最有力的证明。

(四)操作程序

(五)概述

仿生学,是专门研究各种生物的功能原理和作用机理的一门科学,并利用这些原理和机理实现新的技术设计,制造出更好的新型仪器、机械等,它是近几十年来才发展起来的一门属于生物科学和技术科学之间的边缘科学。

自然界数以万计的动物和植物具有丰富多彩的功能,具有极其复杂和精巧的机构,其奇妙程度远远超过许多人造的机器。因此,在工程科学的进一步发展中,人们需要向生物寻找启发和进行模拟,这种努力必定有广阔的前景。

在使用仿生思维法时,第一步是要选准课题,要选准某种生物在组织结构、运动能力、特殊功能、抗病能力等方面的优势,仿照、利用其原理和机理,试制新型的仪器、机械、工具、药品等等。

第二步是要对这一选定的生物进行细致的研究,观察它的生活、运动过程,不放过一个细节,并把情况记录下来,必要时要作生理解剖。逐步对该生物的原理和机理有所了解。

第三步是要仿照其原理和机理,试制新型的仪器、机械、工具、药品等等,在反复的试验中,与生物模型(即被研究的生物体)进行反复的对比,对试制品进行改进,直至成功。

自然界的许多生物有顽强的生命力,人们应该去探索这种顽强的生命力,仿照其原理和机理,造福于人类。

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