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第4章 仿生学(4)

第二个模型试图安装一个以更快频率飞行的翅膀,达到每秒18次震动的速度。有特色的是,这个模型采用了可变可调节前后两对机翼之间相差的装置。

研究的中心和长远目标,是要研究使用“翅膀”驱动的飞机表现,以及与传统的螺旋推动器驱动的飞机效率的比较等等。

苍蝇与仿生

家蝇的特别之处在于它的快速的飞行技术,这使得它很难被人类抓住。即使在它的后面也很难接近它。它设想到了每一种情况,非常小心,并能快速移动。那么,它是怎么做到的呢?

昆虫学家研究发现,苍蝇的后翅退化成一对平衡棒。当它飞行时,平衡棒以一定的频率进行机械振动,可以调节翅膀的运动方向,是保持苍蝇身体平衡的导航仪。科学家据此原理研制成一代新型导航仪——振动陀螺仪,大大改进了飞机的飞行性能,可使飞机自动停止危险的滚翻飞行,在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡,即使是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失。苍蝇的复眼包含4000个可独立成像的单眼,能看清几乎360°范围内的物体。在蝇眼的启示下,人们制成了由1329块小透镜组成的一次可拍1329张高分辨率照片的蝇眼照像机,在军事、医学、航空、航天上被广泛应用。苍蝇的嗅觉特别灵敏并能对数十种气味进行快速分析且可立即作出反应。科学家根据苍蝇嗅觉器官的结构,把各种化学反应转变成电脉冲的方式,制成了十分灵敏的小型气体分析仪,目前已广泛应用于宇宙飞船、潜艇和矿井等场所来检测气体成分,使科研、生产的安全系数更为准确、可靠。

蜂类与仿生

蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成,每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成,这些结构与近代数学家精确计算出来的——菱形钝角109°28‘,锐角70°32’完全相同,是最节省材料的结构,且容量大、极坚固,令许多专家赞叹不止。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板,强度大、重量轻、不易传导声和热,是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方向十分敏感的偏振片,可利用太阳准确定位。科学家据此原理研制成功了偏振光导航仪,早已广泛用于航海事业中。

其它昆虫与仿生

跳蚤的跳跃本领十分高强,航空专家对此进行了大量研究,英国一飞机制造公司从其垂直起跳的方式受到启发,成功制造出了一种几乎能垂直起落的鹞式飞机。现代电视技术根据昆虫单复眼的构造特点,造出了大屏幕彩电,又可将一台台小彩电荧光屏组成一个大画面,且可在同一屏幕上任意位置框出某几个特定的小画面,既可播映相同的画面,又可播映不同的画面。科学家根据昆虫复眼的结构特点研制成功的多孔径光学系统装置,更易于搜索到目标,已在国外一些重要武器系统中应用。根据某些水生昆虫的组成复眼的单眼之间相互抑制的原理,制成的侧抑制电子模型,用于各类摄影系统,拍出的照片可增强图像边缘反差和突出轮廓,还可用来提高雷达的显示灵敏度,也可用于文字和图片识别系统的预处理工作。美国利用昆虫复眼加工信息及定向导航原理,研制了具有很大实用价值的仿昆虫复眼寻的末制导导引头的工程模型。日本利用昆虫形态及特性开发研制了六足机器人等工学机器和建筑物的新构造方式。

未来展望

昆虫在亿万年的进化过程中,随着环境的变迁而逐渐进化,都在不同程度地发展着各自的生存本领。随着社会的发展,人们对昆虫的各种生命活动掌握得越来越多,越来越意识到昆虫对人类的重要性,再加上信息技术特别是计算机新一代生物电子技术在昆虫学上的应用,模拟昆虫的感应能力而研制的检测物质种类和浓度的生物传感器,参照昆虫神经结构开发的能够模仿大脑活动的计算机等等一系列的生物技术工程,将会由科学家的设想变为现实,并进入各个领域,昆虫将会为人类做出更大的贡献。

交通与仿生

生存在自然界中的各种各样的动物能在各种恶劣复杂的环境中生存与运动,这是因为其运动器官和形体与恶劣复杂环境斗争进化的结果。仿照动物的某些特点与本领,人们利用现代仿生技术制造出一系列现代新型的仿生交通工具。

仿生车辆形形色色

在草原与沙漠地区,带轮汽车行走非常困难,但袋鼠却能行走如飞。袋鼠是靠强有力的后肢跳跃前进的,于是人们模仿袋鼠发明了无轮汽车,即跳跃机。在南极茫茫的雪原,由于摩擦力极小,人们难以前行,而企鹅却能以30公里的时速飞跑,这是因为企鹅在行走时仆倒在地,把肚子贴到雪的表面上,蹬动双脚滑雪,飞速前进。受它的启发,人们制成了一种越野汽车,可在冰雪和泥泞地区以时速50公里的速度前进。根据蜘蛛爬行原理,人们研制成一种越野能力极强的汽车,它可轻松通过峡谷地带。根据毛毛虫能在松软土地上爬行的原理,人们设计出了一种身体狭长、带有“环节”的爬行车,它可在松软的地面上通行无阻。根据蛇爬行时悄无声息的特点,人们在拖拉机履带上装上了一连串橡皮带,这些橡皮带随着拖拉机的前进,可不断地进行充气与放气,使拖拉机能平稳前进,且噪声极小。根据苍蝇、蚊子能在垂直墙壁上爬行的特点,人们正在研制一种登山车辆。在车辆材料上人们也充分借鉴生物的某些特点,如海中鲍鱼的壳外表扁平、非常坚固,因为其外壳是由碳酸钙构成的,它能抵御300磅重的巨浪,而丝毫无损。科学家们已合成一种牢固程度两倍于鲍鱼壳的材料,把这种材料用于汽车外壳或装甲输送车的外表,可使这些车辆更加坚固。

仿生船舶魅力无限

目前世界上最快的船艇其速度也赶不上大多鱼类的游速,鱼儿行动速度之所以快,原因是多种多样的。鱼儿都有流线型的“身材”,皮肤表面非常光滑,这使得它们受到的摩擦阻力非常小。所以现今生产的高速船大都具有流线型光滑的外表。另外,海豚之所以游得快,还和其有特殊的皮肤结构有关。物理学表明,水接触坚硬的东西,水流则会产生混乱现象,会增大水的阻力;相反,若水接触的是柔软且具有极微细不平的表面时,则会消除水流混乱现象,从而减少水的阻力。海豚皮肤表面就比较柔软且具有弹性,人们模仿海豚的皮肤构造,用橡胶制成了人造海豚皮,装在潜水艇上,使湍流减少了50%,从而大大提高了潜艇的航行速度。

仿生飞机任重道远

飞机的产生与发明本身就是模仿自然界动物的结果,尽管如此,天空中各种飞翔的禽类,各怀绝技的飞行本领,仍值得人们学习与研究。

在动物界,昆虫可谓跳跃的高手,蝗虫、跳蚤跳跃高度非常高,常是其体长的几十倍,而且无需助跑,这主要得益于其有着发达有力的后肢。人们根据动物的这种本领,正在研制超短距离或垂直距离起飞的飞机。

飞机是交通工具中耗能大户,但鸟类在长途飞行过程中可巧借风力与空气浮力,有时飞行,有时滑翔,非常节省体力。因此,科学家们正在借鉴鸟儿的这种节能本领,制造飞行速度快且节能的飞机。

自然界的动物千千万万,其许多高超的技能与奥秘人们尚未完全掌握,但可以相信,随着仿生技术的逐渐发展,各种仿生交通工具会源源不断地被聪明的人类发明出来。

“蟑螂”搅动美苏风波

被大家笑称为“小强”的蟑螂,经常喜欢出没于厨房或卧室,给人们带来很多烦恼。这种小东西常躲在犄角旮旯里,行动时又异常敏捷,很难对付。而正是它的这个特点,被科学家们相中。根据仿生学原理,机器“蟑螂”诞生了。这厮到底何用?先来听个故事你就明白了。

20世纪80年代,美苏之间的军备竞赛如火如荼,双方因此而发生的“驱逐间谍”事件已似家常便饭。此时,火上浇油的事又发生了。

根据美苏双方达成的协议,各自在对方首都新建一座使馆大楼。建设过程中,苏联克格勃利用加工预制混凝土构件和进行楼体施工的机会作了些手脚。施工过程中和使馆楼竣工后,美两次派反窃听小组去检查,结果在大楼的许多敏感区域都发现有窃听装置。为此,美国总统里根十分恼火。在一次记者招待会上,他指责苏联“破坏了外交行为的准则”。并宣布,在确信有关窃听的安全问题得到解决之前,在莫斯科的美国外交官不会迁入新建的大使馆。而在美国人搬进莫斯科的新使馆之前,苏联人也不得搬进他们在华盛顿新建成的大使馆。针对美国的抗议,苏联反唇相讥,指责里根的讲话“不能不引起苏联的愤怒和遗憾”。双方唇枪舌剑,闹得不亦乐乎。

最让美国人感到惊奇的是,为了窃听大使馆,苏联竟然培养出了“蟑螂卧底”。这是一种机器蟑螂,有火柴盒大小,内装微型无线电发射装置,可以将半径8米之内的声音传送出去。更为厉害的是,机器蟑螂还装备了激光及光线感应器,它能够辨认蟑螂,一旦遇到便会跟随蟑螂活动。此外,苏联科学家还提取了有蟑螂气味的分子,制造出了“蟑螂气味剂”,将其喷洒在机器蟑螂身上,因为“没有这种气味剂,蟑螂就会识破机器蟑螂的‘身份’并马上离去”。

德军的“狼群战术”

第二次世界大战前夕,英国发明了超声波测位器,对于侦察定位水下潜艇位置十分有效。德军潜艇舰队司令邓尼兹,想方设法要对付英军装备有超声波测位器的舰船。一天,当邓尼兹看到成群野狼袭击猎物的景象后受到启发,提出了“狼群战术”,即一旦发现敌舰船,立即发出信号,其他潜艇收到信号后迅速赶来进行集群攻击,得手后迅速分散撤离。德军运用这一战术,到1943年5月,就让盟军损失了2491艘舰船,直到盟军以航母为核心建立起立体护航与反潜网,才粉碎了德军的“狼群战术”。

也是在二战时期,麦克阿瑟在制订太平洋战争战略战术时,从青蛙跳跃的动作中受到启发,从而发明了“蛙跳战术”。就是把陆海空军联成一体,要求地面部队在不脱离己方空中掩护的条件下,沿着前进的轴线,向几个重要目标的外围做跳跃进攻。地面部队每前进一步,就将其作为下一阶段进攻的垫脚石,在空、海军的配合下,向新的目标推进。这样一步接着一步地向前延伸,如同蛙跳似的前进。他用这种战术粉碎了日军“死守耗敌”的企图,获得了巴布亚战役、新几内亚战役、菲律宾战役的胜利。

1944年8月7日,盟军的“雷霆”式战斗机袭击了德军在莫尔坦地区的一个装甲师,使该师一下损失了86%的坦克。而盟军采用的战术,也是根据鹰蛇在搏斗中,鹰凭借空中优势,制蛇于死地的现象,总结出的“鹰的战术”。

上述事例显示了仿生学在战术创新上的成功运用。不难看出,世上之事都是相互联系的。在军事领域,看起来与其他领域的事情并没有直接、必然的联系,甚至是“风马牛不相及”。但是,如果在二者之间加上几个环节后就会发现,它们之间确实是有联系。动物的活动与人类的军事行为之间的联系就是如此。这就要求我们,在处处留心的基础上善于用联系的观点看问题,善于从军事以外的领域寻找军事创新的灵感,跳出军事圈子到更大的范围去寻找创新之策。

从蝴蝶翅膀到防伪纸币

在一般人看来,蝴蝶翅膀与防伪纸币或防伪信用卡本是南其辕北其辙互不着边的两个事物,根本没有什么联系,可是,只要你耐心读完这不到千字的小文,你就会明白这其中确有某些因缘,而且,你还会看到仿生学这个学科的又一个妙用。

所谓仿生学,它是研究如何模仿生物的结构和功能,来制造设备或物件以造福人类的学科。日前发表在英国《自然》杂志上的关于一种生活在印度尼西亚的蝴蝶翅膀的颜色的形成问题的报告,不仅向我们展示了大自然的奥妙,也为我们研制更新的、坏人再也无法伪造的防伪纸币打开了一条仿生学的思路。

英国埃克塞特(Exeter)大学薄膜光子实验室的物理学家乌维西克(Vuvisic)和另外两名同事,由于一个偶然的机遇,在几年前开始研究一种名叫大凤蝶的蝴蝶翅膀,这个蝴蝶的翅膀颜色本来是有黄有蓝,但是在人眼里就成为闪闪发光的绿色。他们用显微镜观察大凤蝶翅膀发现,蝴蝶翅膀上竟然布满了下凹的小坑,这些小坑太小,尺寸只有大约4/10000厘米,小坑底是黄色,而坑的斜坡是蓝色的。乌维西克用如下方式来解释为什么在人看来大凤蝶的翅膀是绿色的:当光线照射到坑底时,它被反射而呈黄色,而照射到小坑一个斜坡的光线也被反射,但此反射光线又入射到另一斜坡再被反射,此时,由于小坑太小,人眼无法将从坑底反射的黄色光与周围两次反射的蓝色光区分开来,从而感觉到的是绿色。另外,他们还发现,这两次反射也改变了光的极化方向,人眼无法区别这一改变,但是蜜蜂等昆虫却能察觉。要解释光的极化方向还真需要点专门知识,浅显但不太精确的解释就是光子在电磁场中振动的方向。

换了我们常人,发现这些奥妙,大概也无非是击掌赞叹造化的神奇,此外就不再做什么了。然而乌维西克等人却想到假币。他们目前正在研究如何仿照大凤蝶翅膀的结构,在纸币或信用卡上也布满小坑,这样无论制造伪钞者将假币印制得在外表上多么与真币相似,他们绝没有技术也在假币上布满分布和大小都与真币一样的小坑,只要用专门的光学设备发出极化光一照,看看反射光的极化方向,就会真假立现,我们辛辛苦苦挣来的那点血汗钱也就再不会被骗子骗走了。你看,蝴蝶翅膀与防伪纸币有没有关系?

从甲虫到飞机的发动机

一种有奇特退敌技能的甲虫——投弹手甲壳虫,正在为飞机制造业提供新思路,飞机发动机的设计也有可能因此得到重大改进。这种甲虫是自然界惟一一种具有能让液体沸腾、燃烧并准确射出本领的昆虫。科学家发现,投弹手甲壳虫通过向其天敌——蚂蚁、青蛙和蜘蛛急速喷射一种高压沸腾液体射流来保护自己。这种急速喷射热流的现象被称为脉冲燃烧。英美科学家正在研究它的这一招绝技,尝试将其应用到飞机制造业中。

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