求動(dòng)物的智慧對(duì)人類(lèi)社會(huì)的意義-----

【專(zhuān)家解說(shuō)】：動(dòng)物和人有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系,“仿生學(xué)”就是人類(lèi)從動(dòng)物身上獲取靈感的一門(mén)先進(jìn)科學(xué)。 仿生設(shè)計(jì)學(xué)作為人類(lèi)社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)與自然界的鍥合點(diǎn)，使人類(lèi)社會(huì)與自然達(dá)到了高度的統(tǒng)一，正逐漸成為設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程中新的亮點(diǎn)。 自古以來(lái)，自然界就是人類(lèi)各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類(lèi)繁多的動(dòng)植物及物質(zhì)存在，它們?cè)诼L(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)。人類(lèi)生活在自然界中，與周?chē)纳镒鳌班従印?，這些生物各種各樣的奇異本領(lǐng)，吸引著人們?nèi)ハ胂蠛湍７?。人?lèi)運(yùn)用其觀察、思維和設(shè)計(jì)能力，開(kāi)始了對(duì)生物的模仿，并通過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)，制造出簡(jiǎn)單的工具，增強(qiáng)了自己與自然界斗爭(zhēng)的本領(lǐng)和能力。 人類(lèi)最初使用的工具--木棒和石斧，無(wú)疑是使用的天然木棒和天然石塊;骨針的使用，無(wú)疑是魚(yú)刺的模仿……所有這些工具的創(chuàng)造、生活方式的選擇都不能說(shuō)是人類(lèi)憑空想象出來(lái)的，只能說(shuō)是對(duì)自然中存在的物質(zhì)及某種構(gòu)成方式的直接模擬，是人類(lèi)初級(jí)創(chuàng)造階段，也可以說(shuō)是仿生設(shè)計(jì)的起源和雛形，它們雖然是比較粗糙的、表面的，但卻是我們今天得以發(fā)展的基礎(chǔ)。 在我國(guó)，早就有著模仿生物的事例。相傳在公元前三千多年，我們的祖先有巢氏模仿鳥(niǎo)類(lèi)在樹(shù)上營(yíng)巢，以防御猛獸的傷害;四千多年前，我們的祖先“見(jiàn)飛蓬轉(zhuǎn)而知為車(chē)”，即見(jiàn)到隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)的飛蓬草而發(fā)明輪子，做有裝成輪子的車(chē)。古代廟宇中大殿之前的山門(mén)的建造，就其建筑結(jié)構(gòu)來(lái)看，頗有點(diǎn)像大象的架勢(shì)，柱子又圓又粗，仿佛像大象的腿。 我國(guó)古代勤勞勇敢的勞動(dòng)人民對(duì)于絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想。根據(jù)秦漢時(shí)期史書(shū)記載，兩千多年前，我國(guó)人民就發(fā)明了風(fēng)箏，并且應(yīng)用于軍事聯(lián)絡(luò)。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，魯國(guó)匠人魯班，本名公輸般，首先開(kāi)始研制能飛的木鳥(niǎo);并且他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉得到啟示而發(fā)明了鋸子。據(jù)《杜陽(yáng)雜編》記載，唐朝有個(gè)韓志和，“善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀，飲啄動(dòng)靜與真無(wú)異，以關(guān)戾置于腹內(nèi)，發(fā)之則凌云奮飛，可高達(dá)三丈至一二百步外，始卻下?！蔽鳚h時(shí)期，有人用鳥(niǎo)的羽毛做成翅膀，從高臺(tái)上飛下來(lái)，企圖模仿鳥(niǎo)的飛行。以上幾例，足以說(shuō)明我國(guó)古代勞動(dòng)人民對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)的撲翼和飛行，進(jìn)行了細(xì)致的觀察和研究，這也是最早的仿生設(shè)計(jì)活動(dòng)之一。明代發(fā)明的一種火箭武器“神火飛鴉”，也反映了人們向鳥(niǎo)類(lèi)借鑒的愿望。 我國(guó)古代勞動(dòng)人民對(duì)水生動(dòng)物--魚(yú)類(lèi)的模仿也卓有成效。通過(guò)對(duì)水中生活的魚(yú)類(lèi)的模仿，古人伐木鑿船，用木材做成魚(yú)形的船體，仿照魚(yú)的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓，由此取得水上運(yùn)輸?shù)淖杂?。后?lái)隨制作水平提高而出現(xiàn)的龍船，多少受到了不少動(dòng)物外形的影響。古代水戰(zhàn)中使用的火箭武器 “火龍出水”，多少有點(diǎn)模仿動(dòng)物的意思。以上事例說(shuō)明，我國(guó)古代勞動(dòng)人民早期的仿生設(shè)計(jì)活動(dòng)，為開(kāi)發(fā)我國(guó)光輝燦爛的古代文明，創(chuàng)造了非凡的業(yè)績(jī)。 外國(guó)的文明史上，大致也經(jīng)歷了相似的過(guò)程。在包含了豐富生產(chǎn)知識(shí)的古希臘神話(huà)中，有人用羽毛和蠟做成翅膀，逃出迷宮;還有泰爾發(fā)明了鋸子，傳說(shuō)這是從魚(yú)背骨和蛇的腭骨的形狀受到啟示而創(chuàng)造出來(lái)的。十五世紀(jì)時(shí)，德國(guó)的天文學(xué)家米勒制造了一只鐵蒼蠅和一只機(jī)械鷹，并進(jìn)行了飛行表演。 一八ОΟ年左右，英國(guó)科學(xué)家、空氣動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人之一-凱利，模仿鱒魚(yú)和山鷸的紡錘形，找到阻力小的流線(xiàn)型結(jié)構(gòu)。凱利還模仿鳥(niǎo)翅設(shè)計(jì)了一種機(jī)翼曲線(xiàn)，對(duì)航空技術(shù)的誕生起了很大的促進(jìn)作用。同一時(shí)期，法國(guó)生理學(xué)家馬雷，對(duì)鳥(niǎo)的飛行進(jìn)行了仔細(xì)的研究，在他的著作《動(dòng)物的機(jī)器》一書(shū)中，介紹了鳥(niǎo)類(lèi)的體重與翅膀面積的關(guān)系。德國(guó)人亥姆霍茲也從研究飛行動(dòng)物中，發(fā)現(xiàn)飛行動(dòng)物的體重與身體的線(xiàn)度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。人們通過(guò)對(duì)鳥(niǎo)類(lèi)飛行器官的詳細(xì)研究和認(rèn)真的模仿，根據(jù)鳥(niǎo)類(lèi)飛行機(jī)構(gòu)的原理，終于制造了能夠載人飛行的滑翔機(jī)。 后來(lái)，設(shè)計(jì)師又根據(jù)鶴的體態(tài)設(shè)計(jì)出了掘土機(jī)的懸臂，在一戰(zhàn)期間，人們從毒氣戰(zhàn)幸存的野豬身上中獲得啟示，模仿野豬的鼻子設(shè)計(jì)出了防毒面具。在海洋中浮沉靈活的潛水艇又是運(yùn)用了哪些原理?雖然我們無(wú)據(jù)考察潛艇設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)潛艇時(shí)是否請(qǐng)教了生物界，但是不難設(shè)想，設(shè)計(jì)師一定懂得魚(yú)鰾是魚(yú)類(lèi)用來(lái)改變身體同水的比重，使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陸兩棲動(dòng)物，體育工作者就是認(rèn)真研究了青蛙在水中的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)，總結(jié)出一套既省力、又快速的游泳動(dòng)作--蛙泳。另外，為潛水員制作的蹼，幾乎完全按照青蛙的后肢形狀做成，這就大大提高了潛水員在水中的活動(dòng)能力。 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)器官的結(jié)構(gòu)和功能，仿制成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(xiàn)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 自從人類(lèi)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(xiàn)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(lèi)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(lèi)等，而且這些動(dòng)物發(fā)出的光都不產(chǎn)生熱，所以又被稱(chēng)為“冷光”。 在眾多的發(fā)光動(dòng)物中，螢火蟲(chóng)是其中的一類(lèi)。螢火蟲(chóng)約有1 500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(lèi)的眼睛，光的強(qiáng)度也比較高。因此，生物光是一種人類(lèi)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(lèi)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(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充滿(mǎn)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(lèi)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(lèi)就有500余種 。人們將這些能放電的魚(yú)，統(tǒng)稱(chēng)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(chēng)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(lèi)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(xiàn)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 在自然界中，水母，早在5億多年前，它們就以經(jīng)在海水里生活了.”但是，水母跟順風(fēng)耳又有什么關(guān)系呢?”人們肯定會(huì)問(wèn)這樣一個(gè)問(wèn)題.因?yàn)?，水母在風(fēng)暴來(lái)臨之前，就會(huì)成群結(jié)隊(duì)地游向大海，就預(yù)示風(fēng)暴既將來(lái)臨.但是，這又與”順風(fēng)耳”有什么關(guān)系呢?原來(lái)，在藍(lán)色的海洋上，由空氣和波浪摩擦而產(chǎn)生的次聲波(頻率為8~13赫)，是風(fēng)暴來(lái)臨之前的預(yù)告.這種次聲波，人耳是聽(tīng)不到的，而對(duì)水母來(lái)說(shuō)卻是易如反掌.科學(xué)家經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，水母的耳朵里長(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. 科學(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. 技能訓(xùn)練長(zhǎng)頸鹿與宇航員失重現(xiàn)象 長(zhǎng)頸鹿之所以能將血液通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的頸輸送到頭部，是由于長(zhǎng)頸鹿的血壓很高。據(jù)測(cè)定，長(zhǎng)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(huì)使長(zhǎng)頸鹿患腦溢血而死亡呢?這與長(zhǎng)頸鹿身體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。首先，長(zhǎng)頸鹿血管周?chē)募∪夥浅０l(fā)達(dá)，能壓縮血管，控制血流量;同時(shí)長(zhǎng)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。科學(xué)家由此受到啟示，在訓(xùn)練宇航員對(duì)，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(shí)，以防止宇航員血管周?chē)∪馔嘶?在宇宙飛船升空時(shí)，科學(xué)家根據(jù)長(zhǎng)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”?？购煞习灿谐錃庋b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(duì)血管產(chǎn)生一定的壓力，使宇航員的血壓保持正常。同時(shí)，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。 烏龜?shù)凝敋づc薄殼建筑 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(jìn)行了薄殼建筑設(shè)計(jì)。這類(lèi)建筑有許多優(yōu)點(diǎn):用料少，跨度大，堅(jiān)固耐用。薄殼建筑也并非都是拱形，舉世聞名的悉尼歌劇院則像一組泊港的群帆。 -- 結(jié)構(gòu)構(gòu)件 對(duì)于構(gòu)件，在截面面積相同的情況下，把材料盡可能放到遠(yuǎn)離中和軸的位置上，是有效的截面形狀。有趣的是，在自然界許多動(dòng)植物的組織中也體現(xiàn)了這個(gè)結(jié)論。例如:“疾風(fēng)知?jiǎng)挪荨保S多能承受狂風(fēng)的植物的莖部是維管狀結(jié)構(gòu)，其截面是空心的。支持人承重和運(yùn)動(dòng)的骨骼，其截面上密實(shí)的骨質(zhì)分布在四周，而柔軟的骨髓充滿(mǎn)內(nèi)腔。在建筑結(jié)構(gòu)中常被采用的空心樓板、箱形大梁、工形截面鈑梁以及折板結(jié)構(gòu)、空間薄壁結(jié)構(gòu)等都是根據(jù)這條結(jié)論得來(lái)的。 -- 斑馬 斑馬生活在非洲大陸，外形與一般的馬沒(méi)有什么兩樣，它們身上的條紋是為適應(yīng)生存環(huán)境而衍化出來(lái)的保護(hù)色。在所有斑馬中，細(xì)斑馬長(zhǎng)得最大最美。它的肩高140-160厘米，耳朵又圓又大，條紋細(xì)密且多。斑馬常與草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鴕鳥(niǎo)等共外，以抵御天敵。人類(lèi)將斑馬條紋應(yīng)用到軍事上是一個(gè)是很成功仿生學(xué)例子。 附(仿生學(xué)現(xiàn)象簡(jiǎn)表): 1。從令人討厭的蒼蠅身上，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(chē)輛的行駛，防止車(chē)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(lèi)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。船槳模仿的是鴨的蹼。 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。 16.樹(shù)葉的排列和悉尼大劇院的建設(shè)。 17.潛水艇和魚(yú)的沉浮。 18.響尾蛇和空對(duì)空響尾蛇導(dǎo)彈。