從動植物身上得到哪些啟發(fā),想發(fā)明什么?

【專家解說】：飛機--- 鳥 聲納---海豚 在我國,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類在樹上營巢,以防御猛獸的傷害；四千多年前,我們的祖先“見飛蓬轉而知為車”,即見到隨風旋轉的飛蓬草而發(fā)明輪子,做有裝成輪子的車.古代廟宇中大殿之前的山門的建造,就其建筑結構來看,頗有點像大象的架勢,柱子又圓又粗,仿佛像大象的腿. 我國古代勤勞勇敢的勞動人民對于絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想.根據秦漢時期史書記載,兩千多年前,我國人民就發(fā)明了風箏,并且應用于軍事聯(lián)絡.春秋戰(zhàn)國時代,魯國匠人魯班,本名公輸般,首先開始研制能飛的木鳥；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《杜陽雜編》記載,唐朝有個韓志和,“善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀,飲啄動靜與真無異,以關戾置于腹內,發(fā)之則凌云奮飛,可高達三丈至一二百步外,始卻下.”西漢時期,有人用鳥的羽毛做成翅膀,從高臺上飛下來,企圖模仿鳥的飛行.以上幾例,足以說明我國古代勞動人民對鳥類的撲翼和飛行,進行了細致的觀察和研究,這也是最早的仿生設計活動之一.明代發(fā)明的一種火箭武器“神火飛鴉”,也反映了人們向鳥類借鑒的愿望. 我國古代勞動人民對水生動物——魚類的模仿也卓有成效.通過對水中生活的魚類的模仿,古人伐木鑿船,用木材做成魚形的船體,仿照魚的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓,由此取得水上運輸的自由.后來隨制作水平提高而出現的龍船,多少受到了不少動物外形的影響.古代水戰(zhàn)中使用的火箭武器 “火龍出水”,多少有點模仿動物的意思.以上事例說明,我國古代勞動人民早期的仿生設計活動,為開發(fā)我國光輝燦爛的古代文明,創(chuàng)造了非凡的業(yè)績. 外國的文明史上,大致也經歷了相似的過程.在包含了豐富生產知識的古希臘神話中,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,傳說這是從魚背骨和蛇的腭骨的形狀受到啟示而創(chuàng)造出來的.十五世紀時,德國的天文學家米勒制造了一只鐵蒼蠅和一只機械鷹,并進行了飛行表演. 一八ОΟ年左右,英國科學家、空氣動力學的創(chuàng)始人之一—凱利,模仿鱒魚和山鷸的紡錘形,找到阻力小的流線型結構.凱利還模仿鳥翅設計了一種機翼曲線,對航空技術的誕生起了很大的促進作用.同一時期,法國生理學家馬雷,對鳥的飛行進行了仔細的研究,在他的著作《動物的機器》一書中,介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關系.德國人亥姆霍茲也從研究飛行動物中,發(fā)現飛行動物的體重與身體的線度的立方成正比.亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限.人們通過對鳥類飛行器官的詳細研究和認真的模仿,根據鳥類飛行機構的原理,終于制造了能夠載人飛行的滑翔機. 后來,設計師又根據鶴的體態(tài)設計出了掘土機的懸臂,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,模仿野豬的鼻子設計出了防毒面具.在海洋中浮沉靈活的潛水艇又是運用了哪些原理?雖然我們無據考察潛艇設計師在設計潛艇時是否請教了生物界,但是不難設想,設計師一定懂得魚鰾是魚類用來改變身體同水的比重,使之能在水中沉浮的重要器官.青蛙是水陸兩棲動物,體育工作者就是認真研究了青蛙在水中的運動姿勢,總結出一套既省力、又快速的游泳動作——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)似乎風馬牛不相及,但仿生學卻把它們緊密地聯(lián)系起來了. 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.蒼蠅的嗅覺特別靈敏,遠在幾千米外的氣味也能嗅到.但是蒼蠅并沒有“鼻子”,它靠什么來充當嗅覺的呢? 原來,蒼蠅的“鼻子”——嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上. 每個“鼻子”只有一個“鼻孔”與外界相通,內含上百個嗅覺神經細胞.若有氣味進入“鼻孔”,這些神經立即把氣味刺激轉變成神經電脈沖,送往大腦.大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈沖的不同,就可區(qū)別出不同氣味的物質.因此,蒼蠅的觸角像是一臺靈敏的氣體分析儀. 仿生學家由此得到啟發(fā),根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能,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.就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經上,將引導出來的神經電信號經電子線路放大后,送給分析器；分析器一經發(fā)現氣味物質的信號,便能發(fā)出警報.這種儀器已經被安裝在宇宙飛船的座艙里,用來檢測艙內氣體的成分. 這種小型氣體分析儀,也可測量潛水艇和礦井里的有害氣體.利用這種原理,還可用來改進計算機的輸入裝置和有關氣體色層分析儀的結構原理中. 從螢火蟲到人工冷光 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變成可見光,其余大部分都以熱能的形式浪費掉了,而且電燈的熱射線有害于人眼.那么,有沒有只發(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,如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等,而且這些動物發(fā)出的光都不產生熱,所以又被稱為“冷光”. 在眾多的發(fā)光動物中,螢火蟲是其中的一類.螢火蟲約有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,光的強度也比較高.因此,生物光是一種人類理想的光. 科學家研究發(fā)現,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)光細胞,它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質.在熒光酶的作用下,熒光素在細胞內水分的參與下,與氧化合便發(fā)出熒光.螢火蟲的發(fā)光,實質上是把化學能轉變成光能的過程. 早在40年代,人們根據對螢火蟲的研究,創(chuàng)造了日光燈,使人類的照明光源發(fā)生了很大變化.近年來,科學家先是從螢火蟲的發(fā)光器中分離出了純熒光素,后來又分離出了熒光酶,接著,又用化學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,可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當閃光燈.由于這種光沒有電源,不會產生磁場,因而可以在生物光源的照明下,做清除磁性水雷等工作. 現在,人們已能用摻和某些化學物質的方法得到類似生物光的冷光,作為安全照明用. 電魚與伏特電池 自然界中有許多生物都能產生電,僅僅是魚類就有500余種 .人們將這些能放電的魚,統(tǒng)稱為“電魚”. 各種電魚放電的本領各不相同.放電能力最強的是電鰩、電鯰和電鰻.中等大小的電鰩能產生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能產生的電壓高達220伏；非洲電鯰能產生350伏的電壓；電鰻能產生500伏的電壓,有一種南美洲電鰻竟能產生高達880伏的電壓,稱得上電擊冠軍,據說它能擊斃像馬那樣的大動物. 電魚放電的奧秘究竟在哪里?經過對電魚的解剖研究, 終于發(fā)現在電魚體內有一種奇特的發(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胞構成的.由于電魚的種類不同,所以發(fā)電器的形狀、位置、電板數都不一樣.電鰻的發(fā)電器呈棱形,位于尾部脊椎兩側的肌肉中；電鰩的發(fā)電器形似扁平的腎臟,排列在身體中線兩側,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.單個電板產生的電壓很微弱,但由于電板很多,產生的電壓就很大了. 電魚這種非凡的本領,引起了人們極大的興趣.19世紀初,意大利物理學家伏特,以電魚發(fā)電器官為模型,設計出世界上最早的伏打電池.因為這種電池是根據電魚的天然發(fā)電器設計的,所以把它叫做“人造電器官”.對電魚的研究,還給人們這樣的啟示：如果能成功地模仿電魚的發(fā)電器官,那么,船舶和潛水艇等的動力問題便能得到很好的解決. 水母的順風耳 “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系.沿海漁民都知道,生活在沿岸的魚和水母成批地游向大海,就預示著風暴即將來臨. 水母,又叫海蜇,是一種古老的腔腸動物,早在5億年前,它就漂浮在海洋里了.這種低等動物有預測風暴的本能,每當風暴來臨前,它就游向大海避難去了. 原來,在藍色的海洋上,由空氣和波浪摩擦而產生的次聲波 (頻率為每秒8—13次),總是風暴來臨的前奏曲.這種次聲波人耳無法聽到,小小的水母卻很敏感.仿生學家發(fā)現,水母的耳朵的共振腔里長著一個細柄,柄上有個小球,球內有塊小小的聽石,當風暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時,聽石就剌激球壁上的神經感受器,于是水母就聽到了正在來臨的風暴的隆隆聲. 仿生學家仿照水母耳朵的結構和功能,設計了水母耳風暴預測儀,相當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,當接受到風暴的次聲波時,可令旋轉360°的喇叭自行停止旋轉,它所指的方向,就是風暴前進的方向；指示器上的讀數即可告知風暴的強度.這種預測儀能提前15小時對風暴作出預報,對航海和漁業(yè)的安全都有重要意義. 蝙蝠的超聲波,發(fā)明雷達昆蟲個體小,種類和數量龐大,占現存動物的75％以上,遍布全世界.它們有各自的生存絕技,有些技能連人類也自嘆不如.人們對自然資源的利用范圍越來越廣泛,特別是仿生學方面的任何成就,都來自生物的某種特性. 蝴蝶與仿生 五彩的蝴蝶錦色粲然,如重月紋鳳蝶、褐脈金斑蝶等,尤其是螢光翼鳳蝶,其后翅在陽光下時而金黃,時而翠綠,有時還由紫變藍.科學家通過對蝴蝶色彩的研究,為軍事防御帶來了極大的裨益.在二戰(zhàn)期間,德軍包圍了列寧格勒,企圖用轟炸機摧毀其軍事目標和其他防御設施.蘇聯(lián)昆蟲學家施萬維奇根據當時人們對偽裝缺乏認識的情況,提出利用蝴蝶的色彩在花叢中不易被發(fā)現的道理,在軍事設施上覆蓋蝴蝶花紋般的偽裝.因此,盡管德軍費盡心機,但列寧格勒的軍事基地仍安然無惹,為贏得最后的勝利奠定了堅實的基礎.根據同樣的原理,后來人們還生產出了迷彩服,大大減少了戰(zhàn)斗中的傷亡. 人造衛(wèi)星在太空中由于位置的不斷變化可引起溫度驟然變化,有時溫差可高達兩、三百度,嚴重影響許多儀器的正常工作.科學家們受蝴蝶身上的鱗片會隨陽光的照射方向自動變換角度而調節(jié)體溫的啟發(fā),將人造衛(wèi)星的控溫系統(tǒng)制成了葉片正反兩面輻射、散熱能力相差很大的百葉窗樣式,在每扇窗的轉動位置安裝有對溫度敏感的金屬絲,隨溫度變化可調節(jié)窗的開合,從而保持了人造衛(wèi)星內部溫度的恒定,解決了航天事業(yè)中的一大難題. 甲蟲與仿生 屁步甲炮蟲自衛(wèi)時,可噴射出具有惡臭的高溫液體“炮彈”,以迷惑、刺激和驚嚇敵害.科學家將其解剖后發(fā)現甲蟲體內有3個小室,分別儲有二元酚溶液、雙氧水和生物酶.二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶混合發(fā)生化學反應,瞬間就成為100℃的毒液,并迅速射出.這種原理目前已應用于軍事技術中.二戰(zhàn)期間,德國納粹為了戰(zhàn)爭的需要,據此機理制造出了一種功率極大且性能安全可靠的新型發(fā)動機,安裝在飛航式導彈上,使之飛行速度加快,安全穩(wěn)定,命中率提高,英國倫敦在受其轟炸時損失慘重.美國軍事專家受甲蟲噴射原理的啟發(fā)研制出了先進的二元化武器.這種武器將兩種或多種能產生毒劑的化學物質分裝在兩個隔開的容器中,炮彈發(fā)射后隔膜破裂,兩種毒劑中間體在彈體飛行的8—10秒內混合并發(fā)生反應,在到達目標的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人.它們易于生產、儲存、運輸,安全且不易失效.螢火蟲可將化學能直接轉變成光能,且轉化效率達100%,而普通電燈的發(fā)光效率只有6%.人們模仿螢火蟲的發(fā)光原理制成的冷光源可將發(fā)光效率提高十幾倍,大大節(jié)約了能量.另外,根據甲蟲的視動反應機制研制成功的空對地速度計已成功地應用于航空事業(yè)中. 蜻蜓與仿生 蜻蜒通過翅膀振動可產生不同于周圍大氣的局部不穩(wěn)定氣流,并利用氣流產生的渦流來使自己上升.蜻蜒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飛行,其向前飛行速度可達72km/小時.此外,蜻蜒的飛行行為簡單,僅靠兩對翅膀不停地拍打.科學家據此結構基礎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.蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飛行時安然無恙,于是人們仿效蜻蜒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學以及其飛行的效率,一個四葉驅動,用遠程水平儀控制的機動機翼（翅膀）模型被研制,并第一次在風洞內測試了各項飛行參數. 第二個模型試圖安裝一個以更快頻率飛行的翅膀,達到每秒18次震動的速度.有特色的是,這個模型采用了可變可調節(jié)前后兩對機翼之間相差的裝置. 研究的中心和長遠目標,是要研究使用“翅膀”驅動的飛機表現,以及與傳統(tǒng)的螺旋推動器驅動的飛機效率的比較等等. 蒼蠅與仿生 家蠅的特別之處在于它的快速的飛行技術,這使得它很難被人類抓住.即使在它的后面也很難接近它.它設想到了每一種情況,非常小心,并能快速移動.那么,它是怎么做到的呢? 昆蟲學家研究發(fā)現,蒼蠅的后翅退化成一對平衡棒.當它飛行時,平衡棒以一定的頻率進行機械振動,可以調節(jié)翅膀的運動方向,是保持蒼蠅身體平衡的導航儀.科學家據此原理研制成一代新型導航儀——振動陀螺儀,大大改進了飛機的飛行性能,可使飛機自動停止危險的滾翻飛行,在機體強烈傾斜時還能自動恢復平衡,即使是飛機在最復雜的急轉彎時也萬無一失.蒼蠅的復眼包含4000個可獨立成像的單眼,能看清幾乎360.范圍內的物體.在蠅眼的啟示下,人們制成了由1329塊小透鏡組成的一次可拍1329張高分辨率照片的蠅眼照像機,在軍事、醫(yī)學、航空、航天上被廣泛應用.蒼蠅的嗅覺特別靈敏并能對數十種氣味進行快速分析且可立即作出反應.科學家根據蒼蠅嗅覺器官的結構,把各種化學反應轉變成電脈沖的方式,制成了十分靈敏的小型氣體分析儀,目前已廣泛應用于宇宙飛船、潛艇和礦井等場所來檢測氣體成分,使科研、生產的安全系數更為準確、可靠. 蜂類與仿生 蜂巢由一個個排列整齊的六棱柱形小蜂房組成,每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成,這些結構與近代數學家精確計算出來的——菱形鈍角109°28’,銳角70°32’完全相同,是最節(jié)省材料的結構,且容量大、極堅固,令許多專家贊嘆不止.人們仿其構造用各種材料制成蜂巢式夾層結構板,強度大、重量輕、不易傳導聲和熱,是建筑及制造航天飛機、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料.蜜蜂復眼的每個單眼中相鄰地排列著對偏振光方向十分敏感的偏振片,可利用太陽準確定位.科學家據此原理研制成功了偏振光導航儀,早已廣泛用于航海事業(yè)中. 其它昆蟲與仿生 跳蚤的跳躍本領十分高強,航空專家對此進行了大量研究,英國一飛機制造公司從其垂直起跳的方式受到啟發(fā),成功制造出了一種幾乎能垂直起落的鷂式飛機.現代電視技術根據昆蟲單復眼的構造特點,造出了大屏幕彩電,又可將一臺臺小彩電熒光屏組成一個大畫面,且可在同一屏幕上任意位置框出某幾個特定的小畫面,既可播映相同的畫面,又可播映不同的畫面.科學家根據昆蟲復眼的結構特點研制成功的多孔徑光學系統(tǒng)裝置,更易于搜索到目標,已在國外一些重要武器系統(tǒng)中應用.根據某些水生昆蟲的組成復眼的單眼之間相互抑制的原理,制成的側抑制電子模型,用于各類攝影系統(tǒng),拍出的照片可增強圖像邊緣反差和突出輪廓,還可用來提高雷達的顯示靈敏度,也可用于文字和圖片識別系統(tǒng)的預處理工作.美國利用昆蟲復眼加工信息及定向導航原理,研制了具有很大實用價值的仿昆蟲復眼尋的末制導導引頭的工程模型.日本利用昆蟲形態(tài)及特性開發(fā)研制了六足機器人等工學機器和建筑物的新構造方式. 未來展望 昆蟲在億萬年的進化過程中,著環(huán)境的變遷而逐漸進化,都在不同程度地發(fā)展著各自的生存本領.隨著社會的發(fā)展,人們對昆蟲的各種生命活動掌握得越來越多,越來越意識到昆蟲對人類的重要性,再加上信息技術特別是計算機新一代生物電子技術在昆蟲學上的應用,模擬昆蟲的感應能力而研制的檢測物質種類和濃度的生物傳感器,參照昆蟲神經結構開發(fā)的能夠模仿大腦活動的計算機等等一系列的生物技術工程,將會由科學家的設想變?yōu)楝F實,并進入各個領域,昆蟲將會為人類做出更大的貢獻