請(qǐng)教一道題

【專家解說】：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(zhuǎn)而知為車”，即見到隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)的飛蓬草而發(fā)明輪子，做有裝成輪子的車。古代廟宇中大殿之前的山門的建造，就其建筑結(jié)構(gòu)來看，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)期史書記載，兩千多年前，我國人民就發(fā)明了風(fēng)箏，并且應(yīng)用于軍事聯(lián)絡(luò)。春秋戰(zhàn)國時(shí)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(jù)《杜陽雜編》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，有人用鳥的羽毛做成翅膀，從高臺(tái)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(dòng)人民對(duì)鳥類的撲翼和飛行，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”，也反映了人們向鳥類借鑒的愿望。 我國古代勞動(dòng)人民對(duì)水生動(dòng)物——魚類的模仿也卓有成效。通過對(duì)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(yùn)輸?shù)淖杂?。后來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。以上事例說明，我國古代勞動(dòng)人民早期的仿生設(shè)計(jì)活動(dòng)，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(jīng)歷了相似的過程。在包含了豐富生產(chǎn)知識(shí)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(jì)時(shí)，德國的天文學(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，英國科學(xué)家、空氣動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人之一—?jiǎng)P利，模仿鱒魚和山鷸的紡錘形，找到阻力小的流線型結(jié)構(gòu)。凱利還模仿鳥翅設(shè)計(jì)了一種機(jī)翼曲線，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，法國生理學(xué)家馬雷，對(duì)鳥的飛行進(jìn)行了仔細(xì)的研究，在他的著作《動(dòng)物的機(jī)器》一書中，介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關(guān)系。德國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(duì)鳥類飛行器官的詳細(xì)研究和認(rèn)真的模仿，根據(jù)鳥類飛行機(jī)構(gòu)的原理，終于制造了能夠載人飛行的滑翔機(jī)。 后來，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(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(yuǎn)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(dāng)嗅覺的呢? 原來，蒼蠅的“鼻子”——嗅覺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神經(jīng)上，將引導(dǎo)出來的神經(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(zhuǎn)變成可見光，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、軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物、昆蟲和魚類等，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(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。螢火蟲的發(fā)光，實(shí)質(zhì)上是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成光能的過程。 早在40年代，人們根據(jù)對(duì)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(xué)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(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,可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當(dāng)閃光燈。由于這種光沒有電源，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。 電魚與伏特電池 自然界中有許多生物都能產(chǎn)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(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)說它能擊斃像馬那樣的大動(dòng)物。 電魚放電的奧秘究竟在哪里?經(jīng)過對(duì)電魚的解剖研究， 終于發(fā)現(xiàn)在電魚體內(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的半透明的盤形細(xì)胞構(gòu)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(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(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(dòng)力問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?！鄙锏男袨榕c天氣的變化有一定關(guān)系。沿海漁民都知道，生活在沿岸的魚和水母成批地游向大海，就預(yù)示著風(fēng)暴即將來臨。 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)暴來臨前，它就游向大海避難去了。 原來，在藍(lán)色的海洋上，由空氣和波浪摩擦而產(chǎn)生的次聲波 (頻率為每秒8—13次)，總是風(fēng)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(xué)家發(fā)現(xiàn)，水母的耳朵的共振腔里長著一個(gè)細(xì)柄，柄上有個(gè)小球，球內(nèi)有塊小小的聽石，當(dāng)風(fēng)暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時(shí)，聽石就剌激球壁上的神經(jīng)感受器，于是水母就聽到了正在來臨的風(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。