蒼蠅與宇宙飛船

1、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”一一嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上。9每個鼻子”只有一個鼻孔”與外界相通，內(nèi)含上百個嗅覺神經(jīng)細胞。若有氣味進入鼻孔”,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)蒼蠅嗅覺器官的結(jié)構(gòu)

2、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，便能發(fā)出警報。這種儀器已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內(nèi)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(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

3、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(chǎn)生熱，所以又被稱為迤鼻”在眾多的發(fā)光動物中，螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1500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。10科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，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(zhì)。在熒光酶的作用下，熒光

4、素在細胞內(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（三磷酸腺甘）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，不會產(chǎn)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?，F(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

5、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。放電能力最強的是電解、電繪和電鰻。中等大小的電解能產(chǎn)生70伏左右白電壓，而非洲電解能產(chǎn)生的電壓高達220伏；非洲電電t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I電鰻竟能產(chǎn)生高達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物。電魚放電的奧秘究竟在哪里？經(jīng)過對電魚的解剖研究，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；電解的發(fā)電器

6、形似扁平的腎臟，排列在身體中線兩側(cè)，共有200萬塊電板;電繪的發(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(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)計出世界上最早的伏特電池。因為這種電池是根據(jù)電魚的天然發(fā)電器設(shè)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(fēng)耳在自然界中，水母，早在5億多年前，它們就已經(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？&q

7、uot;人們肯定會問這樣一個問題。因為，水母在風(fēng)暴來臨之前，就會成群結(jié)隊地游向大海，就預(yù)示風(fēng)暴既將來臨。但是，這又與順風(fēng)耳”有什么關(guān)系呢？原來，在藍色的海洋上，由空氣和波浪摩擦而產(chǎn)生的次聲波（頻率為813赫），是風(fēng)暴來臨之前的預(yù)告。這種次聲波，人耳是聽不到的，而對水母來說卻是易如反掌。科學(xué)家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，水母的耳朵里長著一個細柄，柄上有個小球，球內(nèi)有塊小小的聽石?？茖W(xué)家仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計了水母耳風(fēng)暴預(yù)測儀，相當(dāng)精確地模擬了水母感受次聲波的器官。技能訓(xùn)練長頸鹿與宇航員失重現(xiàn)象長頸鹿之所以能將血液通過長長的頸輸送到頭部，是由于長頸鹿的血壓很高。據(jù)測定，長頸鹿的血壓比人白正常血壓高出2倍

8、。這樣高的血壓為什么不會使長頸鹿患腦溢血而死亡呢？這和長頸鹿身體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。首先，長頸鹿血管周圍的肌肉非常發(fā)達，能壓縮血管，控制血流量；同時長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?？茖W(xué)家由此受到啟示，在訓(xùn)練宇航員對，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，以防止宇航員血管周圍肌肉退化；在宇宙飛船升空時，科學(xué)家根據(jù)長頸鹿利用緊繃的皮膚可控制血管壓力的原理，研制了飛行服一一抗荷服”?？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，從而對血管產(chǎn)生一定的壓力，使宇航員的血壓保持正常。同時，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

9、減小宇航員腿部的血壓，利于身體上部的血液向下肢輸送。蛋殼與薄殼建筑蛋殼呈拱形，跨度大，包括許多力學(xué)原理。雖然它只有2mm的厚度，但使用鐵錘敲砸也很難破壞它。建筑學(xué)家模仿它進行了薄殼建筑設(shè)計。這類建筑有許多優(yōu)點：用料少，跨度大，堅固耐用。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)件對于構(gòu)件，在截面面積相同的情況下，把材料盡可能放到遠離中和軸的位置上，是有效的截面形狀。有趣的是，在自然界許多動植物的組織中也體現(xiàn)了這個結(jié)論。例如：疾風(fēng)知勁草”，許多能承受狂風(fēng)的植物的莖部是維管狀結(jié)構(gòu)，其截面是空心的。支持人承重和運動的骨骼，其截面上密實的骨質(zhì)分布在四周，而柔軟的骨髓充滿內(nèi)

10、腔。在建筑結(jié)構(gòu)中常被采用的空心樓板、箱形大梁、工形截面鉞梁以及折板結(jié)構(gòu)、空間薄壁結(jié)構(gòu)等都是根據(jù)這條結(jié)論得來的。-斑馬斑馬生活在非洲大陸，外形與一般的馬沒有什么兩樣，它們身上的條紋是為適應(yīng)生存環(huán)境而衍化出來的保護色。在所有斑馬中，細斑馬長得最大最美。它的肩高140-160厘米，耳朵又圓又大，條紋細密且多。斑馬常與草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鴕鳥等共外，以抵御天敵。人類將斑馬條紋應(yīng)用到軍事上是一個是很成功仿生學(xué)例子。昆蟲與仿生昆蟲個體小，種類和數(shù)量龐大，占現(xiàn)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(xué)方面的任何

11、成就，都來自生物的某種特性，本文簡要介紹昆蟲與仿生學(xué)。（右為家蠅的眼睛）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?？茖W(xué)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(biāo)和其他防御設(shè)施。蘇聯(lián)昆蟲學(xué)家施萬維奇根據(jù)當(dāng)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(xiàn)的道理，在軍事設(shè)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(chǔ)。根據(jù)同樣的原理，后來人們還生產(chǎn)出了迷彩服，大大減少

12、了戰(zhàn)斗中的傷亡。11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?？茖W(xué)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(diào)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(zhuǎn)動位置安裝有對溫度敏感的金屬絲，隨溫度變化可調(diào)節(jié)窗的開合，從而保持了人造衛(wèi)星內(nèi)部溫度的恒定，解決了航天事業(yè)中的一大難題。甲蟲與仿生氣步甲炮蟲自衛(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(xué)家將其解剖后發(fā)現(xiàn)甲蟲體內(nèi)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

13、酶混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瞬間就成為100c的毒液，并迅速射出。這種原理目前已應(yīng)用于軍事技術(shù)中。二戰(zhàn)期間，德國納粹為了戰(zhàn)爭的需要，據(jù)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(dǎo)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(chǎn)生毒劑的化學(xué)物質(zhì)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810秒內(nèi)混合并發(fā)生反應(yīng)，在到達目標(biāo)的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人。它們易于生產(chǎn)、儲存、運輸，安全且不易失效。螢火蟲可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成光能，且轉(zhuǎn)化效率達100%

14、,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(jù)甲蟲的視動反應(yīng)機制研制成功的空對地速度計已成功地應(yīng)用于航空事業(yè)中。蜻蜓與仿生蜻蜒通過翅膀振動可產(chǎn)生不同于周圍大氣的局部不穩(wěn)定氣流，井利用氣流產(chǎn)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(cè)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?？茖W(xué)家據(jù)此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)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

15、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。蒼蠅與仿生昆蟲學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，蒼蠅的后翅退化成一對平衡棒。當(dāng)它飛行時，平衡棒以一定的頻率進行機械振動，可以調(diào)節(jié)翅膀的運動方向，是保持蒼蠅身體平衡的導(dǎo)航儀?？茖W(xué)家據(jù)此原理研制成一代新型導(dǎo)航儀一一振動陀螺儀，大大改進了飛機的飛行性能LlJ,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(fù)平衡，即使是飛機在最復(fù)雜的急轉(zhuǎn)彎時也萬無一失。蒼蠅的復(fù)眼包含4000個可獨立成像的單眼，能看清幾乎360。范圍內(nèi)的物體。在蠅眼的啟示下，人們制成了由1329塊小透鏡組成白一次可拍1329張高分辨率照片的蠅眼照像機，在軍事、醫(yī)學(xué)、航空、航

16、天上被廣泛應(yīng)用。蒼蠅的嗅覺特別靈敏并能對數(shù)十種氣味進行快速分析且可立即作出反應(yīng)。科學(xué)家根據(jù)蒼蠅嗅覺器官的結(jié)構(gòu)，把各種化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)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(yīng)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(chǎn)的安全系數(shù)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(jié)構(gòu)與近代數(shù)學(xué)家精確計算出來的一一菱形鈍角109。28,銳角70。32'完全相同，是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，且容量大、極堅固，令許多專家贊嘆不止。人們仿其構(gòu)造用各種材料制成蜂巢式夾層結(jié)構(gòu)板，強度大、重量輕、不易傳導(dǎo)聲和熱，是建筑及制

17、造航天飛機、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料。蜜蜂復(fù)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?？茖W(xué)家據(jù)此原理研制成功了偏振光導(dǎo)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(lǐng)十分高強，航空專家對此進行了。生物學(xué)家通過對蛛絲的研究制造出高級絲線，抗撕斷裂降落傘與臨時吊橋用的高強度纜索。船和潛艇來自人們對魚類和海豚的模仿。響尾蛇導(dǎo)彈等就是科學(xué)家模仿蛇的熱眼”功能和其舌上排列著一種似照相機裝置的天然紅外線感知能力的原理，研制開發(fā)出來的現(xiàn)代化武器?；鸺绽玫氖撬浮⒛~反沖原理。科研人員通過研究變色龍的變色本領(lǐng)，為部隊研制出了不少軍事偽裝裝備?？茖W(xué)家研究青

18、蛙的眼睛，發(fā)明了電子蛙眼。白蟻不僅使用膠粘劑建筑它們的土堆，還可以通過頭部的小管向敵人噴射膠粘劑。于是人們按照同樣的原理制造了工作的武器一一快干膠炮彈。美國空軍通過毒蛇的熱眼”功能，研究開發(fā)出了微型熱傳感器。我國紡織科技人員利用仿生學(xué)原理，借鑒陸地動物的皮毛結(jié)構(gòu)，設(shè)計出一種KEG保溫面料，并具有防風(fēng)和導(dǎo)濕的功能。根據(jù)響尾蛇的頰窩能感覺到0.001C的溫度變化的原理，人類發(fā)明了跟蹤追擊的響尾蛇導(dǎo)彈。人類還利用蛙跳的原理設(shè)計了蛤蟆夯。人類模仿警犬的高靈敏嗅覺制成了用于偵緝的電子警犬科學(xué)家根據(jù)野豬的鼻子測毒的奇特本領(lǐng)制成了世界上第一批防毒面具。仿生學(xué)是人類一直使用的方法，如模仿海豚皮而構(gòu)造的海豚皮游

19、泳衣”、科學(xué)家研究鯨魚的皮膚時，發(fā)現(xiàn)其上有溝漕的結(jié)構(gòu)，于是有個科學(xué)家就依照鯨魚皮構(gòu)造，造成一個薄膜蒙在飛機的表面，據(jù)實驗可節(jié)約能源3%,若全國的飛機都蒙上這樣的表面，每年可節(jié)約幾十億。又如有科學(xué)家研究蜘蛛，發(fā)現(xiàn)蜘蛛的腿上沒有肌肉，有腳的動物會走，主要是靠肌肉的收縮，現(xiàn)在蜘蛛沒有肌肉為什么會走路？經(jīng)研究蜘蛛不是靠肌肉的收縮進行走路的，而是靠其中的液壓”的結(jié)構(gòu)進行走路，據(jù)此人們發(fā)明了液壓步行機總之，從自然界得到啟迪俄仿其結(jié)構(gòu)進行發(fā)明創(chuàng)造.這就是仿生學(xué).這是我們向自然界學(xué)習(xí)的一個方面。附（仿生學(xué)現(xiàn)象簡表）：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，用來檢測艙內(nèi)氣體的成分。2 .從螢火蟲到人工冷光；3 .電魚與伏特電池；4 .水母的順風(fēng)耳，仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計了水母耳風(fēng)暴預(yù)測儀，能提前15小時對風(fēng)暴作出預(yù)報，對航海和漁業(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，準確無誤地識別出特定形狀的物體。把電子蛙眼裝入雷達系統(tǒng)后，雷達抗干擾能力大大提高。這種雷達系統(tǒng)能快速而準確地識別出特定形狀的飛機、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)用在機場及交通要道上。在機場，它能監(jiān)