登陆注册
6000200000011

第11章 仿生技术

仿生技术是通过研究生物系统的结构和性质,以此来为工程技术提供新的设计思潜水艇利用仿生学借鉴了鱼鳔充气排气的原理,完美的实现了潜水艇的上浮和下沉想及工作原理的科学。仿生技术一词bionics是1960年由美国科学家斯蒂尔根据拉丁文“bios”(生命方式)和字尾“nic”(具有……的性质)构成的。

仿生技术的问世开辟了独特的技术发展道路,也就是人类向生物界索取蓝图的道路,它大大开阔了人们的眼界,显示了极强的生命力。仿生技术的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的,最接近于生物系统的技术系统,为人类造福。

生物自身具有的功能比迄今为止任何人工制造的机械都优越得多,而仿生技术,就是要在工程上实现并有效地应用生物的功能。在信息接受(感觉功能)、信息传递(神经功能)、自动控制系统等方面,生物体的结构与功能在机械设计方面都给予了人们很大启发。

生物学的研究可以说明,生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制,生物所具有的许多卓有成效的本领是人造机器所不可比拟的。人们在技术上遇到的某些难题,生物界早在千百万年前就曾出现,而且在进化过程中就已解决了。在20世纪40年代以前,人们并没有自觉地对生物的功能进行模仿,而走了不少弯路。从20世纪50年代以来,人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一,开始自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。

苍蝇,是细菌的传播者,可是苍蝇的楫翅(又叫平衡棒)是“天然导航仪”,人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上,从而实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”,由3000多只小眼组成,人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的,用它做镜头可以制成“蝇眼照相机”,一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路,大大提高了工效和质量。

模仿苍蝇楫翅设计的螺旋桨,被广泛应用于飞行器材自从人类发明了电灯,生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光,其余大部分都以热能的形式浪费掉了,而且电灯的热射线不利于人眼。为了制造只发光不发热的光源,人类又把目光投向了大自然。在自然界中,有许多生物都能发光,如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等,而且这些动物发出的光都不产生热,所以又被称为“冷光”。在众多的发光动物中,萤火虫是其中的一类。萤火虫发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色,光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率,而且这种冷光一般都很柔和,很适合保护人类的眼睛,光的强度也比较高。因此,生物光是一种人类的理想光。

科学家研究发现,萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成。发光层拥有几千个发光细胞,它们都含有荧光素和荧光酶两种物质。在荧光酶的作用下,荧光素在细胞内水分的参与下,与氧化合成便发出荧光。萤火虫的发光,实质上是把化学能转变成光能的过程。人们根据对萤火虫的研究,创造了日光灯,使人类的照明光源发生了很大变化。近年来,科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素,后来又分离出了荧光酶,接着,又用化学方法人工合成了荧光素。由荧光素和水等物质混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。由于这种光没有电源,不会产生磁场,还可以做清除磁性水雷的工作。

电子蛙眼装入雷达系统后,雷达抗干扰能力大大提高人们根据蛙眼的视觉原理,已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样,准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙服装入雷达系统后,雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹,防止以假乱真。电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场,它能监视飞机的起飞与降落,若发现飞机将要发生碰撞,能及时发出警报。在交通要道,它能指挥车辆的行驶,防止车辆碰撞事故的发生。

仿生学家仿照水母的结构和功能,设计了水母耳风暴预测仪生物许多的行为都与天气的变化有着一定的关系。沿海渔民都知道,生活在沿岸的鱼和水母成批地游向大海,就预示着风暴即将来临。水母,是一种古老的腔肠动物,早在5亿年前,它就漂浮在海洋里了。这种低等动物一直有着预测风暴的本能,每当风暴来临前,它就会游向大海中避难。其中原因在于,由空气和波浪摩擦而产生的次声波,从来都是风暴来临的前奏曲。这种次声波人耳无法听到,而水母对此却很敏感——仿生技术家发现,水母的耳朵的共振腔里长着一个细柄,柄上有个小球,球内有块小小的听石,当风暴前的次声波冲击水母耳中的听石时,听石就刺激球壁上的神经感受器,于是水母就听到了正在来临的风暴的隆隆声。

仿生技术家仿照水母耳朵的结构和功能,设计了水母耳风暴预测仪,相当精确地模拟了水母感受次声波的器官。把这种仪器安装在舰船的前甲板上,当接受到风暴的次声波时,可旋转360°的喇叭会自行停止旋转,它所指的方向,就是风暴前进的方向;指示器上的读数即可告知风暴的强度。这种预测仪能提前15小时对风暴做出预报,对航海和渔业的安全都有重要意义。

“鲨鱼皮”泳衣自然界中有许多生物都能产生电,仅仅是鱼类就有500余种。人们将这些能放电的鱼,统称为“电鱼”。各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压,称得上“电击冠军”,它甚至能击毙像马那样的大动物。

科学家们通过对电鱼的解剖研究,发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许多叫做“电板”或“电盘”的半透明盘形细胞构成的。电鱼这种非凡的发电本领,引起了人们极大的兴趣。19世纪初,意大利物理学家伏特,以电鱼发电器官为模型,设计出世界上最早的伏打电池。因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。对电鱼的研究,还给人们这样的启示:如果能成功地模仿电鱼的发电器官,那么,船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。

专业泳衣制造商SPEEDO公司推出的第四代鲨鱼皮泳衣一经推出便极度风光:美国“飞鱼”菲尔普斯在2008年奥运会上获得8枚金牌,名将霍夫创造了女子400米混合泳的纪录……自投入市场以来,身着第四代鲨鱼皮的选手已接连刷新了40多项游泳世界纪录。这款泳衣之所以叫做“鲨鱼皮”,是因为它的核心在于模仿鲨鱼的皮肤。鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力,使鲨鱼得以快速游动。“鲨鱼皮”泳衣的超伸展纤维表面便是完全仿造鲨鱼皮肤表面而制成的。这款泳衣还融合了仿生技术原理,在接缝处模仿人类的肌腱,为运动员向后划水提供动力。

科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤控制血管压的原理,研制了宇航飞行服——“抗荷服”。

长颈鹿之所以能将血液通过长长的颈输送到头部,是由于长颈鹿的血压很高。据测定,长颈鹿的血压比人的正常血压高出2倍。这样高的血压却没有使长颈鹿出现脑溢血——这与长颈鹿身体的结构有关。首先,长颈鹿血管周围的肌肉非常发达,能压缩血管,控制血流量;同时长颈鹿腿部及全身的皮肤和筋膜绷得很紧,利于下肢的血液向上回流。科学家由此受到启示,在训练宇航员时,设置一种特殊器械,让宇航员利用这种器械每天锻炼几小时,以防止宇航员血管周围肌肉退化;在宇宙飞船升空时,科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤控制血管压力的原理,研制了宇航飞行服——“抗荷服”。抗荷服上安装有充气装置,随着飞船速度的增高,抗荷服可以充入一定量的气体,从而对血管产生一定的压力,使宇航员的血压保持正常。同时,宇航员腹部以下部位是套入抽去空气的密封装置中的,这样可以减小宇航员腿部的血压,利于身体上部的血液向下肢输送。

根据蝙蝠超声定位器的原理,人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器,盲人带着它可以发现电线杆、台阶、路上的行人等。如今,有类似作用的“超声眼镜”也已制成。

悉尼歌剧院

龟壳的背甲呈拱形,跨度大,其中包括了许多力学原理。虽然它只有2厘米的厚度,但铁锤敲砸都很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点:用料少,跨度大,坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形,举世闻名的悉尼歌剧院就像一组停泊在港口的群帆。

随着仿生技术的发展,科学家已经能够利用模仿人体组织的仿生材料,来代替人体器官的功能,解决各种医学难题。

大脑的结构非常复杂,大脑部分替换不像替换四肢那样简单。美国南加州大学教授伯格发明了一种仿生材料制作的电脑芯片,这种电脑芯片能够取代海马(大脑内控制短时记忆和空间感的区域)。如老年痴呆或中风等病症,这种芯片的植入可以帮助病人的大脑维持一定的正常功能。

有时候,当人们需要把药物准确无误地传到身体的某个部位时,一颗药丸或是一次注射都不能达到理想的效果。美国宾州大学生物工程教授丹尼尔·哈姆找到了一种更好的方法:人造细胞。它由仿生材料制作而成,能模仿白细胞自由地在身体内流动。这些假细胞能够准确无误地把药物送到它应该到达的部位。可以说,在假细胞的帮助下,某些疾病的治疗更容易、更安全了,其中也包括对癌症的治疗。

对于肾功能失效的人来说,基本的生活需求,例如,血液排毒和保持体内液体平衡,都需要数小时与透析机的连接来维持。科学家马丁·罗伯特和大卫·李设计了一种轻便的人造肾,尽管它的尺寸很小,但它却是自动化的、可穿戴的人造肾。人造肾不仅很小很轻,足以放置在身体的肾部位置,同时还可以帮助人体恢复肾功能。它的实际功能要强于传统的透析,因为它可以全天24小时正常使用——这和真正的肾没有什么区别。

同类推荐
  • 基因和转基因

    基因和转基因

    在通常的二倍体的细胞或个体中,能维持配子或配子体正常功能的最低数目的一套染色体称为染色体组或基因组,一个基因组中包含一整套基因。相应的全部细胞质基因构成一个细胞质基因组,其中包括线粒体基因组和叶绿体基因组等。原核生物的基因组是一个单纯的DNA分子,因此又称为基因带,通常也称为它的染色体。
  • 物理中的奥秘

    物理中的奥秘

    《物理中的奥秘》是一本专门为青少年编写的物理科普读物,它以一个个新鲜生动、引人入胜的物理故事,如冰箱为何会爆炸、他能推动地球吗、他抓住了飞行的子弹、金属也有记忆力、水能削铁如泥吗……在讲故事的同时,讲述一些物理原理和物理知识,寓教于乐,读起来津津有味,从而提高青少年读者对物理科学的兴趣,为青少年打开一扇扇科学的窗口,在阅读故事中满足青少年的好奇心。本书可供初中以上文化程度的青少年读者阅读使用,也可供一般读者使用。
  • 2012神秘的玛雅末日预言

    2012神秘的玛雅末日预言

    侵袭中国的大暴雪、南部大水、汶川地震,印度。墨西哥大旱,希腊与加州大火,印尼大地震,非洲粮食危机,日益肆虐的H1N1、飞机事故频发、 金融海啸……不断频发的灾难预示着什么?都与2012息息相关? 中国推背图预言:2012年将是“乾坤再造”之时!科学预测:2012,地球磁极大逆转,再现恐龙灭亡年代!星相学说:2012,大十字,日月相冲,流血与死亡同在! 太阳系开始崩溃,地球偏离轨道,月球撞击地球,海啸淹没大地,冰霜冻结森林,天空降下火雨,荒漠变成深渊。这是一本最接近玛雅真相的解密之书。 《2012神秘的玛雅末日预言》是一部关于玛雅预言最完整、最深入、最 接近真相的揭秘之书!
  • 破译神奇地理之谜(破译奥秘大世界丛书)

    破译神奇地理之谜(破译奥秘大世界丛书)

    神奇的地球地球曾有过光环吗人类觉察到太阳系行星上的光环,可能是300年以前的事。17世纪,科学家伽利略首先从天文望远镜里看到土星周围闪耀着一条明亮的光环。后来,人们又用天文望远镜观察了太阳系的其他行星,数百年过去了,也没有听说它们周围出现光环。
  • 科学博物馆

    科学博物馆

    台湾国立自然科学博物馆位于馆前路,健行路、西屯路、三中路交会处,是国内第一座科学博物馆,属十二项建设“文化建设”之一,占地广大。全馆拥有最现代化的科学设备,规模可与其他先进国家比美。馆内可分科学中心、太空剧场、立体剧场、资讯大楼、生命科学厅、中国科学厅、地球环境厅等建筑,馆内的陈设结合科学资讯与声光效果,达到寓教于乐的效果。太空剧场是一个内部倾斜30度的半球体空间,全天候影片放映,身历其境的感受,是最受游客欢迎的项目之一。
热门推荐
  • 碎了一地的节操

    碎了一地的节操

    由于一些某某的事故,使在重点中学的郑宝不得不转校。但是,转到该校时,却因防卫系统而得到奇异能力,可是,一场在青少年的大战中从此展开....(小弟第一次出书,有错出请见谅希望大家多多欣赏)
  • 二战之军功系统

    二战之军功系统

    穿越者的使命就是改变历史。从热带丛林的单兵突刺,北国雪原的装甲对决,到太平洋海底的幽灵绞杀,在李远白的眼里没有善恶只有生死。对于那些资源富集之地,不说“自古以来……”,只看此刻、现在、流血、战斗!从来,只有胜者王侯!
  • 最强人类传奇

    最强人类传奇

    一名初二的宅男,来到魔兽的世界。整个世界‘就只有他一个人类。在这个充满凶险的未知世界,看少年如何创造最强人类传奇。
  • 极品美女军团

    极品美女军团

    苦等八年却换来初恋的背叛,醉生梦死间,却扑倒了一对姐妹花,看着洁白床单上绽放的红梅,秦云傻眼了。“我会负责的!”“我们两姐妹,你要对谁负责?”
  • 重生西游之天地无极

    重生西游之天地无极

    我是大千世界一只普通的小鸟,却蕴含着非凡的血脉之力…我是地球上的一个普通大学生,却意外的穿越到西游世界…我坚信自己绝不平凡,不做普通的小鸟,不做懦弱的莫成,只因神秘系统的伴身,三千世界,无边大能,谁又怕谁?我就是我,我是莫成,我不是一只简单的小鸟…
  • 九天上圣秘传金符经

    九天上圣秘传金符经

    本书为公版书,为不受著作权法限制的作家、艺术家及其它人士发布的作品,供广大读者阅读交流。
  • 鬼王独宠:腹黑狂妃

    鬼王独宠:腹黑狂妃

    却她是杀手,他是鬼王他们本井水不犯河水,在一次抢了他的钱包,里面的东西。她斗婊砸,收鬼王等,她都不在话下。
  • 桃树上的女人

    桃树上的女人

    一个土生土长的八零后文艺女青年,有着怎样鲜为人知的成长故事,看作者原生态的野蛮生长吧······
  • 绝色老板爱上小保安

    绝色老板爱上小保安

    雇佣兵王陈扬回归都市,只为保护战友的女神妹妹。繁华都市里,陈扬如鱼得水,逍遥自在。然而,是龙终归要翱翔于天,陈扬为了保护美女总裁妹妹,无意中得罪了少林俗家弟子这个恐怖的集团。他要用铁拳,更要用智慧来化解这一桩桩麻烦。且看一代兵王如何用铁拳和智慧打下一片商业帝国……
  • 星际老公:一世荣宠

    星际老公:一世荣宠

    公元2666年,全球资源被人类消耗殆尽,这导致他们无法在地球上再生存下去。太空中其他星球不欢迎他们的迁徙,于是人类的居所从陆地迁徙到了海洋。就这样过了三百年后,深海中已遍布人类的踪迹。她苏暖自小便是深海中首最受宠爱的小女儿,可这样的日子因为他的出现而就此打破。深海中生存的人类早已不适应陆地的生存,可某一天,来自艾斐克星系的一支军队对他们进行驱逐。艾菲克的军队拥有许多高科技的武器,这使得深海中的人类无法反抗。苏暖逃亡到了深渊,在那里她发现了一枚古老的戒指。这枚戒指里拥有的东西强大到,另苏暖自己都不敢相信。且看苏暖如何将艾斐克人打败!“你就是艾菲克的王?臣服于我,还是死?”她的嗓音中充满着邪魅。