仿生学

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。

仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。

从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。

仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是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。

仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学。

仿生学人类仿生学起源自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。

种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展。

劳动创造了人类。

人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，在长期的生产实践中，促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。

因此，人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。

人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而在自然界里获得更大自由。

人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领。

鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。

相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。

通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。

这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。

鸟儿展翅可在空中自由飞翔。

据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。

然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。

早在四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。

设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试，可以认为是人类仿生学的先驱，也是仿生学的萌芽。

仿生学的例子苍蝇与宇宙飞船苍蝇为人类做出了的伟大的贡献。

令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。

苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。

苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。

但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。

引每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。

若有气味进入“鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。

大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。

因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。

仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能，仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。

这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。

就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。

这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。

这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。

利用这种原理，还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。

另外苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是个“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，实现了自动驾驶。

蝙蝠与雷达?蝙蝠会释放出一种超声波，这种声波遇见物体时就会反弹回来，而人类听不见。

雷达就是根据蝙蝠的这种特性发明出来的。

现在在各种地方都会用到雷达。

从萤火虫到人工冷光电鱼与伏特电池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。

中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压，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,据说它能击毙像马那样的大动物。

电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究，终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。

这些发电器官是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的。

由于电鱼的种类不同，所以发电器的形状、位置、电板数都不一样。

电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的发电器形似扁平的肾脏，排列在身体中线两侧，共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体，位于皮肤与肌肉之间,约有500万块电板。

单个电板产生的电压很微弱，但由于电板很多，产生的电压就很大了。

电鱼这种非凡的本领，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特电池。

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。

水母的顺风耳在自然界中，水母，早在５亿多年前，它们就已经在海水里生活了。

“但是，水母跟顺风耳又有什么关系呢？”人们肯定会问这样一个问题。

因为，水母在风暴来临之前，就会成群结队地游向大海，就预示风暴即将来临。

但是，这又与“顺风耳”有什么关系呢？原来，在蓝色的海洋上，由空气和波浪摩擦而产生的次声波（频率为８～１３赫兹），是风暴来临之前的预告。

这种次声波，人耳是听不到的，而对水母来说却是易如反掌。

科学家经过研究发现，水母的耳朵里长着一个细柄，柄上有个小球，球内有块小小的听石。

科学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。

蛋壳与薄壳建筑蛋壳呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。

虽然它只有2 mm的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它。

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则像一组泊港的群帆。

结构构件对于构件，在截面面积相同的情况下，把材料尽可能放到远离中和轴的位置上，是有效的截面形状。

有趣的是，在自然界许多动植物的组织中也体现了这个结论。

例如：“疾风知劲草”，许多能承受狂风的植物的茎部是维管状结构，其截面是空心的。

支持人承重和运动的骨骼，其截面上密实的骨质分布在四周，而柔软的骨髓充满内腔。

在建筑结构中常被采用的空心楼板、箱形大梁、工形截面钣梁以及折板结构、空间薄壁结构等都是根据这条结论得来的。

斑马斑马生活在非洲大陆，外形与一般的马没有什么两样，它们身上的条纹是为适应生存环境而衍化出来的保护色。

在所有斑马中，细斑马长得最大最美。

它的肩高140-160厘米，耳朵又圆又大，条纹细密且多。

斑马常与草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鸵鸟等共外，以抵御天敌。

人类将斑马条纹应用到军事上是一个是很成功仿生学例子。

昆虫与仿生昆虫个体小，种类和数量庞大，占现存动物的75％以上，遍布全世界。

它们有各自的生存绝技，有些技能连人类也自叹不如。

人们对自然资源的利用范围越来越广泛，特别是仿生学方面的任何成就，都来自生物的某种特性，本文简要介绍昆虫与仿生学。

（右为家蝇的眼睛）蝴蝶与仿生蝴蝶与仿生五彩的蝴蝶锦色粲然，如重月纹凤蝶，褐脉金斑蝶等，尤其是萤光翼凤蝶，其后翅在阳光下时而金黄，时而翠绿，有时还由紫变蓝。

科学家通过对蝴蝶色彩的研究，为军事防御带来了极大的裨益。

在二战期间，德军包围了列宁格勒，企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。

苏联昆虫学家施万维奇根据当时人们对伪装缺乏认识的情况，提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发现的道理，在军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装。

因此，尽管德军费尽心机，但列宁格勒的军事基地仍安然无惹，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。

根据同样的原理，后来人们还生产出了迷彩服，大大减少了战斗中的伤亡。

人造卫星在太空中由于位置的不断变化可引起温度骤然变化，有时温差可高达两、三百度，严重影响许多仪器的正常工作。

科学家们受蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变换角度而调节体温的启发，将人造卫星的控温系统制成了叶片正反两面辐射、散热能力相差很大的百叶窗样式，在每扇窗的转动位置安装有对温度敏感的金属丝，随温度变化可调节窗的开合，从而保持了人造卫星内部温度的恒定，解决了航天事业中的一大难题。

甲虫与仿生气步甲炮虫自卫时，可喷射出具有恶臭的高温液体“炮弹”，以迷惑、刺激和惊吓敌害。

科学家将其解剖后发现甲虫体内有3个小室，分别储有二元酚溶液、双氧水和生物酶。

二元酚和双氧水流到第三小室与生物酶混合发生化学反应，瞬间就成为100℃的毒液，并迅速射出。

这种原理目前已应用于军事技术中。

二战期间，德国纳粹为了战争的需要，据此机理制造出了一种功率极大且性能安全可靠的新型发动机，安装在飞航式导弹上，使之飞行速度加快，安全稳定，命中率提高，英国伦敦在受其轰炸时损失惨重。

美国军事专家受甲虫喷射原理的启发研制出了先进的二元化武器。

这种武器将两种或多种能产生毒剂的化学物质分装在两个隔开的容器中，炮弹发射后隔膜破裂，两种毒剂中间体在弹体飞行的8—10秒内混合并发生反应，在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌人。

它们易于生产、储存、运输，安全且不易失效。

萤火虫可将化学能直接转变成光能，且转化效率达100%，而普通电灯的发光效率只有6%。

人们模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源可将发光效率提高十几倍，大大节约了能量。

另外，根据甲虫的视动反应机制研制成功的空对地速度计已成功地应用于航空事业中。

蜻蜓与仿生学蜻蜒通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流，井利用气流产生的涡流来使自己上升。

蜻蜒能在很小的推力下翱翔，不但可向前飞行，还能向后和左右两侧飞行，其向前飞行速度可达72km/小时。

此外，蜻蜒的飞行行为简单，仅靠两对翅膀不停地拍打。

科学家据此结构基础研制成功了直升飞机。

飞机在高速飞行时，常会引起剧烈振动，甚至有时会折断机翼而引起飞机失事。

蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飞行时安然无恙，于是人们仿效蜻蜒在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题。

苍蝇与仿生昆虫学家研究发现，苍蝇的后翅退化成一对平衡棒。

当它飞行时，平衡棒以一定的频率进行机械振动，可以调节翅膀的运动方向，是保持苍蝇身体平衡的导航仪。

科学家据此原理研制成一代新型导航仪——振动陀螺仪，大大改进了飞机的飞行性能LlJ，可使飞机自动停止危险的滚翻飞行，在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡，即使是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失。

苍蝇的复眼包含4000个可独立成像的单眼，能看清几乎360。