揭秘14大仿生发明
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
模仿蝙蝠声波导航功能的 声波手杖
众所周知，蝙蝠可以在漆黑的 空间里利用超声回声自由飞行，超 声回声可以帮助它们定位障碍物的 位置。声波手杖就是模仿了蝙蝠的 声波导航功能，它可以警告盲人路 上遇到的障碍物。每一根声波手杖 上都拥有无数的传感器，甚至可以 帮助盲人发现比头部还要高的障碍 物。
仿生人类耳朵的无线电芯片
源自猫大脑的仿生计算机
近年来，计算机技术已经取得 了重大进展，但是即使再强大的超 级计算机也无法像猫那样能够识别 出人类的面部。密歇根大学科学家 决定通过研究猫的大脑以便于研制 出一台智能计算机。现有的计算机 以线性模式执行代码，而哺乳动物 的大脑则完全相反，它们可以同时 处理许多事务。科学家正在研制一 种电路元件，这种设备可以像仿生 神经键一样处理事务。它可以记住 通过的电压数，这与动物大脑中的 记忆和学习功能相似。密歇根大学 计算机工程师卢韦认为，这种创意 比仿生人类大脑更具有现实意义。
人类眼睛与宽视野相机
人类眼睛的曲面比任何相机 都拥有更宽的视野。对于工程师们 来说，挑战在于如何将微电子元件 安装到一个曲面上，同时又要保护 不损坏它们。美国西北大学科学家 黄永刚和伊利诺斯大学科学家约 翰·罗杰斯发明了一种曲形相机，这 部相机与人类眼睛的大小、形状和 原理都几乎一样。科学家们同时研 制了一种类似网丝一样的材料，将 电子元件固定于曲面之上。这一技 术将摄影技术推向一个新高度，新 型相机将使得镜头中的全部场景更 清晰，而不像现有的相机所拍摄的 照片那样中心清晰而两旁景物较为 模糊。此外，该技术还有可能推动未 来人造视网膜和仿生眼睛的研制。
东方知更鸟羽毛与新一代 光学材料
雄性东方知更鸟拥有靓丽颜色 的羽毛。不过，与自然界其他大多 数颜色不同，雄性东方知更鸟羽毛 上的颜色并不是由色素形成的。这 是由一种类似于啤酒泡沫组合方式 的纳米结构产生的蓝色阴影。不同 的物质在变得不稳定并开始相互分 离时，就会产生一种“相位分离” 现象。从本质上讲，这些颜色的形 成过程与“相位分离”的方式是一 样的。随着羽毛的生长，羽毛中的 颜色生成结构会像活细胞中的水泡 一样生长。这些复杂的光学结构在 显微镜下看起来像是充满气泡的海 绵，它们可以用来研制新一代光学 材料。
以通过气囊的压缩和充气进行扩展 和收缩。
源自蝙蝠的太阳能侦察机
蝙蝠竟然也可以成为侦察设 备的创意源泉。美国军方慷慨解囊 1000万美元，资助密歇根大学工程 学院研制蝙蝠型太阳能自动侦察 机。这款自动侦察机长约15厘米， 拥有一个透明的头部，其中装有一 个太阳能电池板，它还拥有一对像 蝙蝠翅膀一样的飞行翼。仅仅依靠 1瓦特的能量就能飞行，其中的相 机就可以搜集大量的侦察数据。
模仿大象鼻子的机器人手 臂
机器人总是受到当时计算机发 展水平的限制。不过，随着计算机 技术的持续发展，它们可以为机器 人的动作提供越来越复杂的计算。 下面这种设计或许可以让机器人拥 有更灵活、更柔韧的动作。一个根 据大象鼻子的特点设计出来的新型 仿生机器处理系统——“仿生操作 助手”。它是由德国工程公司费斯 托公司研制，可以平稳地搬运重负 载，其原理在于它的每一节椎骨可
壁虎眼睛与未来隐形眼镜
壁虎的足垫并不是让工程师们 获得发明灵感的唯一器官。科学家 们发现，壁虎的眼睛中拥有一系列 截然不同的中心区，这使得它们能 够在夜间看清颜色。这种能力很少 在其他动物身上发现。这些区域分 别拥有不同的折射率，这使得壁虎 的眼睛成为一个多焦点光学系统， 不同波段的光线可以 同时聚焦于视网膜 上。因此，壁虎眼睛 的灵敏度比人类的眼 睛高出350倍，它们可 以聚焦不同距离的各 种物体。根据这一发 现，科学家们可以研 制更高效的相机，甚 至可能研制出多焦点 隐形眼镜。
根据鸟类头骨研制出筑 材料
为了设计出一种高效的仿生 材料，建筑师安德列斯·哈里斯曾 经专门研究过动物的骨骼，尤其是 鸟类的头骨。哈里斯说：“一般说 来，头骨拥有强大的防撞击结构， 同时它们也非常轻，可以对其中最 重要的动物器官进行有效的保护。 这种物理特性可以应用于建筑结构 的设计上。”哈里斯在一个大型帐 蓬上测试过这种材料，他认为这种
设计也可以应用于汽车上。
子弹头列车设计灵感来自 翠鸟的喙
翠鸟从空中一头扎入水中，不 会溅起任何水花，这主要归功于它 那特殊形状的喙。日本工程师们意 识到，同样的形状可以解决日本超 高速子弹头列车所面临的一个烦人 问题。此前，这种列车在驶离隧道 时会产生音爆现象。列车在高速行 驶中，前部“鼻子”形成的风墙不 仅仅会产生巨大的噪音，而且还会 减慢列车的速度。而根据翠鸟喙部 形状设计的新型列车“鼻子”可以 消除这些问题，可以帮助列车能效 提高20%。
人类牙齿结构与航空科技
人类牙齿的强度只和玻璃差不 多，但为什么它们能够在几十年中 经受各种坚硬食物的磨砺？以色列 特拉维夫大学研究人员对数千颗人 类牙齿进行了深入研究并发现，在 压力下牙齿的外层拥有一种特殊的 结构，这种结构形成了一个微裂纹 网络，而不会产生巨大的裂缝。一 段时间后，这些微细的裂纹又可以 自动愈合。如果工程师们能够在某 种合成材料中找到这种不稳定的多 层结构，并以某种方式进行复制， 就可以研制出一种更轻、抗撞击能 力更强的航空材料。当然，这种自 愈合的过程可能需要很长时间才可 以实现。
科学探索 KE XUE TAN SUO
揭秘
14大仿生发明
◎彬 彬
大自然是人类赖以生存的母 体，人类的发展进步离不开大自然 的庇护。在科学领域同样如此。科 学家和工程师们的很多发明创造都 是从大自然中获得灵感，比如能够 像鸟类和蝙蝠一样在天空中振翅飞 翔的侦察相机，拥有壁虎足垫一样 粘附功能的机器人可以在垂直的光 滑墙壁上攀爬等。以下14种仿生发 明技术的创新灵感都来源于大自然 的动物和人类身上，充分体现了大 自然的神奇力量。
模仿鸟类的微型飞机
当你发现自己的房子上空出 现一个小型的飞行物时，不要以为 它肯定是普通鸟类或蝙蝠，它也有 可能是一架微型飞机。这架名为 “RoboSwift”的微型飞机由荷兰 代尔夫特理工大学研制，它是根据 雨燕的生物学特征设计的。众所周 知，雨燕是一类飞行速度极快的鸟 类。在“RoboSwift”微型飞机上 装上侦察相机，可以用来研究其他 鸟类，甚至还可以对人类活动进行 侦察。风洞试验发现，它不仅仅可 以像鸟类一样快速飞行，而且还拥 有向后收起羽毛的功能。
模仿壁虎的粘性机器人
如果没有吸盘，机器人如何在 垂直、光滑的物体(如玻璃)表面上 攀爬呢？而使用吸盘速度很慢，效 率很低。美国斯坦福大学机械工程 学教授马克·库特科斯基研制了一 种“粘性机器人”，其设计灵感就 源自壁虎足垫上的小刚毛。壁虎足 垫上长有数以百万计的小刚毛，小 刚毛还拥有细微的分叉尖端，它们 可以与物体表面的分子结合，产生 强大的粘附力。这种粘附力可以帮 助壁虎自由地在垂直、光滑的物体 表面上攀爬。
鹿角结构成为制造超强工 业材料的原理
鹿角为什么会如此坚硬？英国 约克大学科学家也无法确定鹿角的 湿度是否会对其强度产生影响。因 此，科学家们对鹿角进行了对比研 究，对比的标本分别是决斗前的鹿 角和决斗后被切开的鹿角。在决斗
KE XUE TAN SUO 科学探索
前，需要鹿角处于最坚硬的状态。 研究人员发现，在决斗前阶段，鹿 角会变得十分干燥。干燥、坚硬的 材料通常都易碎，很容易折断，但 是鹿角事实上却比人类的骨骼硬 2.4倍。这一发现似乎解决了工程 师们的一个难题：应该可以制造出 一个既硬又干的材料。鹿角的结构 极有可能成为制造超强工业材料的 原理。
129
这种无线电芯片比人类设计的 任何频谱分析仪都要快，而且它几 乎不需要电能。这种技术之所以能
128
够成为现实，就在于它模仿了人类 的耳朵。美国麻省理工学院的研究 人员对耳蜗转换声波的方式进行了 深入研究。声波在内耳中产生机械 波，它可以激发微型毛发电池从而 产生电信号。麻省理工学院研制的 人造耳蜗无线电芯片就是采用了这 种设计原理。这种芯片可以接收手 机、互联网、收音机和电视等多种 信号。
众所周知，蝙蝠可以在漆黑的 空间里利用超声回声自由飞行，超 声回声可以帮助它们定位障碍物的 位置。声波手杖就是模仿了蝙蝠的 声波导航功能，它可以警告盲人路 上遇到的障碍物。每一根声波手杖 上都拥有无数的传感器，甚至可以 帮助盲人发现比头部还要高的障碍 物。
仿生人类耳朵的无线电芯片
源自猫大脑的仿生计算机
近年来，计算机技术已经取得 了重大进展，但是即使再强大的超 级计算机也无法像猫那样能够识别 出人类的面部。密歇根大学科学家 决定通过研究猫的大脑以便于研制 出一台智能计算机。现有的计算机 以线性模式执行代码，而哺乳动物 的大脑则完全相反，它们可以同时 处理许多事务。科学家正在研制一 种电路元件，这种设备可以像仿生 神经键一样处理事务。它可以记住 通过的电压数，这与动物大脑中的 记忆和学习功能相似。密歇根大学 计算机工程师卢韦认为，这种创意 比仿生人类大脑更具有现实意义。
人类眼睛与宽视野相机
人类眼睛的曲面比任何相机 都拥有更宽的视野。对于工程师们 来说，挑战在于如何将微电子元件 安装到一个曲面上，同时又要保护 不损坏它们。美国西北大学科学家 黄永刚和伊利诺斯大学科学家约 翰·罗杰斯发明了一种曲形相机，这 部相机与人类眼睛的大小、形状和 原理都几乎一样。科学家们同时研 制了一种类似网丝一样的材料，将 电子元件固定于曲面之上。这一技 术将摄影技术推向一个新高度，新 型相机将使得镜头中的全部场景更 清晰，而不像现有的相机所拍摄的 照片那样中心清晰而两旁景物较为 模糊。此外，该技术还有可能推动未 来人造视网膜和仿生眼睛的研制。
东方知更鸟羽毛与新一代 光学材料
雄性东方知更鸟拥有靓丽颜色 的羽毛。不过，与自然界其他大多 数颜色不同，雄性东方知更鸟羽毛 上的颜色并不是由色素形成的。这 是由一种类似于啤酒泡沫组合方式 的纳米结构产生的蓝色阴影。不同 的物质在变得不稳定并开始相互分 离时，就会产生一种“相位分离” 现象。从本质上讲，这些颜色的形 成过程与“相位分离”的方式是一 样的。随着羽毛的生长，羽毛中的 颜色生成结构会像活细胞中的水泡 一样生长。这些复杂的光学结构在 显微镜下看起来像是充满气泡的海 绵，它们可以用来研制新一代光学 材料。
以通过气囊的压缩和充气进行扩展 和收缩。
源自蝙蝠的太阳能侦察机
蝙蝠竟然也可以成为侦察设 备的创意源泉。美国军方慷慨解囊 1000万美元，资助密歇根大学工程 学院研制蝙蝠型太阳能自动侦察 机。这款自动侦察机长约15厘米， 拥有一个透明的头部，其中装有一 个太阳能电池板，它还拥有一对像 蝙蝠翅膀一样的飞行翼。仅仅依靠 1瓦特的能量就能飞行，其中的相 机就可以搜集大量的侦察数据。
模仿大象鼻子的机器人手 臂
机器人总是受到当时计算机发 展水平的限制。不过，随着计算机 技术的持续发展，它们可以为机器 人的动作提供越来越复杂的计算。 下面这种设计或许可以让机器人拥 有更灵活、更柔韧的动作。一个根 据大象鼻子的特点设计出来的新型 仿生机器处理系统——“仿生操作 助手”。它是由德国工程公司费斯 托公司研制，可以平稳地搬运重负 载，其原理在于它的每一节椎骨可
壁虎眼睛与未来隐形眼镜
壁虎的足垫并不是让工程师们 获得发明灵感的唯一器官。科学家 们发现，壁虎的眼睛中拥有一系列 截然不同的中心区，这使得它们能 够在夜间看清颜色。这种能力很少 在其他动物身上发现。这些区域分 别拥有不同的折射率，这使得壁虎 的眼睛成为一个多焦点光学系统， 不同波段的光线可以 同时聚焦于视网膜 上。因此，壁虎眼睛 的灵敏度比人类的眼 睛高出350倍，它们可 以聚焦不同距离的各 种物体。根据这一发 现，科学家们可以研 制更高效的相机，甚 至可能研制出多焦点 隐形眼镜。
根据鸟类头骨研制出筑 材料
为了设计出一种高效的仿生 材料，建筑师安德列斯·哈里斯曾 经专门研究过动物的骨骼，尤其是 鸟类的头骨。哈里斯说：“一般说 来，头骨拥有强大的防撞击结构， 同时它们也非常轻，可以对其中最 重要的动物器官进行有效的保护。 这种物理特性可以应用于建筑结构 的设计上。”哈里斯在一个大型帐 蓬上测试过这种材料，他认为这种
设计也可以应用于汽车上。
子弹头列车设计灵感来自 翠鸟的喙
翠鸟从空中一头扎入水中，不 会溅起任何水花，这主要归功于它 那特殊形状的喙。日本工程师们意 识到，同样的形状可以解决日本超 高速子弹头列车所面临的一个烦人 问题。此前，这种列车在驶离隧道 时会产生音爆现象。列车在高速行 驶中，前部“鼻子”形成的风墙不 仅仅会产生巨大的噪音，而且还会 减慢列车的速度。而根据翠鸟喙部 形状设计的新型列车“鼻子”可以 消除这些问题，可以帮助列车能效 提高20%。
人类牙齿结构与航空科技
人类牙齿的强度只和玻璃差不 多，但为什么它们能够在几十年中 经受各种坚硬食物的磨砺？以色列 特拉维夫大学研究人员对数千颗人 类牙齿进行了深入研究并发现，在 压力下牙齿的外层拥有一种特殊的 结构，这种结构形成了一个微裂纹 网络，而不会产生巨大的裂缝。一 段时间后，这些微细的裂纹又可以 自动愈合。如果工程师们能够在某 种合成材料中找到这种不稳定的多 层结构，并以某种方式进行复制， 就可以研制出一种更轻、抗撞击能 力更强的航空材料。当然，这种自 愈合的过程可能需要很长时间才可 以实现。
科学探索 KE XUE TAN SUO
揭秘
14大仿生发明
◎彬 彬
大自然是人类赖以生存的母 体，人类的发展进步离不开大自然 的庇护。在科学领域同样如此。科 学家和工程师们的很多发明创造都 是从大自然中获得灵感，比如能够 像鸟类和蝙蝠一样在天空中振翅飞 翔的侦察相机，拥有壁虎足垫一样 粘附功能的机器人可以在垂直的光 滑墙壁上攀爬等。以下14种仿生发 明技术的创新灵感都来源于大自然 的动物和人类身上，充分体现了大 自然的神奇力量。
模仿鸟类的微型飞机
当你发现自己的房子上空出 现一个小型的飞行物时，不要以为 它肯定是普通鸟类或蝙蝠，它也有 可能是一架微型飞机。这架名为 “RoboSwift”的微型飞机由荷兰 代尔夫特理工大学研制，它是根据 雨燕的生物学特征设计的。众所周 知，雨燕是一类飞行速度极快的鸟 类。在“RoboSwift”微型飞机上 装上侦察相机，可以用来研究其他 鸟类，甚至还可以对人类活动进行 侦察。风洞试验发现，它不仅仅可 以像鸟类一样快速飞行，而且还拥 有向后收起羽毛的功能。
模仿壁虎的粘性机器人
如果没有吸盘，机器人如何在 垂直、光滑的物体(如玻璃)表面上 攀爬呢？而使用吸盘速度很慢，效 率很低。美国斯坦福大学机械工程 学教授马克·库特科斯基研制了一 种“粘性机器人”，其设计灵感就 源自壁虎足垫上的小刚毛。壁虎足 垫上长有数以百万计的小刚毛，小 刚毛还拥有细微的分叉尖端，它们 可以与物体表面的分子结合，产生 强大的粘附力。这种粘附力可以帮 助壁虎自由地在垂直、光滑的物体 表面上攀爬。
鹿角结构成为制造超强工 业材料的原理
鹿角为什么会如此坚硬？英国 约克大学科学家也无法确定鹿角的 湿度是否会对其强度产生影响。因 此，科学家们对鹿角进行了对比研 究，对比的标本分别是决斗前的鹿 角和决斗后被切开的鹿角。在决斗
KE XUE TAN SUO 科学探索
前，需要鹿角处于最坚硬的状态。 研究人员发现，在决斗前阶段，鹿 角会变得十分干燥。干燥、坚硬的 材料通常都易碎，很容易折断，但 是鹿角事实上却比人类的骨骼硬 2.4倍。这一发现似乎解决了工程 师们的一个难题：应该可以制造出 一个既硬又干的材料。鹿角的结构 极有可能成为制造超强工业材料的 原理。
129
这种无线电芯片比人类设计的 任何频谱分析仪都要快，而且它几 乎不需要电能。这种技术之所以能
128
够成为现实，就在于它模仿了人类 的耳朵。美国麻省理工学院的研究 人员对耳蜗转换声波的方式进行了 深入研究。声波在内耳中产生机械 波，它可以激发微型毛发电池从而 产生电信号。麻省理工学院研制的 人造耳蜗无线电芯片就是采用了这 种设计原理。这种芯片可以接收手 机、互联网、收音机和电视等多种 信号。