动物与仿生(精)

10.鲨鱼与游泳衣
长颈鹿与宇航员失重现象
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。这样高的血压为什么不 会使长颈鹿患脑溢血而死亡呢？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 练宇航员对，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 绷的皮肤可控制血管压力的原理，研制 了飞行服——“抗荷服”。抗荷服上安有 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。
蝙蝠发出的超声波遇 到障碍物就会被反射 回来，迅速判断前方 是什么物体，距离有 多远，是食物，树干 还是敌人，然后决定 进攻或躲避。
经过蝙蝠的 启示，人类 发明了声纳， 即超声波测 距仪 ,用于 各个领域， 发挥着重要 的作用。
别外，鲨鱼皮游衣的面料主要采用一种叫做 箍铜树脂薄膜的新型的高科技产品，具有极 强的弹性和伸展性，它更好的紧束人体外形， 尽可能创造出流线性效果，同时还可以压缩 肌肉，减少肌肉在水中的摆动，要知道肌肉 在水中的摆动正是形状阻力产生的主要来源。 鲨鱼皮游泳衣是把仿生学理论和流体力学理 论运用到体育领域里中的一次尝试，有专家 甚至认为它是继比基尼问世以来在泳衣设计 上的又一次跨时代革命，由于世界大赛上顶 尖高手间的差距往往只在毫厘之间，如果鲨 鱼皮真的能提高哪怕1％的成绩，那么现在 的各项世界纪录，在它的影响下都将形同虚 设。
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蝴蝶与人造卫星
蝴蝶和卫星控温系统 遨游太空的 人造卫星，当受到阳光强烈辐射 时，卫星温度会高达200摄氏度； 而在阴影区域，卫星温度会下降 至零下200摄氏度左右，这很容 易烤坏或冻坏卫星上的精密仪器 仪表，它一度曾使航天科学家伤 透了脑筋。后来，人们从蝴蝶身 上受到启迪。原来，蝴蝶身体表 面生长着一层细小的鳞片，这些 鳞片有调节体温的作用。每当气 温上升、阳光直射时，鳞片自动 张开，以减少阳光的辐射角度， 从而减少对阳光热能的吸收；当 外界气温下降时，鳞片自动闭合， 紧贴体表，让阳光直射鳞片，从 而把体温控制在正常范围之内。 科学家经过研究，为人造地球卫 星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的 控温系统。
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鸟类的蛋具有如此大的承受力,是与 它特有的蛋形曲线和科学的结构分不开 的.蛋的结构有3层,外层为表皮层,又称闪 光层,中层为海绵层,内层为乳头层,不同 的鸟类具有不同的3层显微结构.
仿生造型
像鸡蛋那样的薄壳结构是如 此的丰富多彩而变化万干,有禽 蛋,贝壳,蚌,螺,蜗牛,蟹,鱼子,眼球, 头颅,豆荚,种子,果核等等,它们以 最合理,最自然,最经济,最有效,最 进步,最优美的形式竞相媲美,争 放异彩.
Vol.
[动物 仿生 科学]
—— 本 属 于 生 物 学 课 件
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SHENG WU XUE
2010年11月06日出版
学习内容：动物与仿生 什么是仿生学？ 探讨：动物与仿生有什么联系？ 长颈鹿与宇航员 举例：你所知道的仿生运用
结构和功能
畅想：未来还会有怎样的仿生
发挥想象，探索新鲜事
讨论：仿生学为人类带来了什么？
仿生造型
总重量/高负重组织结构——以马为鉴的轻 车身结构，就象哺 乳动物的骨骼，支 撑着体内的其他部 分。对于宝马3系， 车身重量约占整车 的20%，而人的骨 骼占人体重的18%。 再以马为例，马的 骨骼与其总体重之 比达到完美的 7~10%，平衡的秘 密就在于马骨骼的 结构和密度。
仿生造型
鱼、海豚、企鹅——流线品质的最佳化 宝马的H2R氢燃料汽 车最高时速达 300.175公里。无庸 置疑，发挥到极至的 空气动力学是实现这 一高速的关键因素。 宝马H2R外型和设计 的灵感来自海豚和企 鹅的低阻身材。圆鼓 的前脸、收起的尾部 ，极小的正锋面，成 就了其0.21的阻力系 数。而球的阻力系数 则是0.50。
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鲨鱼与游泳衣
鲨鱼皮这个名字可不是白叫的，该款游 装的设计灵感确实来源于鲨鱼。在鲨鱼 的皮肤表面上分布着许多的齿状突起， 它们能够保持好水流的流态，并产生具 有卷吸作用的稳定的涡流，可以有效的 减少表面磨擦阻力和压差阻力，令鲨鱼 更为顺畅的在水中游动。鲨鱼皮游泳衣 精确的模拟了海洋霸王的表皮结构，其 齿状突起科学的按照鲨鱼表皮的比例尺 寸制造，使其更加符合自然规律，这也 就是它最大的秘密。
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乌龟的龟壳与薄壳建筑
龟壳的背甲呈拱形，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。
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蜻蜓与飞机
蜻蜓通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流， 并利用气流产生的涡流来使自己上升。蜻蜓能在很小的推力 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72公里/小时。此外，蜻蜓的飞行行为简单， 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。蜻蜓依靠加重的翅膀在高速 飞行时安然无恙，于是人们效仿蜻蜓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。 为了研究滑翔飞行和碰撞的空气动力学以及其飞行的效率， 一个四叶驱动，用远程水平仪控制的机动机翼（翅膀）模型 被研制，并第一次在风洞内测试了各项飞行参数。 第二个模型试图安装一个以更快频率飞行的翅膀，达到每秒 18次震动的速度。有特色的是，这个模型采用了可变可调 节前后两对机翼之间相差的装置。 研究的中心和长远目标，是要研究使用“翅膀”驱动的飞机 表现，以及与传统的螺旋推动器驱动的飞机效率的比较等等。
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青蛙与电子眼
为了弄清楚为什么青蛙一定要等飞蛾起飞才发动攻击，仿生学 家对青蛙进行了特殊的实验研究。原来，蛙眼视网膜的神经细 胞分成五类，一类只对颜色起反应，另外四类只对运动目标的 某个特征起反应，并能把分解出的特征信号输送到大脑视觉中 枢——视顶盖。视顶盖上有四层神经细胞，第一层对运动目标 的反差起反应；第二层能把目标的凸边抽取出来；第三层只看 见目标的四周边缘；第四层则只管目标暗前缘的明暗变化。这 四层特征就好像在四张透明纸上的画图，迭在一起，就是一个 完整的图像。因此，在迅速飞动的各种形状的小动物里，青蛙 可立即识别出它最喜欢吃的苍蝇和飞蛾，而对其他飞动着的东 西和静止不动景物都毫无反应。 弄清了蛙眼的原理和结构，仿生学家就发明了电子蛙眼。
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蜘蛛与装甲
蜘蛛和装甲 生物学家发现 蜘蛛丝的强度相当于同等体 积的钢丝的5倍。受此启发， 英国剑桥一所技术公司试制 成犹如蜘蛛丝一样的高强度 纤维。用这种纤维做成的复 合材料可以用来做防弹衣、 防弹车、坦克装甲车等结构 材料。
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鲸鱼与潜艇
鲸鱼和潜艇的“鲸背效应” 当代核潜艇能长时间潜航于冰海之 下，但若在冰下发射导弹，则必须破冰上浮，这就碰到了力学 上的难题。潜舴专家从鲸鱼每隔10分钟必须破冰呼吸一次中得 到启迪，在潜艇顶部突起的指挥台围壳和上层建筑方面，作了 加强材料力度和外形仿鲸背处理，果然取得了破冰时的“鲸背 效应”。
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萤火虫与冷光
萤火虫在夏日夜晚发出 的光,和太阳光以及各种电灯 光都不一样。太阳依靠 核聚变来发光,电灯依靠电流 对灯丝的加热,它们在发光时 都伴随有热的产生。因此,人 们称它们为热光源。萤火虫 发出的光,是由体内一系列特 殊的化学反应引起的。由于 它能100%地将能量转换成光 能, 不产生热量,人们就称它 为冷光源。
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蝙蝠的回声定位与雷达
雷达是一种神奇的电学器具，它由电 磁波往返时间，测得阻波物的距离。 假如你问雷达是谁发明的？在芬克的 雷达机械中说，“雷达的发明，不能 专归于某一位科学家，乃是许多无线 电学工程师努力研究，加以调准而 成。”在战时，美国麻省理工学院由 五百位科学家和工程师致力于雷达的 研究。希奇得很，在自然界中，你找 得到神为某种动物所豫备的雷达。在 一九四七年一月号的英国奋勉杂志上， 科学家B. Vesey-Fitzgerald 发表了一 篇很有趣的文本，给我们解释蝙蝠在 它怎样知道前面有无障碍呢？关于 黑暗中如何指导自己飞行，不论如何 这事有两位美国生物学家格利芬和 黑暗，如何狭窄的地方，绝不碰壁， 迦朗包在一九四○年已经证明，蝙 这是什么原因？ 蝠能够避免碰撞，是藉一种天然雷 达，不过是声波代替电磁波，在原 理方面完全相仿。从蝙蝠口中发出 一种频率极高的声波，超过人类听 觉范围以外，二位科学家藉着一种 特制的电力设备，在蝙蝠飞行时， 将它所发的高频率声波记录出来。 这种声波碰到墙上，必然折回，它的耳膜就能分辨障碍物的距离远近，而向 适宜方向飞去。蝙蝠传输声波也像雷达一样，都是相距极短的时间而且极有 规则，并且每只蝙蝠，有其固有的频率，这样蝙蝠可分清自己的声音，不至 发生扰乱。因这缘故，蝙蝠飞行之时，常是张口，假如你将它口紧闭，它便 失去指挥作用，假如堵上它的耳朵，便要撞到墙上，无法飞行。这个有趣的 实验，道破了它的秘密。
萤火虫的特异功能是由它体内所 含的荧光素、荧光酶和氧气相互作 用的结果。荧光酶是一种蛋白质, 是发光的催化剂,在它的作用下,荧 光素便和氧气发生化学反应,形成氧 化荧光素。在这个化学反应中,每氧 化一个荧光素分子就发射出一个光 子, 因而反应所产生的能量全部以 光的形式释放出来。 自然界能够发光的生物还有许多 种。有一种甲壳动物, 在它们由干 燥变成潮湿的时候,能发出辉光。第 二次世界大战中,日本兵感到较强的 灯光危险性太大,就在干燥的甲壳动 物上吐一点儿唾沫,它发出的光足够 阅读一张地图。生物发光的强度虽 然不大,但却给人们研究新光源以重 要启示。