昆虫仿生

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上世纪末, 人们 提出了微 型飞行器 ( micro air vehicle, MAV) 概念[ 37, 38] 。 微型机械飞行虫 ( micromechanical flying Insect, MFI) 或 虫 型 飞 机 ( entomopter) 就是 MAV 的一种[39, 40] 。由于其 体积小, 有很好的隐蔽性和机动性, 最适于在室 内或野外小范围内进行侦察; 也可以攻击载人 飞行器及 其它目标。将 MFI 用于 气象数据 收 集、环境研究等 方面, 可 大大减少 费用。美 国 NASA 甚至计划 10 年后将虫型飞机用于火星探 测[ 41, 42] 。MFI 的发展, 在 未来国家安全和 国家 经济建设等方面将起至关重要的作用, 正在世 界范围内引起极大的关注。美国国防部国防高 级研究计划署( DARPA) 从 1992 年就 开始这种 飞行器的论证工作, 1995 年组建了可行性研究 小组, 1997 年拨款 3 500 万美元制订一个为期 4 年的研制计划, 开展了一系列的研究, 近年来取 得重要进展。然而, 对于 MFI 或 虫型飞机 的 研究, 若采用传统的气动布局和飞行方式, 可能 会产生升力不足、稳定性差和控制困难等一系 列问题。而微小昆虫则是大自然创造的 微型 飞行器 , 经过上亿年的进化和环境适应, 在形 态、运动方式以及利用 新型 空气动力学原理 等方面, 达到了近乎完美的程度[ 40, 43~ 47] 。这是 各国 发展 MFI 技术加 以仿生 借鉴的 核心[ 45] 。 实际上, 昆虫飞行功能研究( 尤其是 MFI 研究) 已经成为昆虫仿生领域最热烈的前 沿方向之 一。
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伍一军1** 陈 瑞1, 2 李 薇1
( 1. 中国科学院动物研究所分子毒理学实验室, 农业虫害鼠害综合治理研究国家重点实验室 北京 100080; 2. 中国科学院研究生院 北京 100039)
昆虫发光的仿生: 一些昆虫( 如: 萤火虫) 可 将化学 能直接 转变 成光 能, 且 转化 效率 几乎 100% , 而普通电灯的发光效率只有 6% 。模仿 萤火虫的发光原理制成的冷光源使发光效率提 高十几倍, 大大节约了能量。此外, 冷光源无论 在军事上还是民用上都具有非常广阔的用途。 仿昆虫化学能转换为电能和机械能也是昆虫特 异能力仿生的一个重要方向, 这在虫型飞机的 能量供应上有非常重要的用途。
仿生学( bionics) 是 上世纪 60 年代兴 起的 一门学科, 以昆虫为对象的仿生研究一直是国 内外的研究热点。目前, 有关昆虫仿生研究的 主要方向有: 昆虫的形态仿生、昆虫的体表微结 构和功能的仿生、昆虫的感觉器官的仿生、昆虫 运动功能的仿生以及昆虫的其他特异能力的仿 生等。作者就此逐一作简要介绍。
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( 如防伪纸币或信用卡) 已成为该领域重要的课 题[ 7] 。
另外, 人们注意到一些甲虫的体表很少黏 附土 壤 ( 尽 管 它 们 常 年 生 活 在 土 壤 和 粪 堆 中) [ 8] 。坦克的履带和汽车的轮胎以及其他地 面作业机械容易黏附泥土, 既降低功效又缩短 使用寿命。通过研究土壤昆虫( 如蜣螂) 的体表 微观构造, 发现体表的非光滑结构、体液和负性 电位有利于减黏脱附[ 9, 10] , 利用这些特性, 进行 仿生研究, 解决地面机械的土壤黏附问题, 开发 出对土壤的黏附大为减少的仿生犁和仿生推土 机铲等[ 11, 12] 。
Research advances in bionics of insects. WU Y-i Jun1** , CHEN Rui1, 2 , LI Wei1 ( 1. Laboratory of Molecular Toxicology , State Key Laboratory of Integrated Management of Pest Insects and Rodents , Institute of Zoology , Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080, China; 2. Graduate School of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039, Ch ina) Abstract Organs and systems in insects have been developed for adaptation to the surrounding circumstances with the evolution over a long period of time; the apparatus and systems have the characteristics with unique structure and superior functions. Therefore, insects have being been one of the most important objects of the bionic studies. The advances and crazes of the research on the insect bionics are reviewed in this article. Key words insect, bionics, organ, system, structure, function
就听觉系统而言, 声源定位能力是最显著 的属性之一, 对有些昆虫来说, 这种能力是生死 攸关的[ 23~ 25] 。例 如, 昆 虫( 蛾 类) 反 捕猎 行 为, 可以聪明地闪避蝙蝠的追捕; 神经解剖学研 究表明, 昆虫( 蛾类) 鼓膜耳仅有 2 个听觉感受 器细胞, 但能非常灵敏地侦听出蝙蝠的超声信 号[ 26, 27] 。因此, 模仿昆虫听觉结构, 研究其对声 发射、接收、听信息加工及运动调控的感觉神经
在昆虫感觉器官仿生( 尤其是视觉仿生) 方 面, 国内外都给予 了高度关 注, 目前 有 2 个热 点: 一是试图研制出对化学物质高度敏感的探 测仪器[ 30] ; 二是研究昆虫复眼电子模型以及听 觉和嗅觉感受器电子模型[ 31, 32] , 并将昆虫的这 类特异的感觉原理用于机器人导航系统, 以提 高机器人的自主功能水平[ 33~ 36] 。
1 昆虫形态的仿生
昆虫形态千差万别。形态仿生是早期仿生 的主要内容, 主要应用于军事和航空航天领域, 如: 模仿蝴蝶色彩和花纹的军事伪装设施; 模仿 蜻蜒翅膀上的翅痣在飞机的两翼加 上平衡重 锤, 解决飞机因高速飞行而引起振动的棘手问 题; 模仿蝴蝶翅面上的鳞片随阳光照射方向自 动变换角度而调节体温的原理, 成功实现对人 造卫星由于位置不断变化而引起温度骤然变化 的控制[ 1] 。另外, 一些昆虫巢穴的形态结构也 是仿生研究的内容。在一些大型建筑中, 经常
* 中国科学院院动物研究所 创新基金 资助; 本文 的主要内 容 曾在第 220 次香山科学会议上报告。 ** 联系人, E-mail: wuyj@ ac. cn 收稿日期: 2004-01-19, 修回日期: 2004-04-30
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模仿蜜蜂巢穴的六角形的架构设计, 使建筑物 具有高强度力学支撑结构, 既坚固、美观, 又节 省建材。
2 昆虫体表微观结构与功能的仿生
由于生存环境的关系, 一些昆虫在进化过 程中形成了非常独特的体表微细结构, 这些结 构为仿生学家所关注[2~ 4] 。例如: 某些种类的 蝴蝶( 如: 大凤蝶) 的翅膀颜色是黄、蓝色, 但看 起来却是闪闪发光的绿色。原因乃是布满蝴蝶 翅膀上的微型小坑对光线的反射, 人眼无法将 从坑底反射的黄色光与周围两次反射的兰色光 区分开来, 从而感觉到的是绿色[ 5, 6] 。研究如何 模仿蝴蝶翅膀表面细微结构开发新型防伪技术
生物学与神经行为学原理, 可望开发先进的 反 声纳 装置。
在视觉方面, 尽管昆虫复眼结构简单, 但其 功能却是人和哺乳动物的单眼所不及。例如: 螳螂能在 0 05 s 内一跃而起, 吞下飞行中的小 虫。在如此短的时间内, 它需要准确测出小虫 大小、飞行方向和速度, 而螳螂仅靠其 1 对大复 眼和颈部的一个本体感 受器即可实现[ 28] 。此 外, 昆虫复眼还能感知偏振光、紫外光等。根据 这些现象和原理, 已经进行了很多成功的仿生 应用, 如: 一次可拍摄 1 329 张照片的蝇眼照相 机; 仿昆虫复眼的先进的相控阵雷达; 仿昆虫复 眼研制成功的 空对地速度计以及偏振光导航 仪。实际上, 昆虫的复眼本身是一个精巧的导 航控制系统, 根据多年的研究发现, 昆虫( 特别 是家蝇) 具有快速、准确地处理视觉信息的能 力, 能实时计算出前面飞行物的方位与速度, 同 时发出指令控 制并校正自己的飞行方向和速 度, 以便跟踪和拦截目标。对昆虫复眼这一定 向导航系统的研究已得到广泛重视。当前国内 外军 事 领 域十 分 关 心 的 寻 的 末 制 导 ( targe-t seeking terminal control and guide) 有可能改变常 规武器的面貌。目前, 各国都在加紧昆虫视觉 仿生研究, 试图模仿昆虫复眼成像机理以及昆 虫视觉信息处理过程, 研制新型靶标自动制导 系统[ 29] 。
除了虫型飞机外, 昆虫运动功能仿生的另 一个方向是制造虫型机器人[ 48,49] , 模仿昆虫在 陆地行走的腿足部结构和运动原理, 研制具有 昆虫足样行走能力的机器人或虫样蠕动的微型 机车[ 50,51] 。这类机器人可被用于行进到崎岖不 平的山路或其它非平坦地带( 如: 地震后墙壁倒 塌的废墟中) 执行特殊的任务。
摘 要 昆虫在长期进化过程中发展出与其生存环境相适应的器官系统, 这些器官系统结构 独特、功能 优异, 因而, 昆虫一直是最重要的仿生对象之一。作者 就昆虫 仿生的 进展及 热点, 如: 昆 虫的形 态仿生、 体表微结构的仿生、感觉器官的仿生、运动功能的仿生以及其他特异能力的仿生进行了介绍。 关键词 昆虫, 仿生, 器官, 系统, 结构, 功能
5 昆虫其他特异能力的仿生
昆虫的独特自卫武器的仿生: 有些甲虫在 遇到敌害自卫时可喷出致命液体。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。另外, 一些发达国家正在利用这种甲
பைடு நூலகம்
虫自卫武器原理研制二元化汽 油: 2 个油箱分 储不能独立燃烧的汽油中间体, 进入发动机前 才混合。或将普通汽油混入某种流体, 进入发 动机前再用特 殊装置将其分离还原成普通汽 油[52] 。研究尚处在保密阶段。
3 昆虫感觉器官功能的仿生
很多昆虫具有高度灵敏的嗅觉。昆虫触角 上分布有不同类型的嗅觉感受器, 感受器的类 型不同 决 定 了昆 虫 对 不 同 化 学物 质 的 分 辨 率[ 13] 。不同的昆虫嗅觉灵敏度有差异, 触角的 结构以及相应的传导网络是其重要 的决定因 素。除了高灵敏度以外, 昆虫的嗅觉感受器还 具有高分辨率和高度特异性的特点[ 14] 。目前, 各国都在加紧研制实用的仿昆虫触角的嗅觉感 受器检 测装置[ 15~ 17] 。有的直接将昆虫触 角与 场效应管相连组成气味物质检测系统; 有的则 仿昆虫嗅觉感受器排列组合研制复传感器( 传 感器阵列) [18~ 20] 。德国和法国科学家研究嗅觉 感受器并将其用于机器人的嗅觉导航系统[ 21] 。 美国加州大学圣地亚哥分校的的研究人员则通 过研究蝗虫触角叶接收气味信号的特点, 提出 一种新的网络模型, 其核心是神经元网络之间 可以相互连接形成一个系统而使他们能识别比 传统网络更多的信号[ 22] 。
4 昆虫运动功能的仿生
昆虫的运动 功能奇特, 形式多样, 有的蠕 动, 有的跳动, 有的飞行。昆虫独特的飞行机制 一直为仿生学家所关注, 如: 昆虫的翅与飞行、 昆虫飞行过程中的信号接收与传递、昆虫的神 经组织结构及控制机理等。
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