·动物与仿生学精讲

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。
动物与仿生学பைடு நூலகம்
什么是仿生学？
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。说简单点就是将其他动物或植物上的 优点吸取并应用于科技上。
萤火虫——人工冷光
鲸鱼与潜艇
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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。
电鱼——伏特电池
电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许 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。 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电池 。
猪鼻子——防毒面具



第一次世界大战期间，在伊普雷战役（1915.4.22）中德军向英 法联军阵地施放了氯气（一种毒气，今天自来水有时用氯气消 毒），结果造成英法联军15000人中毒其中5000人死亡。清理战 场时发现战场上的许多家禽家畜飞禽走兽都中毒死光了，唯独老 猪活蹦乱跳安然无恙，这引起了英法联军统帅部的极大兴趣。他 们派出最优秀的化学家深入实地考察。 为了揭开秘密，化学家们做了个实验：把猪牛羊等圈在一起， 然后施放氯气，他们则在远处用望远镜观察。结果发现老猪比其 他牲畜嗅觉更灵，他们更早地嗅到了毒气的异味，于是便拼命想 逃窜，当逃不出时（圈住了）就开始用它们那强有力的大钢嘴 （猪鼻子）拼命地拱地，把地拱松了后它们把大鼻子插进松软的 泥土里。毒气散尽后，其他牲畜都中毒死亡了，老猪这时却悠闲 地把大鼻子从泥土中拔出，“哼！哼！”几声用力把鼻孔中的大 量泥土喷出。目睹这一奇迹，化学家们很快得出结论：是猪鼻孔 中大量松软的泥土吸附了氯气，使它们免于中毒。于是他们设想 人们若戴上有“长鼻式”过滤器的防毒面具，并在其中放上比泥 土有更有效的活性炭做吸附剂，不就可以抵御毒气的侵袭吗？于 是猪鼻状的防毒面具就应运而生了。 今天防毒面具已经成了士兵常备的军用品，消防队员们也常 常需用防毒面具。
雷达与蝙蝠
它怎样知道前面有无障碍呢？关于这事有两位美国生物学家 格利芬和迦朗包在一九四○年已经证明，蝙蝠能够避免碰撞，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。
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，给我们解释蝙蝠在黑暗中如何指导自己飞行，不论如何黑暗，如何狭 窄的地方，绝不碰壁，这是什么原因？
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。 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 0 1 绩，那么现在的各项世界纪录，在它的影响下都将形同虚设。
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。
乌龟的龟壳与薄壳建筑
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蜻蜓与直升机
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。
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。
谢谢！
萤火虫与冷光
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。 早在40年代，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。
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。
蜘蛛与装甲
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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”。
长颈鹿与宇航员失重现象
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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。
仿生造型设计
蝙蝠与超声波
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。
螳螂臂——锯子 有一次鲁班进深山砍树木时，一不小心， 手被一种野草的叶子划破了，他摘下叶片轻 轻一摸，原来叶子两边长着锋利的齿，他的 手就是被这些小齿划破的，他还看到在一棵 野草上有条大蝗虫，两个大板牙上也排列着 许多小齿，所以能很快地磨碎叶片。鲁班就 从这两件事上得到了启发。他想，要是这样 齿状的工具，不是也能很快地锯断树木了吗？ 于是，他经过多次试验，终于发明了锋利的 锯子，大大提高了工效。