动物与仿生学_【自制PPT】

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。 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。
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”。
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.
仿生造型设计
总重量/高负重组织结构——以马为鉴的轻质技术 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。
仿生造型设计
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。
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。
萤火虫——人工冷光

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。
仿生造型设计
响尾蛇的视力几乎为零，但其鼻子上的颊窝器官 具有热定位功能，对0.001摄氏度的温差都能感 觉出来，且反应时间不超过0.1秒。即使爬虫、 小兽等在夜间入睡后，凭借它们身体所发出的热 能，响尾蛇就能感知并敏捷地前往捕食。科学家 根据响尾蛇这一奇特功能，研制出现代夜视仪、 空对空响尾蛇导弹，以及仿生红外探测器。
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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。
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，“ຫໍສະໝຸດ Baidu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？
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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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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。 5 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。

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 。
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。 1
动物与仿生学
2012.4.26
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。
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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。
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。


水母——风暴预测仪
水母这种动物有预测风暴的本能，每当风暴来临前，它就 游向大海避难去了。 主要是根据由空气和波浪摩擦而产生 的次声波 (频率为每秒8—13次)。次声波是总是风暴来临 的前奏曲。这种次声波人耳无法听到，小小的水母却很敏 感。仿生学家发现，水母的耳朵的共振腔里长着一个细柄， 柄上有个小球，球内有块小小的听石，当风暴前的次声波 冲击水母耳中的听石时，听石就剌激球壁上的神经感受器， 于是水母就听到了正在来临的风暴的隆隆声。 仿生学家仿 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。把这种仪器安装 在舰船的前甲板上，当接受到风暴的次声波时，可令旋转 360°的喇叭自行停止旋转,它所指的方向，就是风暴前进 的方向；指示器上的读数即可告知风暴的强度。这种预测 仪能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都 有重要意义 。
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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 别外，鲨鱼皮游衣的面料主要采用一种叫做箍铜树脂薄 秘密。 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。 0 1