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第96章 动物与仿生

◆蜂类与仿生

蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成,每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成。这些结构与近代数学家精确计算出来的——菱形钝角109°28’、锐角70°32’完全相同,是最节省材料的结构,且容量大、极坚固,令许多专家赞叹不已。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板,强度大、重量轻、不易传导声和热,是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方向十分敏感的偏振片,可利用太阳准确定位。科学家据此原理研制成功了偏振光导航仪,早已广泛用于航海事业中。

◆蝴蝶与仿生

五彩的蝴蝶锦色粲然,如重月纹风蝶、褐脉金斑蝶等,尤其是萤光翼凤蝶,其后翅在阳光下时而金黄,时而翠绿,有时还由紫变蓝。科学家通过对蝴蝶色彩的研究,为军事防御带来了极大的裨益。在二战期间,德军包围了列宁格勒,企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。前苏联昆虫学家施万维奇根据当时人们对伪装缺乏认识的情况,提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发现的道理,在军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装。因此,尽管德军费尽心机,但列宁格勒的军事基地仍安然无恙,为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。根据同样的原理,后来人们还生产出了迷彩服,大大减少了战斗中的伤亡。

人造卫星在太空中由十位置的不断变化可引起温度骤然变化,有时温差可高达两、三百度,严重影响许多仪器的正常工作。科学家们受蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变换角度而调节体温的启发,将人造卫星的控温系统制成了叶片正反两面辐射、散热能力相差很大的百叶窗样式,在每扇窗的转动位置安装有对温度敏感的金属丝,随温度变化可调节窗的开合,从而保持了人造卫星内部温度的恒定,解决了航天事业中的一大难题。

◆蜻蜓与仿生

蜻蜒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72千米/小时。此外,晴蜓的飞行行为简单,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。蜻蜓依靠加重的翅痣在高速飞行时安然无恙。于是人们仿效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)模型被研制出来,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,以及与传统的螺旋推动器驱动的飞机效率的比较等等。

屁步甲炮虫自卫时,可喷射出具有恶臭的高温液体“炮弹”,以迷惑、刺激和惊吓敌害。科学家将其解剖后发现甲虫体内有3个小室,分别储有二元酚溶液、双氧水和生物酶。二元酚和双氧水流到第三小室与生物酶混合发生化学反应,瞬间就成为100℃的毒液,并迅速射出。这种原理目前已应用于军事技术中。二战期间,德国纳粹为了战争的需要,据此机理制造出了一种功率极大且性能安全可靠的新型发动机,安装在飞航式导弹上,使之飞行速度加快,安全稳定,命中率提高,英国伦敦在受其轰炸时损失惨重。美国军事专家受甲虫喷射原这种武器将两种或多种能产生毒剂的化学物质分装在两个隔开的容器中,炮弹发射后隔膜破裂,两种毒剂中间体在弹体飞行的8~10秒内混合并发生反应,在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌人。它们易于生产、储存、运输,安全且不易失效。萤火虫可将化学能直接转变成光能,且转化效率达100%,而普通电灯的发光效率只有6%。人们模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源可将发光效率提高十几倍,大大节约了能量。另外,根据甲虫的视动反应机制研制成功的空对地速度计已成功地应用于航空事业中。

◆其他昆虫与仿生

跳蚤的跳跃本领十分高强,航空专家对此进行了大量研究。英国一飞机制造公司从其垂直起跳的方式受到启发,成功制造出了一种几乎能垂直起落的鹞式飞机。现代电视技术根据昆虫单复眼的构造特点,造出了大屏幕彩电,又可将一台台小彩电荧光屏组成一个大画面,且可在同一屏幕上任意位置框出某几个特定的小画面,既可播映相同的画面,又可播映不同的画面。科学家根据昆虫复眼的结构特点研制成功的多孔径光学系统装置,更易于搜索到目标,它已在国外一些重要武器系统中应用。根据某些水生昆虫组成复眼的单眼之间相互抑制的原理,制成的侧抑制电子模型,用于各美国利用昆虫复眼加工信息及定向导航原理,研制出了具有很大实用价值的末制导引头的工程模型。日本利用昆虫形态及特性开发研制出了六足机器人等工学机器和建筑物的新构造方式。

◆仿生学的发展与应用

最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。仿生学的目的不在于直接复制每一个细节,而是要理解生物系统的工作原理,以实现特定功能为中心目的。一般认为,在仿生学研究中存在下列三个相关的方面:生物原型、数学模型和硬件模型。前者是基础,后者是目的,而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。

由于生物系统的复杂性,搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期,而且解决实际问题需要多学科长时间的密切协作,这是限制仿生学发展速度的主要原因。

◆苍蝇的“宝藏”

苍蝇被列为“四害之一”,人见人厌。但随着科技的发展,人们对苍蝇的生物学结构认识不断加深。它在以下几个方面引起人们的重视。

科学研究表明:苍蝇终生在脏乱的厕所、垃圾堆等许多细菌繁殖的场所,能够生存下来,它是怎样抵抗各种病菌的呢?奥秘在于蝇蛆体内有多种抗菌体,如抗菌肽、干扰素等有机抗菌物质,能杀死各种微生物类细菌。因此,从苍蝇的幼虫蝇蛆体内提取的抗菌物质,在国际上成了生物制药领域的宝贵原料。如美国一家制药科研机构生产的“力诺活力素”被世人公认为“人类第六大生命要素”。专家预言,苍蝇将在21世纪生物制药领域独领风骚。

当它飞行时,平衡棒以一定的频率作机械振动,以此调节翅膀的运动方向。平衡棒是保持苍蝇身体平衡的导航仪。科学家据此原理研制成一代新型导航仪——振动陀螺仪,大大改进了飞机的飞行性能,可使飞机自动停止危险的滚翻飞行,在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡,即使是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失。

苍蝇的复眼包含4000个可独立成像的单眼,能看清几乎360°范围内的物体。在蝇眼的启示下,人们制成了由1329块小透镜组成的一次可拍1329张高分辨率照片的蝇眼照像机,这种技术在军事、医学、航空、航天上已被广泛应用。

苍蝇的嗅觉特别灵敏并能对数十种气味进行快速分析且可立即作出反应。科学家根据苍蝇嗅觉器官的结构,把各种化学反应转变成电脉冲的方式,制成了十分灵敏的小型气体分析仪,目前已广泛应用于宇宙飞船、潜艇和矿井等来检测气体成分,使科研、生产的安全系数更为准确、可靠。

◆仿生的重大成果——生物反应器

生物反应器是指利用酶或生物体(如微生物、动植物细胞)所具有的特殊功能,在体外进行生物化学反应的装置系统。

生物反应器与化学反应器不同,化学反应器从原料进入到产物生成,常常需要加压和加热,是一个高能耗过程。而生物反应器则不同,在酶和微生物的参与下,在常温和常压下就可以进行化学合成。因此,生物反应器问世之后,受到化工部门的重视。化学工程专家认为,应该尽可能多地让化学合成过程由生物去完成。设计理想的生物反应器,就成了现代生物技术产业的一个重要任务。

设计生物反应器时要考虑两点:一是选择特异性高的酶或适宜的活细胞作为催化剂,尽可能减少副产物,提高产品产量;二是尽可能提高产物的浓度,降低成本。

生物反应器首先在发酵工业中得到应用。发酵工业中使用的生物反应器,实际上是发酵罐。另一种是以固定化酶或固定化细胞为催化剂的酶反应器。世界上最大的发酵罐高达100米,直径7米,容积为4000立方米,远远望去,犹如一座壮观的圆形塔。

◆为什么要研制生物传感器

要回答这个问题,必须先知道什么是生物传感器,它有什么用途?

生物传感器是利用生物活性物质与电化学或其他传感器相结合而形成的新型探测器件。生物传感器中最关键的部件是生物活性物,它可以是生物酸、抗体、生物膜或者活细胞等。这些活性物质与所要测定的物质相遇,便会发生化学变化、物理变化或生物化学变化。此类变化进一步通过化学过程或其他传感器的作用,转化为电信号或光信号,就可以被仪器记录下来,成为可掌握的信息。

世界上第一台生物传感器是在20世纪60年代由美国开发成功的酶传感器。他们利用酶的专一性,即能识别某种物质分了的独特功能,研究成生物传感器的最初构型——葡萄糖酶电极。用它可以很方便地测定出人体血液中和尿中的葡萄糖含量。这是检查糖尿病的很有效的办法。

从那以后,开发生物传感器进入了一个飞速发展的时期。首先,生物传感器有极灵敏的检测本领,即使是含量极低的检测物也逃不过它的火眼金睛。第二,生物传感器的测定过程简便快速。一般检测一次仅需2~20小时。第三,它可以直接在人体内进行检测,而不需要在体外取样进行检测。

生物传感器已广泛用于食品、卫生、医疗、环境等领域。