Mechanics 版 (精华区)

发信人: rhc (土藤), 信区: Mechanics
标  题: 有趣的仿生学3
发信站: BBS 哈工大紫丁香站 (Mon Dec 19 08:53:59 2005)

仿生学 

仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术
的科学。据传说，我国古代著名工匠鲁班，上山伐树时，被丝矛草割破了手。他觉得奇怪
，一棵小草怎么会这样厉害？经过仔细观察，他发现丝茅草叶子的边缘长着许多锋利的细
齿。于是鲁班发明了木工用的锯子。据推测，古代木船的发明，是从鱼类的游泳得到了启
示。在发明飞机的过程中，人们也从虫、鸟的飞行中学到了许多有用的知识。

现在，科学家们正带着定向、导航、探测、能量转换、信息处理、生物合成、结构力学和
流体力学等众多的科学难题，到生物界中去寻找启示和答案。
 
 
 苍蝇与宇宙飞船

令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起
来了。

苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。苍蝇的嗅觉特
别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉
的呢? 原来，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。
 
每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“
鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。大脑根据不同气味物质
所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。因此，苍蝇的触角像是一台灵
敏的气体分析仪。

仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制成功一种十分奇特的小型气
体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。就是把非常纤细的微电极插到
苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一
经发现气味物质的信号，便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来
检测舱内气体的成分。

这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理，还可用来改
进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。
 
 从萤火虫到人工冷光

自从人类发明了电灯，生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成
可见光，其余大部分都以热能的形式浪费掉了，而且电灯的热射线有害于人眼。那么，有
没有只发光不发热的光源呢? 人类又把目光投向了大自然。

在自然界中，有许多生物都能发光，如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和
鱼类等，而且这些动物发出的光都不产生热，所以又被称为“冷光”。

在众多的发光动物中，萤火虫是其中的一类。萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色
有黄绿色、橙色，光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率，而且
发出的冷光一般都很柔和，很适合人类的眼睛，光的强度也比较高。因此，生物光是一种
人类理想的光。
 
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。近年来，科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光酶
，接着，又用化学方法人工合成了荧光素。由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合
而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。由于这种光没有电源，不会产生
磁场，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。

现在，人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光，作为安全照明用。
 
 电鱼与伏特电池

自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种 。人们将这些能放电的鱼，统
称为“电鱼”。

各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。中等大小的电鳐能
产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；
电鳗能产生500伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压，称得上电击冠军
,据说它能击毙像马那样的大动物。

电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究， 终于发现在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。

电鱼这种非凡的本领，引起了人们极大的兴趣。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伏打电池。因为这种电池是根据电鱼的天然发电器
设计的,所以把它叫做“人造电器官”。对电鱼的研究，还给人们这样的启示：如果能成功
地模仿电鱼的发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。
 
 水母的顺风耳

“燕子低飞行将雨，蝉鸣雨中天放晴。”生物的行为与天气的变化有一定关系。沿海渔民
都知道，生活在沿岸的鱼和水母成批地游向大海，就预示着风暴即将来临。

水母，又叫海蜇，是一种古老的腔肠动物，早在5亿年前,它就漂浮在海洋里了。这种低等
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。

原来，在蓝色的海洋上，由空气和波浪摩擦而产生的次声波 (频率为每秒8—13次)，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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高度和眼光决定人能走多远！

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