有趣的生物現(xiàn)象與仿生學(xué)的應(yīng)用

摘 要 生物界中許多生物有著驚人的本領(lǐng)來適應(yīng)環(huán)境的變化，人類從有趣的生命現(xiàn)象中得到啟發(fā)，模仿生物的這些本領(lǐng)，并結(jié)合數(shù)學(xué)、物理的技術(shù)和原理發(fā)明了多種儀器和設(shè)備，應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、醫(yī)藥、軍事等多種領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞 仿生學(xué) 生命現(xiàn)象 仿生學(xué)應(yīng)用

中圖分類號 Q-49 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 E

今天這樣物種豐富的自然界中，形形色色的生物表現(xiàn)出各種各樣的生命現(xiàn)象，體現(xiàn)出它們對周圍復(fù)雜自然環(huán)境的驚人的適應(yīng)能力，而且有些生物的生命現(xiàn)象還非常有趣。生物在進(jìn)化過程中形成的極其精確和完善的機(jī)制，使它們具備了適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力。很多生物具有許多卓有成效的本領(lǐng)，如能量轉(zhuǎn)換、信息的接受和傳遞、對外界的識別、導(dǎo)航、定向等。自古以來，人們就利用生物表現(xiàn)出來的各種現(xiàn)象，結(jié)合人類的智慧，由此誕生了仿生學(xué)。

1 海豚與潛水艇

海豚的游泳速度很快，仿生學(xué)家發(fā)現(xiàn)海豚的皮膚外面薄而富有彈性，里面的真皮像海綿一樣有許多突起，突起之間充滿了液體。這種皮膚能吸收和消除前進(jìn)的水流漩渦，使水流從它表面順利通過，因而游得快。仿生學(xué)家模仿海豚的皮膚，用富有彈性的有機(jī)材料制成一種多層的潛水艇外殼，潛水艇外面有了這層人造“皮膚”，航行時(shí)阻力可減少一半，航速可提高一倍。

2 熒火蟲與熒光素

熒火蟲能發(fā)光，它的發(fā)光器位于腹部，由發(fā)光層、透明層和反射層三部分組成，發(fā)光層擁有許多發(fā)光細(xì)胞，細(xì)胞里面含有熒光素和熒光酶兩種物質(zhì)。在熒光酶的作用下，熒光素在細(xì)胞內(nèi)水分的參與下，與氧化合便發(fā)出熒光。科學(xué)家從螢火蟲的發(fā)光器中分離出了純熒光素、熒光酶，后來用化學(xué)方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、ATP和水混合而成的生物光源，可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中充當(dāng)閃光燈。

3 蒼蠅與振動(dòng)陀螺儀、蠅眼照相機(jī)

蒼蠅是細(xì)菌的傳播者，誰都討厭它?？墒巧n蠅的楫翅(又叫平衡棒)是“天然導(dǎo)航儀”。蒼蠅的眼睛是一種“復(fù)眼”，是由3 000多只小眼組成。人們模仿蒼蠅的平衡棒制成了“振動(dòng)陀螺儀”，目前這種儀器已經(jīng)應(yīng)用在火箭與高速飛機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛；人們還模仿它的復(fù)眼，制成了“蠅眼照相機(jī)”，一次就能照出千百張相同的相片。這種照相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版和大量復(fù)制電子計(jì)算機(jī)的微小電路，大大提高了工效和質(zhì)量。

4 青蛙與電子蛙眼

青蛙的眼睛看不見(或說看不清)靜止的東西，它的眼睛和一般動(dòng)物的眼睛不一樣，是專門看運(yùn)動(dòng)著的物體的。不動(dòng)的蛾子、蒼蠅引不起青蛙的反應(yīng)，然而，只要蛾子一動(dòng)，青蛙就會立即發(fā)現(xiàn)它，并根據(jù)它的飛行方向和速度，一躍而起捕食到口。蛙眼能夠敏捷地發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)著的目標(biāo)，迅速判斷目標(biāo)的位置、運(yùn)動(dòng)方向和速度，并且立即選擇最好的攻擊姿態(tài)和攻擊時(shí)間。

人們根據(jù)蛙眼的視覺原理，已成功研制出一種電子蛙眼。這種電子蛙眼能像真的蛙眼那樣，準(zhǔn)確無誤地識別出特定形狀的物體。把電子蛙眼裝入雷達(dá)系統(tǒng)后，雷達(dá)抗干擾能力大大提高。這種雷達(dá)系統(tǒng)能快速而準(zhǔn)確地識別出特定形狀的飛機(jī)：艦船和導(dǎo)彈等。特別是能夠區(qū)別真假導(dǎo)彈，防止以假亂真。電子蛙眼還廣泛應(yīng)用在機(jī)場及交通要道上。在機(jī)場，它能監(jiān)視飛機(jī)的起飛與降落，若發(fā)現(xiàn)飛機(jī)將要發(fā)生碰撞，能及時(shí)發(fā)出警報(bào)。在交通要道，它能指揮車輛的行駛，防止車輛碰撞事故的發(fā)生。5蝙蝠與定位儀

蝙蝠是用超聲波定位的。飛行時(shí)，蝙蝠在喉內(nèi)產(chǎn)生超聲波，通過口或鼻孔發(fā)射出來，然后被食物或障礙物反射回來，最后由它們的耳朵接收，并據(jù)此判定目標(biāo)和距離。它能連續(xù)不斷地發(fā)出高頻超聲波，碰到障礙物或飛舞的昆蟲時(shí)，就能反射回來變成回聲。根一據(jù)回聲，它們就能判定方向，辨別食物或障礙物，進(jìn)行有效地回避或追捕。

根據(jù)蝙蝠超聲定位器的原理，人們除了仿制出了大家所熟悉的“超聲波定位儀”，還仿制了盲人用的“探路儀”。這種探路儀內(nèi)裝一個(gè)超聲波發(fā)射器，盲人帶著它可以發(fā)現(xiàn)電桿、臺階、橋上的人等。如今，有類似作用的“超聲眼鏡”也已制成。

6 海豚與聲納系統(tǒng)

海豚屬于鯨目，凡是鯨類都具有聲納系統(tǒng)，其中以海豚最精密，能利用聲納分毫不差地測出附近物體的形狀、位置、材料，全部過程只需2s。聲納由發(fā)射機(jī)、換能器、接收機(jī)、顯示器、定時(shí)器、控制器等主要部件構(gòu)成。發(fā)射機(jī)制造電信號，經(jīng)過換能器(一般用壓電晶體)，把電信號變成聲音信號向水中發(fā)射。聲信號在水中傳遞時(shí)，如果遇到潛艇、水雷、魚群等目標(biāo)，就會被反射回來，反射回的聲波被換能器接收，又變成電信號，經(jīng)放大處理，在熒光屏上顯示或在耳機(jī)中變成聲音。根據(jù)信號往返時(shí)間可以確定目標(biāo)的距離，根據(jù)聲調(diào)的高低等情況可以判斷目標(biāo)的性質(zhì)。

7 水母與風(fēng)暴預(yù)測儀

水母又叫海蜇，是一種古老的腔腸動(dòng)物，具有預(yù)測風(fēng)暴的本能，每當(dāng)風(fēng)暴來臨前，它就游向大海避難去了。在藍(lán)色的海洋上，由空氣和波浪摩擦而產(chǎn)生的次聲波，總是風(fēng)暴來臨的前奏曲，這種次聲波人耳無法聽到，小小的水母卻很敏感。在水母耳朵的共振腔里長著一個(gè)細(xì)柄，柄上有個(gè)小球，球內(nèi)有塊小小的聽石。當(dāng)風(fēng)暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時(shí)，聽石就刺激球壁上的神經(jīng)感受器，于是水母就聽到了正在來臨的風(fēng)暴的隆隆聲。

仿生學(xué)家仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)了水母耳風(fēng)暴預(yù)測儀，相當(dāng)精確地模擬了水母感受次聲波的器官。把這種儀器安裝在艦船的前甲板上，當(dāng)接受到風(fēng)暴的次聲波時(shí)可令旋轉(zhuǎn)360°的喇叭自行停止旋轉(zhuǎn)，它所指的方向，就是風(fēng)暴前進(jìn)的方向；指示器上的讀數(shù)即可告知風(fēng)暴的強(qiáng)度。這種預(yù)測儀能提前15h對風(fēng)暴作出預(yù)報(bào)，對航海和漁業(yè)的安全都有重要意義。

其實(shí)，在仿生學(xué)方面的例子是舉不勝舉：設(shè)計(jì)師根據(jù)鶴的體態(tài)設(shè)計(jì)出了掘土機(jī)的懸臂；在一戰(zhàn)期間，人們從毒氣戰(zhàn)中幸存的野豬身上獲得啟示，模仿野豬的鼻子設(shè)計(jì)出了防毒面具；偉大的發(fā)明家、木工的祖師爺魯班根據(jù)生活中的花草樹木，發(fā)明了眾多的生活用品，如鋸子、云梯、傘、櫓板等；人們通過對鳥類飛行器官的詳細(xì)研究和認(rèn)真的模仿，根據(jù)鳥類飛行結(jié)構(gòu)的原理，終于制造了能夠載人飛行的滑翔機(jī)等。

同時(shí)仿生學(xué)設(shè)計(jì)還對人類的生命和健康造成巨大的影響，人們可以通過仿生技術(shù)，設(shè)計(jì)制造出人造器官，如血管、心臟、眼、人工細(xì)胞等，據(jù)專家預(yù)測，除腦以外，人的所有器官都可以用人工器官代替。比如利用生物膜的結(jié)構(gòu)和功能，科學(xué)家模擬了腎功能，用多孔纖維增透膜制成血液過濾器，也就足人工腎。

仿生學(xué)的應(yīng)用范圍很廣，在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生、軍事、航海、工程學(xué)領(lǐng)域等各方面都有著重要的應(yīng)用。仿生學(xué)簡言之，就是模仿生物的科學(xué)。確切地說，仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特質(zhì)、功能、能量轉(zhuǎn)換和信息控制等各種優(yōu)異的特征，并把它們應(yīng)用到技術(shù)系統(tǒng)，通過對生物系統(tǒng)的研究，為設(shè)計(jì)和建造新的技術(shù)設(shè)備提供了新原理、新方法和新途徑。仿生學(xué)的光榮使命就是為人類提供可靠、靈活、高效、經(jīng)濟(jì)的、接近于生物系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng)，為人類造福。