仿生科技 前途無量

王瑞良

現(xiàn)實(shí)生活中，人類的許多發(fā)明創(chuàng)造，其最初的靈感，常常來自自然界中某些生物（主要是動(dòng)物）的啟示，這就是我們通常所說的仿生科技. 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿生科技如雨后春筍，不斷萌生，不但提升了人們的生活品質(zhì)，而且正在改變因成本不斷上漲和原材料日益稀缺而陷入困境的某些行業(yè)，發(fā)展前景十分看好.

螳螂蝦與防彈衣

一種名為“螳螂蝦”的軟甲綱動(dòng)物最近引起科學(xué)家的興趣. 這種小動(dòng)物既非螳螂也非蝦，只是因?yàn)殚L相相似而得名. 螳螂蝦以蝸牛、螃蟹等軟體動(dòng)物為食，能用鉗子般的前螯擊碎它們的外殼，力度高達(dá)500牛頓，足以打破水族箱的玻璃. 美國哈佛大學(xué)的詹姆斯·韋弗等人研究發(fā)現(xiàn)，螳螂蝦進(jìn)化出了一種在許多方面都很特別的身體結(jié)構(gòu)，如它那復(fù)雜的復(fù)眼能看到從紫外線到紅外線的各種光線. 更令人驚奇的是，它的螯里面有一種比一切合成材料都要牢固和堅(jiān)韌的多重結(jié)構(gòu)，每個(gè)都能抵御災(zāi)難性破損，即使它的螯在雨點(diǎn)般的敲擊后受損，其身體也會(huì)安然無恙.

通過納米級(jí)的剖析，研究人員進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，螳螂蝦的螯之所以具有極強(qiáng)的抗撞擊能力，是因?yàn)樗捏w內(nèi)有3個(gè)礦物成分和功能各不相同的區(qū)域. 其一是在準(zhǔn)備出擊時(shí)，螳螂蝦會(huì)把螯團(tuán)成一個(gè)大頭棒，其厚度是相鄰附器的5倍. 第二個(gè)區(qū)域叫撞擊區(qū)，也就是螯的外層，它含有羥磷灰石，這種薄薄的物質(zhì)也出現(xiàn)在脊椎動(dòng)物的骨骼和牙齒中，厚度只有50～70納米. 通常情況下，這樣的薄層很容易碎裂，但它下面有一層脫乙酰幾丁質(zhì)，可以分散撞擊力并防止裂痕擴(kuò)散. 第三個(gè)區(qū)域分布在螯的側(cè)面，硬度更低一點(diǎn)，有助于進(jìn)一步分散撞擊力.

正是靠著這種特殊的三叉結(jié)構(gòu)，使得螳螂蝦的螯堅(jiān)韌無比. 模仿這種構(gòu)造，有可能幫助人們研制出更好的防彈服——目前的防彈復(fù)合材料主要使用硅酸鹽、玻璃纖維、特富龍和橡膠，其性能遠(yuǎn)不如螳螂蝦的天然材料.

除了可用作防彈服外，這種多層生物復(fù)合材料還可用來制造多種其它高強(qiáng)度有機(jī)混合材料，如工業(yè)陶瓷等，或者為它們的研發(fā)提供重要借鑒.

壁虎與“蜘蛛服”

意大利都靈理工大學(xué)的尼古拉·普尼奧最近表示，他從壁虎獲得靈感，正在研究一種新型服裝，可以讓穿上它的人，像科幻影片《蜘蛛俠》中的主人公一樣，附著在高樓大廈的墻壁或天花板上，來去自如.

壁虎，一種長約10厘米、背呈暗灰色的爬行綱四足小動(dòng)物，能在光滑如鏡的墻面或天花板上穿梭自如，捕食蚊、蠅、蜘蛛等小蟲子而不會(huì)掉下來. 這種現(xiàn)象引起了普尼奧的注意. 經(jīng)過長時(shí)間的觀察和研究，他終于弄明白了，原來，這是壁虎利用分子的電磁引力，克服了地心引力而具有的一種天生的“特異功能”.

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，在壁虎的爪指頂端長有數(shù)百萬根叫做剛毛的極細(xì)纖維，它們以數(shù)千根為一組，呈刮刀狀排列. 在高倍顯微鏡下觀察，這些刮刀就像是長在絨毛頂端的花耶菜，具有很強(qiáng)的黏附力. 試驗(yàn)證明：100萬根細(xì)纖維（其斷面直徑如一枚錢幣）所具有的黏附力，約可托起一個(gè)20公斤重的小孩. 為什么會(huì)有這樣大的黏附力呢？普尼奧認(rèn)為，這只能從物理學(xué)中的弱力理論得到解釋.

根據(jù)弱力理論，分子間具有一種電磁引力，弱力可使分子與其接觸的任何物體相互吸引. 分子間的這種電磁引力，只有在分子（細(xì)纖維）距離物體表面很近時(shí)，才起作用；二者的距離越近，引力也越大. 但是，僅此還不能完全說明為什么引力會(huì)如此之大. 普尼奧解釋說，是不平衡的電荷互相吸引時(shí)產(chǎn)生的分子間的作用力，導(dǎo)致了強(qiáng)大的黏附力. 目前他正在據(jù)此研發(fā)一種強(qiáng)力干性黏合劑，這種黏合劑將使用一種與壁虎爪指上的絨毛類似的人造絨毛. 普尼奧說，這個(gè)領(lǐng)域的研究在科學(xué)界有著許多有趣的應(yīng)用，如應(yīng)用在航天領(lǐng)域，可使宇航員穿上有吸盤附著系統(tǒng)的宇航服，更加安全地在太空行走；也可以考慮據(jù)此原理研制一種微型機(jī)器人，讓其手足具有與壁虎一樣的高超的攀援功能，去執(zhí)行某種特殊任務(wù).

“蜘蛛服”的研究目前尚存在兩個(gè)問題：其一是如何控制黏性，因?yàn)橐恢别ぴ趬ι喜⒉浑y，只需使用超強(qiáng)膠水就行了；但是如何在很容易地分離以后再黏上去呢？其二是還需要設(shè)計(jì)一套自我清潔裝置，因?yàn)樵谏惩林信佬械谋诨?，每隔幾分鐘就?huì)清潔一下自己的腳趾. 普尼奧說，這些問題的解決已有若干思路或方案，但要真正解決問題，大概還需要幾年時(shí)間.

蝗蟲與防撞汽車

一種從蝗蟲的視覺系統(tǒng)與外界的互動(dòng)方式獲得靈感而創(chuàng)制的新型汽車防撞系統(tǒng)，最近由美國林肯大學(xué)、紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)、德國漢堡大學(xué)和中國清華大學(xué)、西安交通大學(xué)合作研發(fā)成功.

研究發(fā)現(xiàn)，大部分動(dòng)物在與外界互動(dòng)的過程中，視覺都發(fā)揮了關(guān)鍵作用. 甚至連相對(duì)低等的動(dòng)物也具有非凡的視覺處理能力. 例如蝗蟲就擁有一套迅速而準(zhǔn)確的報(bào)警系統(tǒng)，能以異?？斓乃俣葘?duì)正在接近自己的捕食者做出反應(yīng)，并在飛行中避免與它們相撞.

受此啟發(fā)，科學(xué)家們研發(fā)出一種運(yùn)動(dòng)探測(cè)器，將其安裝在機(jī)器人身上，讓其通過視覺信號(hào)輸入就能夠探路或與其它動(dòng)物互動(dòng)，幫助車輛查明前方路段的情況，并更快地采取行動(dòng).

據(jù)介紹，這種以蝗蟲的腦部構(gòu)造為基礎(chǔ)研發(fā)的、能察覺正在接近的物體并避開的機(jī)器人神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)程序，與使用雷達(dá)或紅外線探測(cè)器的傳統(tǒng)方式不同，它能對(duì)蝗蟲的眼睛和神經(jīng)元功能進(jìn)行模擬，以此作為開發(fā)車輛防撞系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而無需傳統(tǒng)方式要求的較強(qiáng)的計(jì)算機(jī)處理能力，因而可用于許多領(lǐng)域.

紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)神經(jīng)系統(tǒng)科學(xué)院的克萊爾·林德博士說：“盡管現(xiàn)在有一些豪華車設(shè)置了防撞功能，但其性能并不盡如人意，而且成本高昂. 我們的研究可以提高車載系統(tǒng)的表現(xiàn)，使其完全剔除人為錯(cuò)誤的影響，因而應(yīng)當(dāng)說是一種方向. ”

（1） 觸角：觸角除觸覺、嗅覺外，還有其他功能. 一旦喪失觸角，蝗蟲就幾乎失去了除視覺外的所有感覺，而蝗蟲分辨物體主要是通過嗅覺而不是視覺.

（2）單眼：蝗蟲一般有3個(gè)單眼，不能夠看東西，僅能夠感光. 復(fù)眼是主要的視覺器官.

（3）復(fù)眼：蝗蟲辨別物體接近或者后退的方式，是通過觀察物體的圖像是否還在其每只復(fù)眼的視覺范圍中運(yùn)動(dòng).

（4）氣門：氣門是氣體出入蝗蟲身體的門戶. 挨著氣門，在蝗蟲腹部第一節(jié)的兩側(cè)，有一對(duì)半月形的薄膜，是蝗蟲的聽覺器官.

（5）氣囊：氣囊的舒張和收縮有利于氣管內(nèi)空氣的進(jìn)出，增加浮力利于飛翔.

（6）前翅：蝗蟲的前翅質(zhì)地較硬、狹長，覆蓋在后翅上起保護(hù)作用，并不適于飛行，后翅呈薄膜狀，柔軟而寬大，適于飛行.