爬行動物仿生秀

Mr.+Frog

仿生學(xué)是高科技的代名詞，它是指運(yùn)用尖端的科學(xué)技術(shù)，來模仿生物的各種官能感覺和思維判斷功能，從而更加有效地為人類服務(wù)。進(jìn)入21世紀(jì)，仿生學(xué)已成為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的前沿和熱點領(lǐng)域，從千姿百態(tài)的動物身上獲取的靈感，給仿生學(xué)帶來了源源不斷的動力。

近代，科學(xué)家根據(jù)螢火蟲的發(fā)光原理，獲得了化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能的新方法，從而研制出超節(jié)能的熒光燈；根據(jù)青蛙眼睛的特殊構(gòu)造研制了電子蛙眼，用于監(jiān)視飛機(jī)起落和跟蹤人造衛(wèi)星；模仿狗鼻子嗅覺功能制造出的電子鼻，可以檢測出極其微量的有毒氣體等。這些科技成果在讓人嘆為觀止的同時，也讓動物仿生學(xué)聲名大噪，論貢獻(xiàn)，爬行動物是其中的佼佼者。

飛檐走壁的秘密

飛檐走壁小精靈—壁虎

不知大家是否還記得，兒時的老房子或老街道的路燈下，時常能見到一種飛檐走壁的小精靈—壁虎。它們在天花板或墻壁上來去自如，引起人們的無限遐想。近年來，電影《蜘蛛俠》更是讓我們對這種幾乎無障礙的運(yùn)動方式充滿了好奇和向往。

飛檐走壁是許多動物與生俱來的能力，壁虎則是爬壁能力極為突出的動物之一。壁虎的腳趾能與固體表面快速黏附或去黏附，因而能在與地面近乎垂直或平行的表面（倒掛著）快速移動。最開始，人們認(rèn)為壁虎能飛檐走壁是因為腳下有吸盤，其實，其趾端膨大的足墊并不是吸盤。真正起作用的，是壁虎足墊和腳趾下鱗上密布的一排排成束的微絨毛，它們?nèi)缤恢恢粡澬蔚男°^，能夠輕而易舉地抓住物體；微絨毛頂端腺體的分泌物，也能增強(qiáng)它的吸附力。

仿生壁虎機(jī)器人

壁虎外周神經(jīng)對腳掌的運(yùn)動控制采用獨立模式，控制策略簡單有效，腳底對接觸力及方向有明確感受，這對仿生壁虎機(jī)器人的控制設(shè)計很有啟發(fā)。其腳趾表面精妙的黏附結(jié)構(gòu)，為人類研制仿生干性黏附陣列材料和研發(fā)新型爬壁機(jī)器人提供了重要線索。南京航空航天大學(xué)的戴振東教授模仿壁虎腳趾結(jié)構(gòu)與動作，設(shè)計了可以在天花板上爬行，并具有一定越障能力的爬壁機(jī)器人，有望在不久的將來應(yīng)用于航空航天等重大領(lǐng)域。

五彩斑斕的變色世界

“偽裝高手”—變色龍

變色龍的種類很多，約有160種，主要分布在非洲。雄性變色龍會將暗黑的保護(hù)色變成明亮的顏色，以警告其他變色龍離開自己的領(lǐng)地；有些變色龍還會將平靜時的綠色變成紅色來威脅敵人。在自然界中，變色龍是當(dāng)之無愧的“偽裝高手”，它可以一動不動地將自己融入周圍的環(huán)境之中。為了逃避天敵和接近獵物，一些昆蟲和青蛙的皮膚也會改變顏色，使之與周圍環(huán)境相一致，但這需要一段時間才能完成，而變色龍如同耍魔術(shù)一般瞬間即變。

變色龍通過視覺觀察環(huán)境，然后用大腦控制不同色素細(xì)胞膨脹或者收縮，從而實現(xiàn)顏色轉(zhuǎn)變。變色龍變換體色不僅僅是為了偽裝，另一個重要作用是實現(xiàn)變色龍之間的信息傳遞?？的螤柎髮W(xué)生物系的安德森對變色龍的“變色原理”進(jìn)行了詳細(xì)解釋：變色龍皮膚有三層色素細(xì)胞，最深的一層是由載黑素細(xì)胞構(gòu)成，細(xì)胞帶有的黑色素可與上一層細(xì)胞相互交融；中間層是由鳥嘌呤細(xì)胞構(gòu)成，它主要調(diào)控暗藍(lán)色素；最外層細(xì)胞則主要是黃色素和紅色素。安德森說：“基于神經(jīng)學(xué)調(diào)控機(jī)制，色素細(xì)胞在神經(jīng)的刺激下會使色素在各層之間交融變換，實現(xiàn)變色龍身體顏色的多種變化?！?/p>

多彩的變色涂料

人類的許多發(fā)明與創(chuàng)造都來自動物體形和行為活動的啟發(fā)，變色鏡就是受變色龍的啟發(fā)設(shè)計的。

科學(xué)家們探索出了一種可以隨光線強(qiáng)度和溫度的不同而改變顏色的涂料，尤其是納米材料問世后，變色手段如虎添翼，更加豐富多彩。當(dāng)把這些涂料涂在玻璃上時，就制成了風(fēng)靡世界的變色鏡。各式各樣的變色鏡不僅美觀，而且可減少光線對眼睛的刺激，對眼睛起到保護(hù)作用。不僅如此，人們還把變色涂料用在衣料、墻面、餐具等物體上，使其在不同溫度和光照下，呈現(xiàn)出各種不同的美麗色彩，從而把人類生活的環(huán)境美化得五彩繽紛、艷麗奪目。另外一個仿生學(xué)應(yīng)用是士兵自變色迷彩服，不過現(xiàn)在還是概念設(shè)計，因為很多技術(shù)還不成熟。

人類的變色發(fā)明雖來自變色龍的啟發(fā)，但變色的手段和花樣都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了它，正是“青出于藍(lán)而勝于藍(lán)”。

暗夜殺手的“第二雙眼睛”

“暗夜殺手”—蝮蛇

二郎神楊戩因為能用第三只眼睛看清妖魔鬼怪的真身，這才識破了孫悟空的七十二般變幻，最后活擒了孫悟空。盡管這只是神話故事里的人物，但卻讓我們對三只眼無比好奇。而現(xiàn)實生活中，真有動物擁有“第二雙眼睛”，當(dāng)然，這雙眼睛不是火眼金睛，也不能洞悉妖魔鬼怪的真面目，但這雙眼睛卻讓黑夜中的獵物無處藏身。這擁有“第二雙眼睛”的動物就是蝮蛇。

蝮蛇是蝮亞科蛇類的總稱，著名的成員有尖吻蝮、竹葉青、高原蝮、莽山烙鐵頭等。它們鋒利的管狀毒牙能瞬間將致命的毒液注入獵物體內(nèi)，一招制敵。更讓人嘆為觀止的是，蝮蛇在夜晚或洞穴內(nèi)僅有弱光甚至無光的環(huán)境中，仍能準(zhǔn)確識別并迅速鎖定目標(biāo)，進(jìn)而發(fā)動迅猛的攻擊。因此，在自然界中的眾多捕食者中，蝮蛇被譽(yù)為“暗夜殺手”。

蝮蛇之所以能在弱光和無光的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)并鎖定獵物，并非因其視力超群，而在于它們擁有“第二雙眼睛”。依靠這雙眼睛，它們可以“看”到目標(biāo)的紅外圖像。這“第二雙眼睛”就是其特有的紅外感知器官—頰窩，位于蝮蛇兩頰部位的一對凹陷狀結(jié)構(gòu)。正是有了頰窩，蝮蛇才能精確感知紅外信息的細(xì)微變化，并以此實現(xiàn)對目標(biāo)的識別和定位。蝮蛇的紅外感覺靈敏度極高，其頰窩內(nèi)部有一層內(nèi)膜，稱為頰窩膜，科學(xué)發(fā)現(xiàn)頰窩膜能分辨0.003～0.005℃的細(xì)微溫度變化。此外，蝮蛇頰窩具有進(jìn)行小孔成像的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，這一特征顯著提高了紅外感覺的靈敏度。

紅外成像的優(yōu)點不言而喻。在野外，由于受獵物數(shù)量的制約，蝮蛇捕獵的機(jī)會少，而且有很多不確定因素。錯失一次捕食機(jī)會，將意味著生存受到威脅。此外，蝮蛇的毒牙鋒利而細(xì)長，極易折斷，長期的進(jìn)化導(dǎo)致蝮蛇必須盡可能地在最短的時間內(nèi)識別和定位目標(biāo)。因此，保證一擊必殺至關(guān)重要。為了適應(yīng)復(fù)雜多變的外界環(huán)境、提高捕食的成功率，蝮蛇的紅外與視覺系統(tǒng)能完美配合。通常，白天光照充足、氣溫較高，蝮蛇視覺系統(tǒng)能發(fā)揮良好的作用；而夜間或在洞穴中，由于目標(biāo)和環(huán)境溫度差異較大，此時紅外系統(tǒng)便可大展身手。

潛力無限的紅外信息世界

從人類生活的生物圈乃至整個地球的角度看，紅外光雖然不能直接為人們?nèi)庋鬯?，但卻無處不在。無論從波長跨度上，還是占太陽能的比重上，都超過了可見光。因此，紅外光所承載的信息量不容小視。但是因為人類無法直接感知，因此紅外光在很大程度上被我們忽略?？梢哉f，紅外信息世界是一個擺在人類面前的隱形寶庫，開啟它必然能回答一些不解之謎。而具有紅外感知的生物，即是讓我們理解和認(rèn)識紅外信息世界的橋梁。因此，對動物紅外感知（尤其是具有成像能力的蛇類紅外感知）的系統(tǒng)研究，無疑能拓展和完善人類的認(rèn)知領(lǐng)域。學(xué)習(xí)、認(rèn)識和掌握動物的紅外感知，必然讓人類的感知世界得到極大擴(kuò)展。

人們從蝮蛇的捕食技巧獲得啟發(fā)，發(fā)明了響尾蛇導(dǎo)彈、紅外夜視儀等仿生產(chǎn)品，在軍事和民用領(lǐng)域大獲成功。然而，有關(guān)蝮蛇紅外感知的研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，其紅外成像機(jī)理，尤其是在各級神經(jīng)系統(tǒng)對紅外圖像參數(shù)的編碼和整合方面，仍需深入和系統(tǒng)地研究。值得注意的是，紅外和視覺系統(tǒng)的相互關(guān)系，是研究雙模神經(jīng)元與雙模神經(jīng)結(jié)構(gòu)及其功能的絕佳材料，清楚地了解兩種圖像信息的配準(zhǔn)與融合原理，可以幫助我們進(jìn)一步完善夜視與定位設(shè)備，為軍事和醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域提供重要理論基礎(chǔ)。

動物仿生學(xué)的未來仍然充滿驚喜，古老而神奇的爬行動物將繼續(xù)驚艷我們的眼球，讓我們拭目以待吧！