(二)仿生昆虫:天生的科学家

 

 

  昆虫和机器似乎是两个世界,彼此不搭界。昆虫是小小的有生命的动物,属于生物领域的范围,而机器则是大大的无生命的机械物体,属于物理机械的范围。一门新兴的学科——仿生学却将两者紧紧地连在了一起,这真是一件很有趣的事情。

  1.蜻蜒的杰出贡献

  远在古代的时候,人们就一直梦想着能像鸟儿一样翱翔蓝天,那该是多么美好和自在啊。以后,经过各国科学家不断的研究、实践、改革,第一架飞机终于诞生了。人们在万分欣喜之余又遇到了麻烦,能飞的飞机时常会在空中出现翻转现象。这究竟是怎么一回事呢?原来飞机的机翼在飞行中出现有害的振动。如果飞机速度较快,这种振动往往就会折断机翼,招致机毁人亡的危险。这个问题如何解决呢?飞翔的蜻蜒使科学家眼前一亮,便将蜻蜒带入实验室,经研究后发现,蜻蜒之所以飞得平稳是因为其膜质前翅端部前缘有一块黑痣,称为翅痣。科学家模仿翅痣在机翼端部前缘处加厚重量,终于克服了颤振,从此人们可以安稳地坐在飞机里飞翔在蓝天了。

  蜻蜒不但在飞机设计上为人类做出了贡献,而且它的眼睛也颇具研究和利用的价值。当我们仔细观察蜻蜓的一对大眼睛—复眼时,可发现它是由成千上万个排列整齐的小眼组成,构造十分独特。每个小眼都有它自己的视觉机能,但由于各自在复眼球面上所处的位置不同,折光度和聚焦功能也不一样,如同照相机的镜头,有长短之分,不论景物远近都能获得清晰的影像。因此蜻蜒在空中飞翔时,它这种独特而敏锐的眼睛能轻而易举地捕捉到各种飞虫,地面上的花草树木都在它眼下急速地移动,但蜻蜓看到的只是单个镜头而不是景物的连续运动。科学家研究和模仿蜻蜓和苍蝇复眼独特的构造原理,制成了复眼照相机,一次就能拍摄几千张重复的照片。仿生照相机的镜头是由1329块小透镜粘和起来的,一次可以拍摄1329张照片,分辨率达4000条线/厘米。这种照相机还可用来大量复制计算机的精细显微电路。

  2.苍蝇的妙用

  苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”,喜腥臭和污秽,并传染各种疾病。仿生科学家从这种令人厌恶的害虫中创造出了不同凡响的价值。

  苍蝇除了眼睛特别出色外,它的嗅觉也是异常敏锐。苍蝇的嗅觉器官能很好地搜集漂浮在空气中的各种气味,甚至能嗅到40公里以外的食物源。科学家研究了苍蝇的嗅觉系统后发现苍蝇是如何将化学反应转化为电脉冲形式的发生机理,揭开了其嗅觉灵敏的奥秘。在此基础上,科学家研制出了电子鼻和气体分析仪,用来辨别气味和测定气体的性质。电子鼻可用于在战场上预测敌方是否施放毒气,还可用于在地震后的废墟中寻找受难者。气体分析仪被用于测定诸如潜艇、飞机、航天飞机等舱内气体的含量和成分。

  苍蝇总能在苍蝇拍下溜之大吉,这是因为其体内有一个微型平衡器——楫翅。楫翅每秒振动300多次,使苍蝇在飞行时保持平衡并在受到外来袭击时迅速做出反应。苍蝇甚至可以不使用平衡器,直接由视觉系统控制行动,苍蝇的视觉系统处理信号的速度是所知生物中最快的。科学家根据苍蝇楫翅的导航原理,研制出的陀螺仪解决了飞行器在高速飞行时出现翻滚和倾斜的难题。现在陀螺仪已在航海、航天航空和军事等领域得到广泛的应用。

  3.人造丝的“发明家”

  蜘蛛虽然不是昆虫,但它同昆虫一样,也属于节肢动物,也为仿生科学做出了贡献。蜘蛛常常躲在角落里,张起一张大大的网,静静地等待着猎物的到来。当一只漫不经心的飞虫撞到网上,蜘蛛便闻讯赶到飞虫落网的地方,它那像喷壶状并有许多小孔的丝束便会喷出许多丝,很快就将“自投罗网”的飞虫捆绑住,用毒牙把猎物麻醉后,饱餐一顿。生物学家研究蜘蛛这套本领后,根据仿生学原理发明出了人造丝。

  蛛丝超强的强度和出色的弹性使其成为世界上最好的防弹衣的原料。由于蜘丝的来源极为有限,提取工艺较复杂,技术难度很高,规模生产几乎是不可能的,所以科学家正对蛛丝的蛋白质化学性质、结构和蛋白晶体聚合物的转化过程作进一步的研究,以期能研制出人工合成蜘蛛丝。加拿大科学家将山羊乳液与蜘丝蛋白联系了起来,并由此研制出了一种新的轻型纤维材料。实验证明,这种人造丝比钢材的强度更高,弹性更足,被誉为生物“钢材”。科学家发现山羊乳液中所含的奶蛋白同蜘蛛的丝蛋白的生成模式是一样的。他们将蜘蛛的蛋白生成基因移植到山羊的乳腺细胞中,从山羊的乳液中提取出了类似蛛丝的可溶性蛋白,成功地研制出了模仿蜘蛛吐丝的最新技术。这种人造丝可在环境中降解,应用范围很广泛,既可制成盛装洗发香波的高强度塑料,亦可用于编织海洋捕鱼的拖网。

  4.蜜蜂的启示

  蜜蜂除了带给人类蜂蜜、辛勤传授花粉外,其蜂巢使建筑学家大受启发。蜂巢是由许多六角形柱状体的窝按照严格的顺序配置构筑起来的。六角形柱状体在建筑学上是一种最经济的形状。在其他条件相同的情况下,这种形状的窝具有最小面积和最大容量的特点,所以建房所需的材料也最少。蜜蜂不愧为节约的“标兵”,它使人类在建造房子时收益非浅。

  5.蝴蝶翅膀与电脑芯片

  在你长时间使用电脑后,如果电脑芯片能迅速冷却下来的话,得感谢蝴蝶翅膀的帮助,当然这并不意味着在你的电脑机箱内,有一只蝴蝶正对着芯片大扇其翅膀,而是研究设计人员从自然野生的翅膀中得到了启发。科学家对凤蝶、粉蝶进行了专门的研究,他们想利用几百万年来蝴蝶翅膀进化出来的绝妙散热功能,研制出在长时间运作的状态下能保持恒温的电脑芯片。

  电脑芯片的发展趋势是运行质量高、容量大,厚度却越来越薄,所以芯片的有效散热性能就变得特别重要。科学家说,先进的半导体是内部构造复杂化和外型小型化的统一。这牵涉到许多急需解决的热转换问题。当芯片变薄时,热转换效应就无法预测了,而且传统的热转换方式,如散热片和风扇也会失去效果。

  蝴蝶翅膀可以给予我们一定的启示和帮助。所有的冷血动物都是保持其体内的热转换来维持生命的。蝴蝶在温暖的阳光下时,它的翅膀的构造会辨别其摄入的不同热量。人们用手去抓蝴蝶时,手指就会沾上白色粉末,在显微镜下可以观察到,粉末是由100微米长的扁平的囊状物组成。囊状物由无数对称的角质层构成,角质层是生物体外骨骼,由几丁质组成,其表面并不光洁。阳光照在蝴蝶翅膀上后立即被均匀分散,是受到了角质层的反射作用,这就是为何人们看到蝴蝶翅膀总是闪闪发光的原因。蝴蝶利用翅膀散热来调节体温、联络、求偶和伪装。研究人员模拟蝴蝶翅膀的结构和功能,希望尽快研制出能使电脑芯片持续均匀散热的理想的散热装置,并推广应用到其他的高科技领域。

  6.仿生昆虫多奥秘

  亲爱的读者,你一定已从前述了解到昆虫在仿生学上的非凡贡献和远大前途。在充满着神秘色彩的昆虫王国,还有许多昆虫尚待我们人类去开发和利用。昆虫的复眼,尤其是蜻蜒、苍蝇、豉虫的复眼还有可利用的仿生价值。如豉虫是一种夏天在池塘和河湾里常见的黑色小甲虫,整天在水面上滑来滑去,当你凑近看时,它就会溜走。豉虫的每只眼睛都分成水上和水下两部分,似乎有四只眼睛,两只观察水里,两只照看天空。豉虫的触角也很特别,触角上密密地布满了刚毛,能探测水面的表面波压力,并通过神经将定位报告给大脑,使虫体得知周围环境的情况。豉虫这种特殊的定位系统,使得无线电定位设计者对其产生浓厚的兴趣。还有一种叫气步甲的甲虫,常能在尾部急速喷出一股令人难闻的气体,使来犯者受到突如其来的打击,往往狼狈逃窜。气步甲可为人类解决过氧化氢的保存问题提供研究线索。

  此外,著名的“跳高名将”跳蚤轻松一跃,其高度相当于其身长的100倍,这种惊人的弹跳力又可以使我们受到启示。一个小小的蝉伏在树上悠闲地鸣叫着,远远地便可招引人的听觉,这一切仿佛在显示,各种昆虫独特的结构和功能,特殊的生活方式,在仿生学上都有着尚待探索的奥秘。

(陈小钰;乐文俊)