1、SHENG WU XUE动物 仿生 科学 本 属 于 生 物 学 课 件Vol.Vol.01 2010年11月06日出版F.S.X.关于仿生 仿生是模仿生物系统的功能和行为，来建造技术系统的一种科学方法。它打破了生物和机器的界限，将各种不同的系统沟通起来。随着仿生的广泛应用，必将更有力地推动科学技术的发展，造福于人类。1.1.长颈鹿与宇航员长颈鹿与宇航员2.2.萤火虫与冷光萤火虫与冷光3.3.蝙蝠的回声定位与雷达蝙蝠的回声定位与雷达4.4.乌龟的龟壳与薄壳建筑乌龟的龟壳与薄壳建筑5.5.蜻蜓与飞机蜻蜓与飞机6.6.蜘蛛与装甲蜘蛛与装甲7.7.鲸鱼与潜艇鲸鱼与潜艇8.8.青蛙与电子眼青蛙与电子眼
2、9.9.蝴蝶与人造卫星蝴蝶与人造卫星10.10.鲨鱼与游泳衣鲨鱼与游泳衣目录目录长颈鹿与宇航员失重现象长颈鹿与宇航员失重现象 长颈鹿长颈鹿之所以能将血液通过长长的之所以能将血液通过长长的颈输送到头部，是由于长颈鹿的颈输送到头部，是由于长颈鹿的血压很血压很高。高。据测定，长颈鹿的血压比人的正常据测定，长颈鹿的血压比人的正常血压高出血压高出2倍。这样高的血压为什么不倍。这样高的血压为什么不会使长颈鹿患脑溢血而死亡呢？会使长颈鹿患脑溢血而死亡呢？这与长颈鹿身体的结构有关。首先，长颈鹿血管周围的肌肉非常发达，能压缩血管，控制血流量；同时长颈鹿腿部及全身的皮肤和筋膜绷得很紧，利于下肢的血液向上回流。科学
3、家由此受到启示，在训练宇航员对，设置一种特殊器械，让宇航员利用这种器械每天锻炼几小时，以防止宇航员血管周围肌肉退化；在宇宙飞船升空时，科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤可控制血管压力的原理，研制了飞行服“抗荷服”。抗荷服上安有充气装置，随着飞船速度的增高，抗荷服可以充入一定量的气体，从而对血管产生一定的压力，使宇航员的血压保持正常。同时，宇航员腹部以下部位是套入抽去空气的密封装置中的，这样可以减小宇航员腿部的血压，利于身体上部的血液向下肢输送。1萤火虫与冷光萤火虫与冷光 萤火虫在夏日夜晚发出萤火虫在夏日夜晚发出的光的光,和太阳光以及各种电灯和太阳光以及各种电灯光都不一样。光都不一样。太阳依靠太阳依
4、靠核聚变来发光核聚变来发光,电灯依靠电流电灯依靠电流对灯丝的加热对灯丝的加热,它们在发光时它们在发光时都伴随有热的产生。因此都伴随有热的产生。因此,人人们称它们为热光源。萤火虫们称它们为热光源。萤火虫发出的光发出的光,是由体内一系列特是由体内一系列特殊的殊的化学反应引起化学反应引起的。由于的。由于它能它能100%地将能量转换成光地将能量转换成光能能,不产生热量不产生热量,人们就称它人们就称它为冷为冷光源光源。萤火虫的特异功能是由它体内所含的荧光素、荧光酶和氧气相互作用的结果。荧光酶是一种蛋白质,是发光的催化剂,在它的作用下,荧光素便和氧气发生化学反应,形成氧化荧光素。在这个化学反应中,每氧化一
5、个荧光素分子就发射出一个光子,因而反应所产生的能量全部以光的形式释放出来。自然界能够发光的生物还有许多种。有一种甲壳动物,在它们由干燥变成潮湿的时候,能发出辉光。第二次世界大战中,日本兵感到较强的灯光危险性太大,就在干燥的甲壳动物上吐一点儿唾沫,它发出的光足够阅读一张地图。生物发光的强度虽然不大,但却给人们研究新光源以重要启示。23蝙蝠的回声定位与雷达雷达是一种神奇的电学器具，它由电磁波往返时间，测得阻波物的距离。假如你问雷达是谁发明的？在芬克的雷达机械中说，“雷达的发明，不能专归于某一位科学家，乃是许多无线电学工程师努力研究，加以调准而成。”在战时，美国麻省理工学院由五百位科学家和工程师致力
6、于雷达的研究。希奇得很，在自然界中，你找得到神为某种动物所豫备的雷达。在一九四七年一月号的英国奋勉杂志上，科学家B.Vesey-Fitzgerald 发表了一篇很有趣的文本，给我们解释蝙蝠在黑暗中如何指导自己飞行，不论如何黑暗，如何狭窄的地方，绝不碰壁，这是什么原因？它怎样知道前面有无障碍呢？关于这事有两位美国生物学家格利芬和迦朗包在一九四年已经证明，蝙蝠能够避免碰撞，是藉一种天然雷达，不过是声波代替电磁波，在原理方面完全相仿。从蝙蝠口中发出一种频率极高的声波，超过人类听觉范围以外，二位科学家藉着一种特制的电力设备，在蝙蝠飞行时，将它所发的高频率声波记录出来。这种声波碰到墙上，必然折回，它的耳
7、膜就能分辨障碍物的距离远近，而向适宜方向飞去。蝙蝠传输声波也像雷达一样，都是相距极短的时间而且极有规则，并且每只蝙蝠，有其固有的频率，这样蝙蝠可分清自己的声音，不至发生扰乱。因这缘故，蝙蝠飞行之时，常是张口，假如你将它口紧闭，它便失去指挥作用，假如堵上它的耳朵，便要撞到墙上，无法飞行。这个有趣的实验，道破了它的秘密。4乌龟的龟壳与薄壳建筑乌龟的龟壳与薄壳建筑龟壳的背甲呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有龟壳的背甲呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有2 mm的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类
8、建筑有许多优点：用料少，跨度大，进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，跨度大，坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌剧院坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌剧院则像一组泊港的群帆。则像一组泊港的群帆。蜻蜓与飞机蜻蜓与飞机蜻蜓通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流，并利用气流产生的涡流来使自己上升。蜻蜓能在很小的推力下翱翔，不但可向前飞行，还能向后和左右两侧飞行，其向前飞行速度可达72公里/小时。此外，蜻蜓的飞行行为简单，仅靠两对翅膀不停地拍打。科学家据此结构基础研制成功了直升飞机。飞机在高速飞行时，常会引起剧烈振动，甚至有时会折断机翼而引起飞机失事
9、。蜻蜓依靠加重的翅膀在高速飞行时安然无恙，于是人们效仿蜻蜓在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题。为了研究滑翔飞行和碰撞的空气动力学以及其飞行的效率，一个四叶驱动，用远程水平仪控制的机动机翼（翅膀）模型被研制，并第一次在风洞内测试了各项飞行参数。第二个模型试图安装一个以更快频率飞行的翅膀，达到每秒18次震动的速度。有特色的是，这个模型采用了可变可调节前后两对机翼之间相差的装置。研究的中心和长远目标，是要研究使用“翅膀”驱动的飞机表现，以及与传统的螺旋推动器驱动的飞机效率的比较等等。56蜘蛛与装甲蜘蛛与装甲蜘蛛和装甲 生物学家发现蜘蛛丝的强度相当于同等体积的钢丝
10、的5倍。受此启发，英国剑桥一所技术公司试制成犹如蜘蛛丝一样的高强度纤维。用这种纤维做成的复合材料可以用来做防弹衣、防弹车、坦克装甲车等结构材料。鲸鱼与潜艇鲸鱼与潜艇鲸鱼和潜艇的“鲸背效应”当代核潜艇能长时间潜航于冰海之下，但若在冰下发射导弹，则必须破冰上浮，这就碰到了力学上的难题。潜舴专家从鲸鱼每隔10分钟必须破冰呼吸一次中得到启迪，在潜艇顶部突起的指挥台围壳和上层建筑方面，作了加强材料力度和外形仿鲸背处理，果然取得了破冰时的“鲸背效应”。78青蛙与电子眼青蛙与电子眼为了弄清楚为什么青蛙一定要等飞蛾起飞才发动攻击，仿生学家对青蛙进行了特殊的实验研究。原来，蛙眼视网膜的神经细胞分成五类，一类只对
11、颜色起反应，另外四类只对运动目标的某个特征起反应，并能把分解出的特征信号输送到大脑视觉中枢视顶盖。视顶盖上有四层神经细胞，第一层对运动目标的反差起反应；第二层能把目标的凸边抽取出来；第三层只看见目标的四周边缘；第四层则只管目标暗前缘的明暗变化。这四层特征就好像在四张透明纸上的画图，迭在一起，就是一个完整的图像。因此，在迅速飞动的各种形状的小动物里，青蛙可立即识别出它最喜欢吃的苍蝇和飞蛾，而对其他飞动着的东西和静止不动景物都毫无反应。弄清了蛙眼的原理和结构，仿生学家就发明了电子蛙眼。蝴蝶与人造卫星蝴蝶与人造卫星蝴蝶和卫星控温系统 遨游太空的人造卫星，当受到阳光强烈辐射时，卫星温度会高达200摄氏
12、度；而在阴影区域，卫星温度会下降至零下200摄氏度左右，这很容易烤坏或冻坏卫星上的精密仪器仪表，它一度曾使航天科学家伤透了脑筋。后来，人们从蝴蝶身上受到启迪。原来，蝴蝶身体表面生长着一层细小的鳞片，这些鳞片有调节体温的作用。每当气温上升、阳光直射时，鳞片自动张开，以减少阳光的辐射角度，从而减少对阳光热能的吸收；当外界气温下降时，鳞片自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把体温控制在正常范围之内。科学家经过研究，为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。910鲨鱼与游泳衣鲨鱼与游泳衣鲨鱼皮这个名字可不是白叫的，该款游装的设计灵感确实来源于鲨鱼。在鲨鱼的皮肤表面上分布着许多的齿状突起，它
13、们能够保持好水流的流态，并产生具有卷吸作用的稳定的涡流，可以有效的减少表面磨擦阻力和压差阻力，令鲨鱼更为顺畅的在水中游动。鲨鱼皮游泳衣精确的模拟了海洋霸王的表皮结构，其齿状突起科学的按照鲨鱼表皮的比例尺寸制造，使其更加符合自然规律，这也就是它最大的秘密。别外，鲨鱼皮游衣的面料主要采用一种叫做箍铜树脂薄膜的新型的高科技产品，具有极强的弹性和伸展性，它更好的紧束人体外形，尽可能创造出流线性效果，同时还可以压缩肌肉，减少肌肉在水中的摆动，要知道肌肉在水中的摆动正是形状阻力产生的主要来源。鲨鱼皮游泳衣是把仿生学理论和流体力学理论运用到体育领域里中的一次尝试，有专家甚至认为它是继比基尼问世以来在泳衣设计
14、上的又一次跨时代革命，由于世界大赛上顶尖高手间的差距往往只在毫厘之间，如果鲨鱼皮真的能提高哪怕1的成绩，那么现在的各项世界纪录，在它的影响下都将形同虚设。仿生造型设计 鸟类的蛋具有如此大的承受力鸟类的蛋具有如此大的承受力,是与是与它特有的蛋形曲线和科学的结构分不开它特有的蛋形曲线和科学的结构分不开的的.蛋的结构有蛋的结构有3层层,外层为表皮层外层为表皮层,又称闪又称闪光层光层,中层为海绵层中层为海绵层,内层为乳头层内层为乳头层,不同不同的鸟类具有不同的的鸟类具有不同的3层显微结构层显微结构.仿生造型设计 像鸡蛋那样的薄壳结构是如像鸡蛋那样的薄壳结构是如此的丰富多彩而变化万干此的丰富多彩而变化万
15、干,有禽有禽蛋蛋,贝壳贝壳,蚌蚌,螺螺,蜗牛蜗牛,蟹蟹,鱼子鱼子,眼球眼球,头颅头颅,豆荚豆荚,种子种子,果核等等果核等等,它们以它们以最合理最合理,最自然最自然,最经济最经济,最有效最有效,最最进步进步,最优美的形式竞相媲美最优美的形式竞相媲美,争争放异彩放异彩.仿生造型设计车身结构，就象哺车身结构，就象哺乳动物的骨骼，支乳动物的骨骼，支撑着体内的其他部撑着体内的其他部分。对于宝马分。对于宝马3 3系，系，车身重量约占整车车身重量约占整车的的20%20%，而人的骨，而人的骨骼占人体重的骼占人体重的18%18%。再以马为例，马的再以马为例，马的骨骼与其总体重之骨骼与其总体重之比达到完美的比达到
16、完美的710%710%，平衡的秘，平衡的秘密就在于马骨骼的密就在于马骨骼的结构和密度。结构和密度。总重量总重量/高负重组织结构高负重组织结构以马为鉴的轻质技术以马为鉴的轻质技术仿生造型设计宝马的宝马的H2RH2R氢燃料汽氢燃料汽车最高时速达车最高时速达300.175300.175公里。无庸公里。无庸置疑，发挥到极至的置疑，发挥到极至的空气动力学是实现这空气动力学是实现这一高速的关键因素。一高速的关键因素。宝马宝马H2RH2R外型和设计外型和设计的灵感来自海豚和企的灵感来自海豚和企鹅的低阻身材。圆鼓鹅的低阻身材。圆鼓的前脸、收起的尾部的前脸、收起的尾部，极小的正锋面，成，极小的正锋面，成就了其就
17、了其0.210.21的阻力系的阻力系数。而球的阻力系数数。而球的阻力系数则是则是0.500.50。鱼、海豚、企鹅鱼、海豚、企鹅流线品质的最佳化流线品质的最佳化响尾蛇的视力几乎为零，但其鼻子上响尾蛇的视力几乎为零，但其鼻子上的颊窝器官具有热定位功能，对的颊窝器官具有热定位功能，对0.001摄氏度的温差都能感觉出来，摄氏度的温差都能感觉出来，且反应时间不超过且反应时间不超过0.1秒。即使爬虫、秒。即使爬虫、小兽等在夜间入睡后，凭借它们身体小兽等在夜间入睡后，凭借它们身体所发出的热能，响尾蛇就能感知并敏所发出的热能，响尾蛇就能感知并敏捷地前往捕食。科学家根据响尾蛇这捷地前往捕食。科学家根据响尾蛇这一奇特功能，研制出现代夜视仪、空一奇特功能，研制出现代夜视仪、空对空响尾蛇导弹，以及仿生红外探测对空响尾蛇导弹，以及仿生红外探测器。器。蝙蝠发出的超声波遇蝙蝠发出的超声波遇到障碍物就会被反射到障碍物就会被反射回来，迅速判断前方回来，迅速判断前方是什么物体，距离有是什么物体，距离有多远，是食物，树干多远，是食物，树干还是敌人，然后决定还是敌人，然后决定进攻或躲避。进攻或躲避。经过蝙蝠的经过蝙蝠的启示，人类启示，人类发明了声纳，发明了声纳，即超声波测即超声波测距仪距仪,用于用于各个领域，各个领域，发挥着重要发挥着重要的作用。的作用。
