令人討厭的蒼蠅,與宏偉的航天事業(yè)似乎風(fēng)馬牛不相及,但仿生學(xué)卻把它們緊密地聯(lián)系起來(lái)了.
蒼蠅是聲名狼藉的“逐臭之夫”,凡是腥臭污穢的地方,都有它們的蹤跡.蒼蠅的嗅覺(jué)特別靈敏,遠(yuǎn)在幾千米外的氣味也能嗅到.但是蒼蠅并沒(méi)有“鼻子”,它靠什么來(lái)充當(dāng)嗅覺(jué)的呢? 原來(lái),蒼蠅的“鼻子”——嗅覺(jué)感受器分布在頭部的一對(duì)觸角上.
每個(gè)“鼻子”只有一個(gè)“鼻孔”與外界相通,內(nèi)含上百個(gè)嗅覺(jué)神經(jīng)細(xì)胞.若有氣味進(jìn)入“鼻孔”,這些神經(jīng)立即把氣味刺激轉(zhuǎn)變成神經(jīng)電脈沖,送往大腦.大腦根據(jù)不同氣味物質(zhì)所產(chǎn)生的神經(jīng)電脈沖的不同,就可區(qū)別出不同氣味的物質(zhì).因此,蒼蠅的觸角像是一臺(tái)靈敏的氣體分析儀.
仿生學(xué)家由此得到啟發(fā),根據(jù)蒼蠅嗅覺(jué)器的結(jié)構(gòu)和功能,仿制成一種十分奇特的小型氣體分析儀.這種儀器的“探頭”不是金屬,而是活的蒼蠅.就是把非常纖細(xì)的微電極插到蒼蠅的嗅覺(jué)神經(jīng)上,將引導(dǎo)出來(lái)的神經(jīng)電信號(hào)經(jīng)電子線(xiàn)路放大后,送給分析器；分析器一經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣味物質(zhì)的信號(hào),便能發(fā)出警報(bào).這種儀器已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里,用來(lái)檢測(cè)艙內(nèi)氣體的成分.
這種小型氣體分析儀,也可測(cè)量潛水艇和礦井里的有害氣體.利用這種原理,還可用來(lái)改進(jìn)計(jì)算機(jī)的輸入裝置和有關(guān)氣體色層分析儀的結(jié)構(gòu)原理中.
從螢火蟲(chóng)到人工冷光
自從人類(lèi)發(fā)明了電燈,生活變得方便、豐富多了.但電燈只能將電能的很少一部分轉(zhuǎn)變成可見(jiàn)光,其余大部分都以熱能的形式浪費(fèi)掉了,而且電燈的熱射線(xiàn)有害于人眼.那么,有沒(méi)有只發(fā)光不發(fā)熱的光源呢? 人類(lèi)又把目光投向了大自然.
在自然界中,有許多生物都能發(fā)光,如細(xì)菌、真菌、蠕蟲(chóng)、軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物、昆蟲(chóng)和魚(yú)類(lèi)等,而且這些動(dòng)物發(fā)出的光都不產(chǎn)生熱,所以又被稱(chēng)為“冷光”.
在眾多的發(fā)光動(dòng)物中,螢火蟲(chóng)是其中的一類(lèi).螢火蟲(chóng)約有1 500種,它們發(fā)出的冷光的顏色有黃綠色、橙色,光的亮度也各不相同.螢火蟲(chóng)發(fā)出冷光不僅具有很高的發(fā)光效率,而且發(fā)出的冷光一般都很柔和,很適合人類(lèi)的眼睛,光的強(qiáng)度也比較高.因此,生物光是一種人類(lèi)理想的光.
科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn),螢火蟲(chóng)的發(fā)光器位于腹部.這個(gè)發(fā)光器由發(fā)光層、透明層和反射層三部分組成.發(fā)光層擁有幾千個(gè)發(fā)光細(xì)胞,它們都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.螢火蟲(chóng)的發(fā)光,實(shí)質(zhì)上是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成光能的過(guò)程.
早在40年代,人們根據(jù)對(duì)螢火蟲(chóng)的研究,創(chuàng)造了日光燈,使人類(lèi)的照明光源發(fā)生了很大變化.近年來(lái),科學(xué)家先是從螢火蟲(chóng)的發(fā)光器中分離出了純熒光素,后來(lái)又分離出了熒光酶,接著,又用化學(xué)方法人工合成了熒光素.由熒光素、熒光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充滿(mǎn)爆炸性瓦斯的礦井中當(dāng)閃光燈.由于這種光沒(méi)有電源,不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng),因而可以在生物光源的照明下,做清除磁性水雷等工作.
現(xiàn)在,人們已能用摻和某些化學(xué)物質(zhì)的方法得到類(lèi)似生物光的冷光,作為安全照明用.
電魚(yú)與伏特電池
自然界中有許多生物都能產(chǎn)生電,僅僅是魚(yú)類(lèi)就有500余種 .人們將這些能放電的魚(yú),統(tǒng)稱(chēng)為“電魚(yú)”.
各種電魚(yú)放電的本領(lǐng)各不相同.放電能力最強(qiáng)的是電鰩、電鯰和電鰻.中等大小的電鰩能產(chǎn)生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能產(chǎn)生的電壓高達(dá)220伏；非洲電鯰能產(chǎn)生350伏的電壓；電鰻能產(chǎn)生500伏的電壓,有一種南美洲電鰻竟能產(chǎn)生高達(dá)880伏的電壓,稱(chēng)得上電擊冠軍,據(jù)說(shuō)它能擊斃像馬那樣的大動(dòng)物.
電魚(yú)放電的奧秘究竟在哪里?經(jīng)過(guò)對(duì)電魚(yú)的解剖研究, 終于發(fā)現(xiàn)在電魚(yú)體內(nèi)有一種奇特的發(fā)電器官.這些發(fā)電器是由許多叫電板或電盤(pán)的半透明的盤(pán)形細(xì)胞構(gòu)成的.由于電魚(yú)的種類(lèi)不同,所以發(fā)電器的形狀、位置、電板數(shù)都不一樣.電鰻的發(fā)電器呈棱形,位于尾部脊椎兩側(cè)的肌肉中；電鰩的發(fā)電器形似扁平的腎臟,排列在身體中線(xiàn)兩側(cè),共有200萬(wàn)塊電板;電鯰的發(fā)電器起源于某種腺體,位于皮膚與肌肉之間,約有500萬(wàn)塊電板.單個(gè)電板產(chǎn)生的電壓很微弱,但由于電板很多,產(chǎn)生的電壓就很大了.
電魚(yú)這種非凡的本領(lǐng),引起了人們極大的興趣.19世紀(jì)初,意大利物理學(xué)家伏特,以電魚(yú)發(fā)電器官為模型,設(shè)計(jì)出世界上最早的伏打電池.因?yàn)檫@種電池是根據(jù)電魚(yú)的天然發(fā)電器設(shè)計(jì)的,所以把它叫做“人造電器官”.對(duì)電魚(yú)的研究,還給人們這樣的啟示：如果能成功地模仿電魚(yú)的發(fā)電器官,那么,船舶和潛水艇等的動(dòng)力問(wèn)題便能得到很好的解決.
水母的順風(fēng)耳
“燕子低飛行將雨,蟬鳴雨中天放晴.”生物的行為與天氣的變化有一定關(guān)系.沿海漁民都知道,生活在沿岸的魚(yú)和水母成批地游向大海,就預(yù)示著風(fēng)暴即將來(lái)臨.
水母,又叫海蜇,是一種古老的腔腸動(dòng)物,早在5億年前,它就漂浮在海洋里了.這種低等動(dòng)物有預(yù)測(cè)風(fēng)暴的本能,每當(dāng)風(fēng)暴來(lái)臨前,它就游向大海避難去了.
原來(lái),在藍(lán)色的海洋上,由空氣和波浪摩擦而產(chǎn)生的次聲波 (頻率為每秒8—13次),總是風(fēng)暴來(lái)臨的前奏曲.這種次聲波人耳無(wú)法聽(tīng)到,小小的水母卻很敏感.仿生學(xué)家發(fā)現(xiàn),水母的耳朵的共振腔里長(zhǎng)著一個(gè)細(xì)柄,柄上有個(gè)小球,球內(nèi)有塊小小的聽(tīng)石,當(dāng)風(fēng)暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽(tīng)石時(shí),聽(tīng)石就刺激球壁上的神經(jīng)感受器,于是水母就聽(tīng)到了正在來(lái)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(cè)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(cè)儀能提前15小時(shí)對(duì)風(fēng)暴作出預(yù)報(bào),對(duì)航海和漁業(yè)的安全都有重要意義.
-- 結(jié)構(gòu)構(gòu)件
對(duì)于構(gòu)件,在截面面積相同的情況下,把材料盡可能放到遠(yuǎn)離中和軸的位置上,是有效的截面形狀.有趣的是,在自然界許多動(dòng)植物的組織中也體現(xiàn)了這個(gè)結(jié)論.例如：“疾風(fēng)知?jiǎng)挪荨?許多能承受狂風(fēng)的植物的莖部是維管狀結(jié)構(gòu),其截面是空心的.支持人承重和運(yùn)動(dòng)的骨骼,其截面上密實(shí)的骨質(zhì)分布在四周,而柔軟的骨髓充滿(mǎn)內(nèi)腔.在建筑結(jié)構(gòu)中常被采用的空心樓板、箱形大梁、工形截面鈑梁以及折板結(jié)構(gòu)、空間薄壁結(jié)構(gòu)等都是根據(jù)這條結(jié)論得來(lái)的.
-- 斑馬
斑馬生活在非洲大陸,外形與一般的馬沒(méi)有什么兩樣,它們身上的條紋是為適應(yīng)生存環(huán)境而衍化出來(lái)的保護(hù)色.在所有斑馬中,細(xì)斑馬長(zhǎng)得最大最美.它的肩高140-160厘米,耳朵又圓又大,條紋細(xì)密且多.斑馬常與草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鴕鳥(niǎo)等共外,以抵御天敵.人類(lèi)將斑馬條紋應(yīng)用到軍事上是一個(gè)是很成功仿生學(xué)例子.
補(bǔ)充（ 最新發(fā)展）：
仿生學(xué)與遺傳學(xué)的整合是系統(tǒng)生物工程（systems bio-engineering）的理念,也就是發(fā)展遺傳工程的仿生學(xué).人工基因重組、轉(zhuǎn)基因技術(shù)是自然重組、基因轉(zhuǎn)移的模仿,還天然藥物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生,人工神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)是細(xì)胞系統(tǒng)水平的仿生,跟隨單基因遺傳學(xué)、單基因轉(zhuǎn)移發(fā)展到多基因系統(tǒng)調(diào)控研究的系統(tǒng)遺傳學(xué)（system genetics）、多基因轉(zhuǎn)基因的合成生物學(xué)（synthetic biology）,以及納米生物技術(shù)（nano-biotechnology）、生物計(jì)算（bio - computation、DNA計(jì)算機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)生物工程發(fā)展,仿生學(xué)已經(jīng)全面發(fā)展到一個(gè)從分子、細(xì)胞到器官的人工生物系統(tǒng)（artificial biosystem）開(kāi)發(fā)的時(shí)代.
人類(lèi)的發(fā)明——來(lái)自動(dòng)物的靈感科學(xué)家根據(jù)火野豬的鼻子測(cè)毒的奇特本領(lǐng)制成了世界上第一批防毒面具.火箭升空利用的是水母、墨魚(yú)反沖原理.科研人員通過(guò)研究變色龍的變色本領(lǐng),為部隊(duì)研制出了不少軍事偽裝裝備.科學(xué)家研究青蛙的眼睛,發(fā)明了電子蛙眼.美國(guó)空軍通過(guò)毒蛇的“熱眼”功能,研究開(kāi)發(fā)出了微型熱傳感器.人類(lèi)還利用蛙跳的原理設(shè)計(jì)了蛤蟆夯(hang).人類(lèi)模仿警犬的高靈敏嗅覺(jué)制成了用于偵緝的“電子警犬”.
仿生與高科技 科學(xué)家通過(guò)對(duì)海豚游泳阻力小的研究發(fā)明了能提高魚(yú)雷航速的人工海豚皮；以及模仿袋鼠在沙漠運(yùn)動(dòng)形式的無(wú)輪汽車(chē)(跳躍機(jī))等.
前蘇聯(lián)科學(xué)院動(dòng)物研究所的科學(xué)家在企鵝王的啟示下,他們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型汽車(chē)－－“企鵝王”牌極地越野汽車(chē).這種汽車(chē)的寬闊的底部,直接貼在雪面上,用輪勺撐動(dòng)著前進(jìn),行駛速度可達(dá)50公里／小時(shí).
科學(xué)家模仿昆蟲(chóng)制造了太空機(jī)器人.
澳大利亞國(guó)立大學(xué)的一個(gè)科研小組通過(guò)對(duì)幾種昆蟲(chóng)的研究,已經(jīng)研制出一個(gè)小型的導(dǎo)航和飛行控制裝置.這種裝置可以用來(lái)裝備用于火星考察的小型飛行器.
英國(guó)科學(xué)家在仿生學(xué)啟發(fā)下,正在研制一種可以靠尾鰭擺動(dòng)以S形“游水”的潛艇新式潛艇的主要?jiǎng)?chuàng)新之處是使用了被稱(chēng)為“象鼻致動(dòng)器”的裝置.“象鼻”由一組用薄而柔軟的材料做成的軟管組成,模仿肌肉活動(dòng),推動(dòng)鰭的運(yùn)動(dòng).這種新式潛艇可以充當(dāng)水底掃雷潛艇,用來(lái)對(duì)付最輕微的聲響或干擾便會(huì)引爆的水雷.