昆蟲與仿生學(xué)

　　昆蟲個(gè)體小，種類和數(shù)量龐大，占現(xiàn)存動(dòng)物的75%以上，遍布全世界。它們有各自的生存絕技，有些技能連人類也自嘆不如。人們對(duì)自然資源的利用范圍越來越廣泛，特別是仿生學(xué)方面的任何成就，都來自生物的某種特性。

　　蝴蝶與仿生

　　五彩的蝴蝶錦色粲然，如重月紋鳳蝶、褐脈金斑蝶等，尤其是螢光翼鳳蝶，其后翅在陽光下時(shí)而金黃，時(shí)而翠綠，有時(shí)還由紫變藍(lán)�？茖W(xué)家通過對(duì)蝴蝶色彩的研究，為軍事防御帶來了極大的裨益。在二戰(zhàn)期間，德軍包圍了列寧格勒，企圖用轟炸機(jī)摧毀其軍事目標(biāo)和其他防御設(shè)施。蘇聯(lián)昆蟲學(xué)家施萬維奇根據(jù)當(dāng)時(shí)人們對(duì)偽裝缺乏認(rèn)識(shí)的情況，提出利用蝴蝶的色彩在花叢中不易被發(fā)現(xiàn)的道理，在軍事設(shè)施上覆蓋蝴蝶花紋般的偽裝。因此，盡管德軍費(fèi)盡心機(jī)，但列寧格勒的軍事基地仍安然無惹，為贏得最后的勝利奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)同樣的原理，后來人們還生產(chǎn)出了迷彩服，大大減少了戰(zhàn)斗中的傷亡。

　　人造衛(wèi)星在太空中由于位置的不斷變化可引起溫度驟然變化，有時(shí)溫差可高達(dá)兩、三百度，嚴(yán)重影響許多儀器的正常工作�？茖W(xué)家們受蝴蝶身上的鱗片會(huì)隨陽光的照射方向自動(dòng)變換角度而調(diào)節(jié)體溫的啟發(fā)，將人造衛(wèi)星的控溫系統(tǒng)制成了葉片正反兩面輻射、散熱能力相差很大的百葉窗樣式，在每扇窗的轉(zhuǎn)動(dòng)位置安裝有對(duì)溫度敏感的金屬絲，隨溫度變化可調(diào)節(jié)窗的開合，從而保持了人造衛(wèi)星內(nèi)部溫度的恒定，解決了航天事業(yè)中的一大難題。

　　甲蟲與仿生

　　屁步甲炮蟲自衛(wèi)時(shí)，可噴射出具有惡臭的高溫液體“炮彈”，以迷惑、刺激和驚嚇敵害�？茖W(xué)家將其解剖后發(fā)現(xiàn)甲蟲體內(nèi)有3個(gè)小室，分別儲(chǔ)有二元酚溶液、雙氧水和生物酶。二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瞬間就成為100℃的毒液，并迅速射出。這種原理目前已應(yīng)用于軍事技術(shù)中。二戰(zhàn)期間，德國納粹為了戰(zhàn)爭的需要，據(jù)此機(jī)理制造出了一種功率極大且性能安全可靠的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，安裝在飛航式導(dǎo)彈上，使之飛行速度加快，安全穩(wěn)定，命中率提高，英國倫敦在受其轟炸時(shí)損失慘重。美國軍事專家受甲蟲噴射原理的啟發(fā)研制出了先進(jìn)的二元化武器。這種武器將兩種或多種能產(chǎn)生毒劑的化學(xué)物質(zhì)分裝在兩個(gè)隔開的容器中，炮彈發(fā)射后隔膜破裂，兩種毒劑中間體在彈體飛行的8—10秒內(nèi)混合并發(fā)生反應(yīng)，在到達(dá)目標(biāo)的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人。它們易于生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸，安全且不易失效。螢火蟲可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成光能，且轉(zhuǎn)化效率達(dá)100%，而普通電燈的發(fā)光效率只有6%。人們模仿螢火蟲的發(fā)光原理制成的冷光源可將發(fā)光效率提高十幾倍，大大節(jié)約了能量。另外，根據(jù)甲蟲的視動(dòng)反應(yīng)機(jī)制研制成功的空對(duì)地速度計(jì)已成功地應(yīng)用于航空事業(yè)中。

　　蜻蜓與仿生

　　蜻蜒通過翅膀振動(dòng)可產(chǎn)生不同于周圍大氣的局部不穩(wěn)定氣流，并利用氣流產(chǎn)生的渦流來使自己上升。蜻蜒能在很小的推力下翱翔，不但可向前飛行，還能向后和左右兩側(cè)飛行，其向前飛行速度可達(dá)72km/小時(shí)。此外，蜻蜒的飛行行為簡單，僅靠兩對(duì)翅膀不停地拍打。科學(xué)家據(jù)此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研制成功了直升飛機(jī)。飛機(jī)在高速飛行時(shí)，常會(huì)引起劇烈振動(dòng)，甚至有時(shí)會(huì)折斷機(jī)翼而引起飛機(jī)失事。蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飛行時(shí)安然無恙，于是人們仿效蜻蜒在飛機(jī)的兩翼加上了平衡重錘，解決了因高速飛行而引起振動(dòng)這個(gè)令人棘手的問題。

　　為了研究滑翔飛行和碰撞的空氣動(dòng)力學(xué)以及其飛行的效率，一個(gè)四葉驅(qū)動(dòng)，用遠(yuǎn)程水平儀控制的機(jī)動(dòng)機(jī)翼(翅膀)模型被研制，并第一次在風(fēng)洞內(nèi)測試了各項(xiàng)飛行參數(shù)。

　　第二個(gè)模型試圖安裝一個(gè)以更快頻率飛行的翅膀，達(dá)到每秒18次震動(dòng)的速度。有特色的是，這個(gè)模型采用了可變可調(diào)節(jié)前后兩對(duì)機(jī)翼之間相差的裝置。

　　研究的中心和長遠(yuǎn)目標(biāo)，是要研究使用“翅膀”驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)表現(xiàn)，以及與傳統(tǒng)的螺旋推動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)效率的比較等等。

　　蒼蠅與仿生

　　家蠅的特別之處在于它的快速的飛行技術(shù)，這使得它很難被人類抓住。即使在它的后面也很難接近它。它設(shè)想到了每一種情況，非常小心，并能快速移動(dòng)。那么，它是怎么做到的呢?

　　昆蟲學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，蒼蠅的后翅退化成一對(duì)平衡棒。當(dāng)它飛行時(shí)，平衡棒以一定的頻率進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)，可以調(diào)節(jié)翅膀的運(yùn)動(dòng)方向，是保持蒼蠅身體平衡的導(dǎo)航儀�？茖W(xué)家據(jù)此原理研制成一代新型導(dǎo)航儀——振動(dòng)陀螺儀，大大改進(jìn)了飛機(jī)的飛行性能，可使飛機(jī)自動(dòng)停止危險(xiǎn)的滾翻飛行，在機(jī)體強(qiáng)烈傾斜時(shí)還能自動(dòng)恢復(fù)平衡，即使是飛機(jī)在最復(fù)雜的急轉(zhuǎn)彎時(shí)也萬無一失。蒼蠅的復(fù)眼包含4000個(gè)可獨(dú)立成像的單眼，能看清幾乎360。范圍內(nèi)的物體。在蠅眼的啟示下，人們制成了由 1329塊小透鏡組成的一次可拍1329張高分辨率照片的蠅眼照像機(jī)，在軍事、醫(yī)學(xué)、航空、航天上被廣泛應(yīng)用。蒼蠅的嗅覺特別靈敏并能對(duì)數(shù)十種氣味進(jìn)行快速分析且可立即作出反應(yīng)�？茖W(xué)家根據(jù)蒼蠅嗅覺器官的結(jié)構(gòu)，把各種化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成電脈沖的方式，制成了十分靈敏的小型氣體分析儀，目前已廣泛應(yīng)用于宇宙飛船、潛艇和礦井等場所來檢測氣體成分，使科研、生產(chǎn)的安全系數(shù)更為準(zhǔn)確、可靠。

　　蜂類與仿生

　　蜂巢由一個(gè)個(gè)排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，每個(gè)小蜂房的底部由3個(gè)相同的菱形組成，這些結(jié)構(gòu)與近代數(shù)學(xué)家精確計(jì)算出來的——菱形鈍角 109°28’，銳角70°32’完全相同，是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，且容量大、極堅(jiān)固，令許多專家贊嘆不止。人們仿其構(gòu)造用各種材料制成蜂巢式夾層結(jié)構(gòu)板，強(qiáng)度大、重量輕、不易傳導(dǎo)聲和熱，是建筑及制造航天飛機(jī)、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料。蜜蜂復(fù)眼的每個(gè)單眼中相鄰地排列著對(duì)偏振光方向十分敏感的偏振片，可利用太陽準(zhǔn)確定位。科學(xué)家據(jù)此原理研制成功了偏振光導(dǎo)航儀，早已廣泛用于航海事業(yè)中。

　　其它昆蟲與仿生

　　跳蚤的跳躍本領(lǐng)十分高強(qiáng)，航空專家對(duì)此進(jìn)行了大量研究，英國一飛機(jī)制造公司從其垂直起跳的方式受到啟發(fā)，成功制造出了一種幾乎能垂直起落的鷂式飛機(jī)�，F(xiàn)代電視技術(shù)根據(jù)昆蟲單復(fù)眼的構(gòu)造特點(diǎn)，造出了大屏幕彩電，又可將一臺(tái)臺(tái)小彩電熒光屏組成一個(gè)大畫面，且可在同一屏幕上任意位置框出某幾個(gè)特定的小畫面，既可播映相同的畫面，又可播映不同的畫面�？茖W(xué)家根據(jù)昆蟲復(fù)眼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研制成功的多孔徑光學(xué)系統(tǒng)裝置，更易于搜索到目標(biāo)，已在國外一些重要武器系統(tǒng)中應(yīng)用。根據(jù)某些水生昆蟲的組成復(fù)眼的單眼之間相互抑制的原理，制成的側(cè)抑制電子模型，用于各類攝影系統(tǒng)，拍出的照片可增強(qiáng)圖像邊緣反差和突出輪廓，還可用來提高雷達(dá)的顯示靈敏度，也可用于文字和圖片識(shí)別系統(tǒng)的預(yù)處理工作。美國利用昆蟲復(fù)眼加工信息及定向?qū)Ш皆�理，研制了具有很大�?shí)用價(jià)值的仿昆蟲復(fù)眼尋的末制導(dǎo)導(dǎo)引頭的工程模型。日本利用昆蟲形態(tài)及特性開發(fā)研制了六足機(jī)器人等工學(xué)機(jī)器和建筑物的新構(gòu)造方式。

　　未來展望

　　昆蟲在億萬年的進(jìn)化過程中，隨著環(huán)境的變遷而逐漸進(jìn)化，都在不同程度地發(fā)展著各自的生存本領(lǐng)。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)昆蟲的各種生命活動(dòng)掌握得越來越多，越來越意識(shí)到昆蟲對(duì)人類的重要性，再加上信息技術(shù)特別是計(jì)算機(jī)新一代生物電子技術(shù)在昆蟲學(xué)上的應(yīng)用，模擬昆蟲的感應(yīng)能力而研制的檢測物質(zhì)種類和濃度的生物傳感器，參照昆蟲神經(jīng)結(jié)構(gòu)開發(fā)的能夠模仿大腦活動(dòng)的計(jì)算機(jī)等等一系列的生物技術(shù)工程，將會(huì)由科學(xué)家的設(shè)想變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并進(jìn)入各個(gè)領(lǐng)域，昆蟲將會(huì)為人類做出更大的貢獻(xiàn)。