科学家从哪里得到灵感,发明了什么?
鱼和潜艇
蝙蝠和雷达
海豚和声纳
以下是我找到的信息
~~~~~~~~~~~~
在我国,早就有模仿生物的例子。相传在公元前3000多年,我们的祖先优超就模仿鸟类在树上筑巢,以防止野兽的伤害。4000多年前,我们的祖先“看到飞蓬就变成了汽车”,就是看到飞蓬随风旋转就发明了轮子,制造了有轮子的汽车。古代寺庙正殿前山门的建筑,就其建筑结构而言,颇似大象之姿。柱子又圆又粗,好像大象的腿。
中国古代勤劳勇敢的劳动人民,早就对碧海蓝天、苍鹰翱翔产生了各种奇妙的幻想。据秦汉史书记载,两千多年前,我国人民就发明了风筝,应用于军事联络。春秋战国时期,鲁国的工匠鲁班首先开始研制会飞的木鸟。他受到一种可以切割皮肤的齿状草叶的启发,发明了锯子。据《杜阳杂刊》记载,唐代有一位汉族何志,他说:“他善于把木头雕成凤凰、鹤、乌鸦、喜鹊的形状。当他又喝又啄的时候,和真相没什么区别。当他把它放在腹部时,他可以在空中飞行,但它可以高达30英尺到120英尺,然后他开始下降。”西汉时期,有人用鸟的羽毛做成翅膀,从高台上飞下来,试图模仿鸟的飞行。以上案例足以说明中国古代劳动人民对鸟类的拍动和飞翔有过细致的观察和研究,这也是最早的仿生设计活动之一。明代一种火箭武器“神火飞鸦”的发明,也反映了人们向鸟学习的愿望。
中国古代劳动人民对水生动物——鱼的模仿也卓有成效。古人通过模仿生活在水中的鱼,砍树凿船,用木头做鱼形的船壳,用鱼的胸鳍和尾鳍做橹和桨,从而获得了水上运输的自由。后来随着制作水平的提高,出现了龙舟,受很多动物造型的影响。古代水战中使用的火箭武器“火龙出水”,多少有些模仿动物的意思。以上事例表明,中国古代劳动人民早期的仿生设计活动,为发展中国灿烂的古代文明创造了非凡的业绩。
在外国文明史上,也经历了类似的过程。在蕴含丰富生产知识的古希腊神话中,有人用羽毛和蜡做成翅膀,逃出迷宫;泰尔发明了锯子,据说是受到了鱼的背骨和蛇的上腭骨的形状的启发。15世纪,德国天文学家米勒制作了铁蝇和机械鹰,并进行了飞行表演。
1806年左右,英国科学家、空气动力学创始人之一凯利模仿鳟鱼和土拨鼠的纺锤形,发现了一种低阻力的流线型结构。凯利还设计了一种模仿鸟类翅膀的机翼曲线,极大地促进了航空技术的诞生。与此同时,法国生理学家马雷对鸟类的飞行进行了细致的研究。在《动物机器》一书中,他介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。德国人亥姆霍兹在研究飞行动物时也发现,飞行动物的重量与身体线性的立方成正比。亥姆霍兹的研究指出了飞行物体尺寸的局限性。通过对鸟类飞行器官的详细研究和精心模仿,根据鸟类飞行机理的原理,人们终于制造出了能够载人飞行的滑翔机。
后来,设计师根据起重机的姿态设计了挖掘机的吊臂。一战期间,人们从毒气战中幸存的野猪身上获得灵感,模仿野猪的鼻子设计了一种防毒面具。在海洋中灵活浮沉的潜艇用的是什么原理?虽然我们没有证据调查潜艇设计者在设计潜艇时是否参考了生物界的意见,但不难想象,设计者一定知道鱼鳔是鱼类用来改变身体随水比例以便在水中沉浮的重要器官。青蛙是两栖动物。体育工作者仔细研究了青蛙在水中的运动姿势,总结出一套省力又快速的游泳动作——蛙泳。此外,为潜水员制作的鱼鳍几乎完全按照青蛙后肢的形状制作,大大提高了潜水员在水中的活动能力。
苍蝇和宇宙飞船
讨厌的苍蝇看似与宏大的航天事业无关,但仿生学却将它们紧密联系在一起。
苍蝇是臭名昭著的“臭东西”,它们随处可见,气味难闻。苍蝇的嗅觉特别灵敏,能闻到几千米外的气味。但是苍蝇没有“鼻子”。它是靠什么来充当嗅觉的?原来,苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。
每个“鼻子”只有一个与外界相通的“鼻孔”,里面含有数百个嗅觉神经细胞。如果气味进入鼻孔,这些神经会立即将气味刺激转化为神经电脉冲,并发送到大脑。大脑可以根据不同气味的物质产生的不同神经电脉冲来区分不同气味的物质。因此,苍蝇的触角就像一个灵敏的气体分析仪。
受此启发,仿生学根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能,成功模仿出一种非常奇特的小型气体分析仪。这台仪器的探头不是金属,而是一只活苍蝇。将极细的微电极插入苍蝇的嗅觉神经,引导的神经电信号经电子电路放大后送至分析仪;分析仪一发现有气味物质的信号就能发出警报。这个仪器已经安装在飞船的驾驶舱里,用来检测舱内气体的成分。
这种小型气体分析仪还可以测量潜艇和矿井中的有害气体。这一原理也可用于改进计算机的输入装置和气相色谱分析仪的结构原理。
从萤火虫到人工发光
自从人类发明了电灯,生活变得更加方便和丰富。但是电灯只能将一小部分电能转化为可见光,其余大部分都以热能的形式浪费掉了,电灯的热射线对人的眼睛是有害的。那么,有没有只发光不发热的光源呢?人类又把目光投向了大自然。
在自然界中,许多生物都能发光,如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等,而这些动物发出的光不会产生热量,所以也叫“冷光”。
在许多发光的动物中,萤火虫是其中之一。萤火虫大约有65,438+0,500种,它们冷光的颜色有黄绿色、橙色,光的亮度也不一样。萤火虫发出冷光,不仅发光效率高,而且一般比较柔和,适合人眼,光的强度也比较高。因此,生物发光是人类的理想光源。
科学家发现萤火虫的发光装置位于腹部。这种光发射器由三部分组成:发光层、透明层和反射层。发光层有数千个发光细胞,它们都含有荧光素和荧光素酶。在荧光素酶的作用下,荧光素在细胞内水的参与下,与氧化结合发出荧光。萤火虫的发光本质上是化学能转化为光能的过程。
早在20世纪40年代,人们就在对萤火虫的研究基础上创造了荧光灯,极大地改变了人类的照明来源。近年来,科学家首先从萤火虫中分离出纯净的荧光素,然后分离出荧光素酶,再通过化学方法人工合成荧光素。由荧光素、荧光素酶、ATP(三磷酸腺苷)和水组成的生物光源,可以在充满爆炸性气体的矿井中用作闪光灯。由于这种灯没有电源,不会产生磁场,所以在生物光源的照射下,可以用来清除磁性地雷。
现在,人们可以通过混合一些化学物质获得类似生物光的冷光,用于安全照明。
电鱼和伏特电池
自然界很多生物都可以发电,光是鱼类就有500多种。人们把这些能放电的鱼称为“电鱼”。
各种电鱼都有不同的放电技巧。电鳐、电鲶和电鳗的放电能力最强。中型鱼雷能产生70伏左右的电压,而非洲鱼雷能产生高达220伏的电压;非洲电鲶能产生350伏的电压;电鳗能产生500伏的电压。有一种南美电鳗能产生高达880伏的电压,被称为电击冠军。据说它能杀死像马这样的大动物。
电鱼放电的奥秘在哪里?通过对电鱼的解剖研究,最终发现电鱼体内有一个奇特的发电器官。这些发电机由许多半透明的盘状电池组成,称为电板或电盘。由于电鱼的种类不同,发生器的电板形状、位置、数量也不同。电鳗的发生器呈棱形,位于尾棘两侧的肌肉中;鱼雷的发生器形状像一个扁肾,排列在身体中线两侧,有200万个电板。电鲶的发生器起源于某种腺体,位于皮肤和肌肉之间,大约有500万个电板。单个极板产生的电压很弱,但是因为极板多,产生的电压就很大。
电鱼的非凡技能引起了人们极大的兴趣。19世纪初,意大利物理学家伏特设计了世界上最早的基于电鱼发电器官的伏打电池。因为这种电池是根据电鱼的天然发电机设计的,所以被称为“人造电官”电鱼的研究也给了人们这样的启示:如果能成功模仿电鱼的发电器官,那么就能很好地解决舰船和潜艇的动力问题。
水母迎风的耳朵
"燕子低飞到雨前,蝉儿歌唱,天空在雨中放晴."生物的行为与天气的变化有关。沿海的渔民都知道,生活在沿海的鱼和水母分批游向大海,预示着暴风雨要来了。
水母又称水母,是一种古老的腔肠动物,早在5亿年前就漂浮在海洋中。这种低等动物有预知风暴的本能,每次风暴预警前都会游到海里避难。
原来,在蓝色的海洋中,空气与波浪摩擦产生的次声波(频率为每秒8-13次)永远是风暴预警的前奏。这种次声波人耳是听不到的,但是小水母非常敏感。仿生学发现水母的耳朵腔内有一个细柄,柄上有一个小球,球内有一个小听觉石。当暴风雨前的次声撞击到水母耳朵里的听觉石时,听觉石刺激球壁上的神经感受器,于是水母听到了即将到来的暴风雨的隆隆声。
仿生学模仿水母耳朵的结构和功能,为水母耳朵设计了风暴预测器,准确模拟了水母感受次声的器官。这种仪器安装在船的前甲板上,当它接收到风暴的次声波时,可以使旋转360°的喇叭自动停止旋转,它所指的方向就是风暴的方向。指示器上的读数可以显示风暴的强度。这种预报员可以提前15小时预报风暴,对航行和渔业安全具有重要意义。
蝙蝠的超声波发明了雷达。
昆虫体型小,种类和数量巨大,占现有动物的75%以上,遍布世界各地。他们有自己的生存技能,有些技能还不如人类。人们越来越广泛地利用自然资源,尤其是仿生学的任何成就都来源于生物学的某些特性。
蝴蝶与仿生
五颜六色的蝴蝶,如双月纹的蝴蝶,棕脉的帝王蝶,尤其是荧光翅的蝴蝶,后翅在阳光下呈金、绿、蓝三色。科学家通过研究蝴蝶的颜色给军事防御带来了巨大的好处。二战期间,德军包围了列宁格勒,企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。苏联昆虫学家施瓦辛格根据当时对迷彩的认识不足,提出蝴蝶的颜色在花朵中不易被发现的原理,用蝴蝶般的迷彩覆盖军事设施。因此,尽管德军全力以赴,列宁格勒的军事基地仍未受到干扰,为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。根据同样的原理,后来人们生产了迷彩服,大大减少了战斗中的伤亡。
卫星在太空中位置的不断变化会引起温度的突然变化,有时温差可高达两三百度,严重影响许多仪器的正常工作。受蝴蝶身上的鳞片会随着阳光的方向自动改变角度来调节体温的启发,科学家们将卫星的温度控制系统做成叶片前后辐射和散热能力差异很大的百叶窗样式。在每个窗口的旋转位置安装了一根对温度敏感的金属线,可以随着温度的变化调节窗口的开启和关闭,从而保持卫星内部温度恒定,解决了航天工业的一大难题。
甲虫和仿生学
在自卫时,这种甲虫可以喷射带有恶臭的高温液体“炮弹”来迷惑、刺激和恐吓敌人。科学家解剖后发现,甲虫体内有三个腔室,分别储存有二元酚溶液、过氧化氢和生物酶。二酚和双氧水流入第三室与生物酶混合发生化学反应,在100℃瞬间变成毒液,迅速喷出。这一原理目前已应用于军事技术。二战期间,德国纳粹根据这一机理制造了一种功率巨大、性能安全可靠的新型发动机,安装在巡航导弹上,使其飞行速度更快、更安全、更稳定,提高了命中率。英国伦敦被炸时损失惨重。美国军事专家受甲虫喷洒原理启发,研发出先进的二元武器。这种武器将两种或两种以上能产生毒素的化学物质装入两个独立的容器中。炮弹发射后,隔膜破裂,两种毒物中间体在弹丸飞行的8-10秒内混合反应,在到达目标杀死敌人的瞬间产生致命的毒液。它们易于生产、储存和运输,安全且不易失效。萤火虫可以直接将化学能转化为光能,转化效率达到100%,而普通电灯的发光效率只有6%。人们模仿萤火虫发光原理制作的冷光源,可以提高发光效率十倍以上,大大节约能源。此外,一种基于甲虫表观运动响应机制的空对地速度计已经成功应用于航空。
蜻蜓和仿生
蜻蜓可以通过翅膀振动产生不同于周围大气的局部不稳定气流,利用气流产生的漩涡使自己上升。蜻蜓可以在很小的推力下翱翔,不仅向前飞,还可以向后和左右飞,其向前的飞行速度可达72km/ h,此外,蜻蜓的飞行行为简单,只有两对翅膀不停地拍打。科学家们基于这种结构基础成功开发了一种直升机。飞机高速飞行时,往往会引起剧烈震动,有时甚至会折断机翼,造成飞机坠毁。蜻蜓依靠加重的翼痣安全高速飞行,于是人们效仿蜻蜓,在飞机的两个机翼上增加配重,以解决高速飞行带来的震动这一棘手问题。
为了研究滑翔飞行和碰撞的空气动力学及其飞行效率,研制了四叶驱动和遥控水平控制的机动翼(翼)模型,并首次在风洞中测试了飞行参数。
第二个模型试图安装一个以更快频率飞行的机翼,达到每秒18次振动的速度。与众不同的是,这款车型采用了一种可以可变调节前后翼相位差的装置。
该研究的中心和长期目标是研究由“机翼”驱动的飞机的性能,并将其与由传统螺旋螺旋桨驱动的飞机的效率进行比较。
苍蝇和仿生
家蝇的特别之处在于它的快速飞行技术,这使得它很难被人类抓住。即使在它的背后,也很难接近它。它想象每一种情况,非常小心,可以快速移动。那么,它是怎么做到的呢?
昆虫学家发现苍蝇的后翅退化成一对平衡杆。当它飞行时,平衡杆以一定的频率机械振动,可以调整翅膀的运动方向,是保持苍蝇平衡的导航器。基于这一原理,科学家们开发出了新一代导航仪——振动陀螺仪,大大提高了飞机的飞行性能,使飞机能够自动停止危险的侧翻飞行,并在机体强烈倾斜时自动恢复平衡,即使是在飞机处于最复杂的急转弯时。苍蝇的复眼包含了4000个可以独立成像的单眼,几乎可以看清360。范围内的物体。受蝇眼的启发,人们制作了由1329个小镜头组成的蝇眼相机,一次可以拍摄1329张高分辨率照片。它广泛应用于军事、医疗、航空和航天领域。苍蝇的嗅觉特别灵敏,能迅速分析几十种气味,并立即做出反应。科学家根据苍蝇嗅觉器官的结构,将各种化学反应转化为电脉冲,制成了非常灵敏的小型气体分析仪,广泛应用于航天器、潜艇、矿山等检测气体成分,使科研生产的安全系数更加准确可靠。
蜜蜂和仿生
蜂巢是由排列整齐的六角形小蜂巢组成,每个小蜂巢的底部由三个相同的菱形组成。这些结构与现代数学家精确计算出的结构一模一样——菱形的钝角为109° 28’,锐角为70° 32’。它们是最节省材料的结构,而且它们的容量很大,非常坚固,这让许多专家感到惊讶。人们模仿它的结构,用各种材料制成蜂窝夹层结构板,这种结构板强度高,重量轻,不易传导声音和热量。它们是制造航天飞机、宇宙飞船和人造卫星的理想材料。对偏振光方向敏感的偏振镜相邻排列在蜜蜂复眼的每一只单眼内,可以被太阳精确定位。基于这一原理,科学家们成功研制出偏振光导航仪,并在导航中得到广泛应用。
其他昆虫和仿生学
跳蚤的跳跃能力很高,航空专家对此做过很多研究。受其垂直起飞的启发,英国一家飞机制造公司成功制造出一种几乎可以垂直起降的鹞式飞机。根据昆虫单复眼的结构特点,现代电视技术创造了大屏幕彩电,也可以由小彩电屏幕组成大屏幕,可以在同一个屏幕的任意位置框出一些特定的小画面,既可以播放同一画面,也可以播放不同画面。根据昆虫复眼的结构特点,科学家成功研制出一种更容易发现目标的多孔径光学系统装置,并在国外一些重要武器系统中得到应用。根据某些水生昆虫复眼单眼间相互抑制的原理,制作了侧抑制电子模型,可用于各种摄影系统。拍摄的照片可以增强图像的边缘对比度,突出图像的轮廓,也可以用于提高雷达的显示灵敏度,还可以用于文本和图片识别系统的预处理。美国基于昆虫复眼的处理信息和定向导航原理,研制出了具有很大实用价值的末制导导引头工程模型。日本利用昆虫的形态和特征,开发出了六足机器人等工程机械和建筑物的新建造方法。
未来前景
昆虫在亿万年的进化过程中,随着环境的变化而逐渐进化,都在不同程度地发展着自己的生存技能。随着社会的发展,人们对昆虫各种生命活动的认识越来越多,越来越意识到昆虫对人类的重要性。再加上信息技术的应用,特别是新一代计算机生物电子技术在昆虫学中的应用,一系列生物技术项目,如通过模拟昆虫的感知能力来检测物质的种类和浓度而开发的生物传感器、参考昆虫神经结构来模仿大脑活动而开发的计算机等,将从科学家的设想变为现实,进入各个领域,昆虫将为人类做出更大的贡献。