海洋动物的仿生有哪些?

生活在海洋中的动物是科学家研究仿生应用的重要动物之一。现在介绍几种海洋动物及其仿生应用。

金枪鱼金枪鱼是海洋鱼类中移动最快的动物之一。金枪鱼捕食时时速可达80公里左右。在麻省理工学院,科学家以金枪鱼为模型,制作了一条1.2米长的机器鱼,名为“查理”(Charlie),并在水槽中开始了测试。科学家将这一发现推向了技术的应用。

鱼的尾鳍可以用作推进动力和导向。考虑到这一特点,在计算机上对金枪鱼的外形进行了分析,研究结果为水面舰船提供了鳍推进方法。而且机器人鳍的动作也有所改进,可以在角落里自由游动。科学家们还研究了金枪鱼的皮肤,希望获得更好的流线型特征。

鲑鱼鲑鱼可以生活在快速流动的水中。虽然他们的运动系统和金枪鱼很像,但还是有区别的。三文鱼不仅能自如控制自己,还能以闪电般的速度起步,不动就能达到14 km/h的速度。他们为什么能这样做?除了摇尾巴的频率,通常鱼越大越长,游得越快。科学家发现,鲑鱼在加速时,每秒钟可以摇摆尾巴15次。所以它的仿生价值极高。

企鹅企鹅在陆地上看起来很笨拙,但在水中却极其灵活。为了找到一个理想的流线型模型,科学家们在企鹅的背上放了一个微型测量仪,记录了它每天的运动距离、深度和速度。为了拍照,科学家们还在南极安装了一条特殊的水道。通过进一步的实验发现,企鹅的运动与鱼类不同,它几乎只依靠鳍来推进自己,这说明企鹅的身体已经进化成了体积大、阻力小的优化模型。此外,它的身体在水中几乎不改变形状,这使得模型实验非常简单。

鲨鱼鲨鱼已经在海洋中生活了3.5亿年,可以达到每小时70多公里的高速。科学家在显微镜下检查深海鲨鱼的皮肤时,意外发现鲨鱼鳞片呈扇形,有小凹槽。然而,在传统观念中,表面越光滑,阻力越小。因此,科学家们从不同角度组装了数百个模型比例,以形成一个人工测试表面。测试结果表明,摩擦损失比光滑表面少10%,这一新发现立即找到了技术应用。这种仿生皮肤用于包裹空客飞机的外表面,使每架飞机的年油耗减少了350吨。如果每年在环游世界的飞机上安装这种皮肤,节省的燃料价值可达数十亿美元,造成温室效应的二氧化碳和氮氧化物也将大大减少。

无数的海洋生物,经过亿万年在海洋中的精心劳作,锻造出了适应海洋生活的奇妙技能。它们是人类的良师益友,能给人以极大的启迪。深入探索它们的奥秘,将为更先进技术的发展提供取之不尽的源泉。充分利用海洋仿生学的研究成果,将大大加快人类科技产业进步和社会发展的历史进程。

其实早在古代,人们就已经知道如何模仿生物了。船、舵、桨是古人根据鱼的形状和鱼尾鱼鳍发明的;甚至人的游泳技术都来自海洋生物。到目前为止,人们不是都习惯用“蛙泳”和“海豚泳”吗?当然,这只是简单的模仿,并不是仿生学的研究。只有在科技高度发达的今天,才能真正掌握生物学的“秘方”,进而成为开发新技术的“良策”。

蛤壳启发了人们建造巨大的薄壳屋顶,鱿鱼启发了喷水拖船的制造。鲎眼的侧抑制原理促成了鲎眼电子模型的诞生。因此,可以通过处理各种照片来获得清晰的图像。根据海豚的体型和皮肤结构特点,潜艇、鱼雷、小型舰艇的水下部分可以降低20% ~ 50%的阻力。此外,海洋生物对长期生活海洋的适应性往往已经达到最经济、最有效、最可靠的水平,因此对改造人类工程技术具有巨大的吸引力。比如海洋动物淡化海水的能力,生物发光和生物富集的能力,潜水、通讯、定位、导航的能力,都成为人类仿生研发的重要课题。

仿生学是一门年轻的科学。它的历史只有36年,却显示出强大的生命力,做出了许多宝贵的贡献。可以预见,随着人类科技的发展,她的未来将是无限的。

生物进化已有超过35亿年的历史。海洋是地球生命的摇篮。浩瀚无垠的海洋,包括海洋生物,有着无尽的奥秘等待着人类去揭示。进军海洋是我们今天的一项非常紧迫的任务。海洋仿生学的研究将为人类进军海洋提供新的途径,为海洋研究提供新的方法,为人类开发利用海洋提供新的工具。

目前,仿生学越来越受到人们的重视。预言21世纪将是生物科学成就倍增的世纪,是生物科学与其他科学技术紧密结合、相互渗透、相互促进的时代。现在,物理学已经深入到物质的原子核和基本粒子,而且还在进一步深入。在生物科学中,还远远没有深入到它的本质,还有大量的奥秘等待人们去揭示。

无论从人类的历史和成就,还是从自然科学的发展和应用趋势来看,生物科学与技术科学的结合都是必然的。它不仅能推动生命科学的发展,还能为科技的发展提供一把万能钥匙,使生物的各种神秘无穷的功能成为人类科技的宝库。仿生学,尤其是海洋仿生学,将在这方面发挥非常重要的作用。

我们相信,在不久的将来,海洋仿生一定会开出更多令人赏心悦目的奇花异草,放射出更加耀眼的光彩。

水母几乎完全由水组成,它体内的水实际上占了98%。组成它身体的分子之间有大量液体,从中提炼后可以获得日用高分子胶水。

在材料科学家看来,海洋中有许多新的生物材料。比如海参,平时柔软有弹性,但受到威胁时,身体会变硬。是什么因素让它变成这样的?

海参中有大量的凝胶,也就是蛋白质和脂肪。脂肪也是一种凝胶,存在于各种动物体内,包括我们。凝胶作为一种材料是很常见的,但是它具有其他材料所不能提供的特性。例如,凝胶在吸收30倍于其自身体积的水后,可以保持坚硬和干燥的感觉。现在科学家们正在研究如何让凝胶移动。你看,这是一条凝胶驱动的聚合物腿,守门员因为凝胶的运动在努力救球。它们的运动由微弱的电流控制。如果改变电极,凝胶将向相反方向移动。

这看起来像一个游戏,但在未来这种软材料可以用来驱动电机,泵和阀门。不是缝纫针、铆钉或焊接将大自然保持在一起。其实一切都是用胶水连接的。胶接不仅可以提供良好的绝缘,更重要的是,它可以更快更容易地使用,并且可以承受比机械连接更大的应力。

草蛉利用身体分泌的胶水迅速将卵粘到安全的高度。他使用的胶水在几秒钟内硬化,鸡蛋几乎仍然悬在空中。与人工胶相比,这种胶没有有毒溶剂的挥发,绝对环保。

白蚁不仅使用粘合剂来建造它们的蚁丘,还通过它们头部的小管向敌人喷洒粘合剂。于是人们根据同样的原理制作了一个工作武器——干橡胶壳。海洋中的贻贝有一个更惊人的胶合专利。他自己的合成足丝可以像锚一样把自己固定在岩石和沙子上,这是贻贝生命的保险。这种粘合剂非常坚韧,可以在水下硬化。对于我们人类来说,它的作用不言而喻,所以科学家们对它进行了研究。

科学家用橡皮筋将贻贝固定在玻璃盒子的一侧,但贻贝更喜欢用自己的天然锚从脚上伸出自己的合成脚。

当贻贝形成足够的足丝时,如果采集,对贻贝来说损失并不严重,因为它可以在两小时内产生新的足丝。

通过对贻贝足丝和粘合点的分析,最终分离出贻贝的粘合蛋白,并制成了一种新型粘合剂。当我们用制备好的生物粘合剂粘贴金属板时,我们意外地发现了这种粘合剂的另一个特点,它就像一件无形的盔甲,保护金属板免受侵蚀。多神奇啊!自然专利局提供的巧妙方法令人连连称奇。虽然我不断向大自然学习,但大自然不会交出它所有的秘密。每一个生物隐藏的秘密,都是我们意想不到的财富。

海洋动物仿生

带领十条鱼在不透明的大海中对抗水流,并能准确发现障碍物,确定正确的方向。这些职责很奇怪。科学研究表明,这些行为是鱼类利用身体上的侧线完成的。它是鱼类的“第六感”系统,由数以千计的微小毛细胞组成,遍布全身。即使在完全黑暗的海水中,侧线也会对鱼身体周围的水流做出反应,从而正确探测水流中的障碍物和动物。

不久前,伊利诺伊州立大学仿生的研究团队开发出了一套可以让机器人拥有“第六感”的人工侧线,类似于鱼类的侧线系统。这种人造侧线由许多排列在表面的微小硅片组成,这些硅片类似于发束,每个硅片都通过一条微链连接到一个电子传感器上。当水流与硅梁接触时,由于水流速度不同,硅梁会发生弯曲,这样传感器就可以检测到硅梁的弯曲角度和方向,从而帮助机器人找到想要去的方向。