急,关于生物的发明,明天交。
鸟儿可以展开翅膀,在空中自由飞翔。据《韩非子》记载,鲁班以竹为鸟,“飞成功后,非三日也”。然而,人们更喜欢模仿鸟类的翅膀,让自己在空中飞翔。早在400多年前,意大利人达芬奇和他的助手就仔细解剖鸟类,研究它们的身体结构,仔细观察它们的飞行。设计并制造了一架扑翼飞机,这是世界上第一架人造飞机。
在第一次世界大战期间,潜艇是为了军事需要而建造的,以使船只在水下航行。工程技术人员在设计原始潜艇时,首先在潜艇上放上石块或铅块,使其下沉。如果它需要升到水面,他们会扔掉随身携带的石头或铅块,使船体回到水面。后来经过改进,通过在浮箱中交替注水和排水来改变潜艇的重量。后来改成压载舱,舱体上部有排气阀,下部有注水阀。当水箱装满海水时,船体的重量增加,这样它就可以潜入水中。紧急情况下需要潜水时,还有极速潜水舱。船体潜入水中后,速潜舱内的海水被排出。如果压载舱的一部分充满水,而另一部分是空的,潜艇可以处于半潜状态。当潜艇要上浮时,向水箱中通入压缩空气排出海水,艇内海水重量减轻后,潜艇就可以上浮了。如此优越的机械装置,实现了潜艇的自由沉浮。但是后来发现,鱼的起伏系统比人们发明的要简单得多,鱼的起伏系统只是一个充气的鱼鳔。鱼鳔不是由肌肉控制的,而是靠向鱼鳔内分泌氧气或重吸收鱼鳔内的部分氧气来调节鱼鳔内的气体含量,促进鱼自由沉浮。然而,如此巧妙的鱼的沉浮系统,对潜艇设计师的启发和帮助却为时已晚。
长期以来,生物生活在声音环绕的大自然中。它们利用声音寻找食物,躲避敌人的伤害,交配和繁殖。因此,声音是生物的重要信息。意大利人Spalanzanni很久以前就发现蝙蝠可以在完全黑暗的环境中自由飞行,不仅可以躲避障碍物,还可以捕食飞虫。然而,堵住耳朵后,蝙蝠在黑暗中无法行动。面对这些事实,帕兰萨尼提出了一个令人难以接受的结论:蝙蝠可以用耳朵“看”。第一次世界大战结束后,1920年,哈塔伊认为蝙蝠发出的声音信号频率超出了人耳的听觉范围。还指出,蝙蝠定位目标的方法与朗·万智在第一次世界大战中发明的超声波回波法相同。遗憾的是,哈塔伊的提示并没有引起人们的重视,工程师们也无法相信蝙蝠拥有“回声定位”的技术。直到1983采用电子测量仪,才完全确认蝙蝠是通过发射超声波来定位的。但这对雷达和声纳的早期发明已经没有帮助了。
再比如,人们研究昆虫行为太晚了。在达芬奇研究鸟类飞行并制造出第一架飞机的400年后,人们经过长期的反复实践,终于在1903年发明了飞机,让飞上天空的梦想成为现实。由于不断改进,30年后,人的飞机在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类,显示了人类的智慧和天赋。然而,在继续研发速度更快、飞得更高的飞行器的同时,设计师们遇到了另一个难题,那就是气体动力学中的颤振现象。飞机飞行时,机翼振动有害。飞行速度越快,机翼的颤动越强,甚至机翼断裂,导致飞机坠落,许多试飞员丧生。飞机设计者在消除有害的颤振现象上花费了大量精力,也花了很长时间才找到解决这个问题的方法。加重装置放置在机翼前缘的远端,从而消除了有害的振动。然而,昆虫早在3亿年前就在空中飞行,它们也无一例外地受到颤振的危害。经过长期的进化,昆虫已经成功地获得了防止颤振的方法。生物学家在研究蜻蜓翅膀时,发现每只翅膀的前缘上方都有一个深色的角蛋白增厚区域——翼眼或翼痣。如果去掉翼眼,飞行就会变得摇摆。实验证明,正是翼眼的角质组织使蜻蜓的飞行翅膀消除了扑动的危险,这类似于设计者的高超发明。如果设计者先从昆虫身上学习翼眼的功能,得到有利于解决颤振的设计思路,就可以避免长时间的探索和人员牺牲。面对蜻蜓翅膀的目光,飞机设计师有一种相见恨晚的感觉!
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。
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。
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。