人类从自然界中发现什么并发明

人类从自然界中发现什么并发明
人类从自然界中发现什么并发明

人类从自然界中发现什么并发明
1、由令人讨厌的苍蝇,仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪.已经被安装在宇宙飞船的座舱里,用来检测舱内气体的成分.
2、从萤火虫到人工冷光；
3、电鱼与伏特电池；
4、水母的顺风耳,仿照水母耳朵的结构和功能,设计了水母耳风暴预测仪,能提前15小时对风暴作出预报,对航海和渔业的安全都有重要意义.
5、人们根据蛙眼的视觉原理,已研制成功一种电子蛙眼.这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样,准确无误地识别出特定形状的物体.把电子蛙眼装入雷达系统后,雷达抗干扰能力大大提高.这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等.特别是能够区别真假导弹,防止以假乱真.
电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上.在机场,它能监视飞机的起飞与降落,若发现飞机将要发生碰撞,能及时发出警报.在交通要道,它能指挥车辆的行驶,防止车辆碰撞事故的发生.
6、根据蝙蝠超声定位器的原理,人们还仿制了盲人用的“探路仪”.这种探路仪内装一个超声波发射器,盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等.如今,有类似作用的“超声眼镜”也已制成.
7、模拟蓝藻的不完全光合器,将设计出仿生光解水的装置,从而可获得大量的氢气.
8、根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究,已仿制了人力增强器——步行机.
9、现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子.
10、屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲.
11、船桨模仿的是鱼的鳍.
12、锯子学的是螳螂臂,或锯齿草.
13、苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣.
14、嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路.
15、壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景.
16、贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固,这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上.
17、船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿.
18、科学家根据野猪的鼻子测毒的奇特本领制成了世界上第一批防毒面具.
19、火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理.
20、科研人员通过研究变色龙的变色本领,为部队研制出了不少军事伪装装备.
21、美国空军通过毒蛇的“热眼”功能,研究开发出了微型热传感器.
22、人类还利用蛙跳的原理设计了蛤蟆夯(hang).
23、人类模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的“电子警犬”.
鲁班发明锯的故事
相传有一年,鲁班接受了一项建筑一座巨大宫殿的任务.这座宫殿需要很多木料,鲁班就让徒弟们上山砍伐树木.由于当时还没有锯子,他的徒弟们只好用斧头砍伐,但这样做效率非常低,工匠们每天起早贪黑拚命去干.累得精疲力尽,也砍伐不了多少树木,远远不能满足工程的需要,使工程进度一拖再拖,眼看着工程期限越来越近,这可急坏了鲁班.为此,他决定亲自上山察看砍伐树木的情况.上山的时候,由于他不小心,无意中抓了一把山上长的一种野草,却一下子将手划破了.鲁班很奇怪,一根小草为什么这样锋利?于是他摘下了一片叶子来细心观察,发现叶子两边长着许多小细齿,用手轻轻一摸,这些小细齿非常锋利.他明白了,他的手就是被这些小细齿划破的.后来,鲁班又看到一条大蝗虫在一株草上啃吃叶子,两颗大板牙非常锋利,一开一合,很快就吃下一大片.这同样引起了鲁班的好奇心,他抓住一只蝗虫,仔细观察蝗虫牙齿的结构,发现蝗虫的两颗大板牙上同样排列着许多小细齿,蝗虫正是靠这些小细齿来咬断草叶的.这两件事给鲁班留下了极其深刻的印象,也使他受到很大启发,陷入了深深的思考.他想,如果把砍伐木头的工具做成锯齿状,不是同样会很锋利吗?砍伐树木也就容易多了.于是他就用大毛竹做成一条带有许多小锯齿的竹片,然后到小树上去做试验,结果果然不错,几下子就把树皮拉破了,再用力拉几下,小树杆就划出一道深沟,鲁班非常高兴.但是由于竹片比较软,强度比较差,不能长久使用,拉了一会儿,小锯齿就有的断了,有的变钝了,需要更换竹片.这样就影响了砍伐树木的速度,使用竹片太多也是一个很大的浪费.看来竹片不宜作为制做锯齿的材料,应该寻找一种强度、硬度都比较高的材料来代替它,这时鲁班想到了铁片.于是他们立即下山,清铁匠们帮助制作带有小锯齿的铁片,然后到山上继续实践.鲁班和徒弟各拉一端,在一棵树上拉了起来,只见他俩一来一往,不一会儿就把树锯断了,又快又省力,锯就这样发明了.
在鲁班之前,肯定会有不少人碰到手被野莫划破的类似情况,为什么单单只有鲁班从中受到启发,发明了锯,这无疑值得我们思考.大多数人只是认为这是一件生活小事,不值得大惊小怪,他们往往在治好伤口以后就把这件事忘掉了.而鲁班却有比较强烈的好奇心和正确的想法,很注意对生活当中一些微小事件的观察、思考和钻研,从中找到解决问题的方法和思路,甚至获得某些创造性发明.这告诉我们一个道理,留意生活中许多不起眼的小事,勤干思考,会增长许多智慧.
苍蝇,是细菌的传播者,谁都讨厌它.可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”,人们模仿它制成了“振动陀螺仪”.这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上,实现了自动驾驶.苍蝇的眼睛是一种“复眼”,由30O0多只小眼组成,人们模仿它制成了“蝇眼透镜”.“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的,用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”,一次就能照出千百张相同的相片.这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路,大大提高了工效和质量.“蝇眼透镜”是一种新型光学元件,它的用途很多.
自然界形形色色的生物,都有着怎样的奇异本领?它们的种种本领,给了人类哪些启发?模仿这些本领,人类又可以造出什么样的机器?这里要介绍的一门新兴科学——仿生学.
仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学,它是在本世纪中期才出现的一门新的边缘科学.仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理,并将这些原理移植于工程技术之中,发明性能优越的仪器、装置和机器,创造新技术.从仿生学的诞生、发展,到现在短短几十年的时间内,它的研究成果已经非常可观.仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路,也就是向生物界索取蓝图的道路,它大大开阔了人们的眼界,显示了极强的生命力.
【人类仿生由来已久】
自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉.种类繁多的生物界经过长期的进化过程,使它们能适应环境的变化,从而得到生存和发展.劳动创造了人类.人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言,在长期的生产实践中,促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展.因此,人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群.人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具,从而在自然界里获得更大自由.人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上,而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物,通过创造性的劳动增加自己的本领.鱼儿在水中有自由来去的本领,人们就模仿鱼类的形体造船,以木桨仿鳍.相传早在大禹时期,我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯,他们就在船尾上架置木桨.通过反复的观察、模仿和实践,逐渐改成橹和舵,增加了船的动力,掌握了使船转弯的手段.这样,即使在波涛滚滚的江河中,人们也能让船只航行自如.
鸟儿展翅可在空中自由飞翔.据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之,三日不下”.然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中.早在四百多年前,意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖,研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行.设计和制造了一架扑翼机,这是世界上第一架人造飞行器.
以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试,可以认为是人类仿生的先驱,也是仿生学的萌芽.
【发人深省的对比】
人类仿生的行为虽然早有雏型,但是在20世纪40年代以前,人们并没有自觉地把生物作为设计思想和创造发明的源泉.科学家对于生物学的研究也只停留在描述生物体精巧的结构和完美的功能上.而工程技术人员更多的依赖于他们卓越的智慧,辛辛苦苦的努力,进行着人工发明.他们很少有意识的向生物界学习.但是,以下几个事实可以说明：人们在技术上遇到的某些难题,生物界早在千百万年前就曾出现,而且在进化过程中就已解决了,然而人类却没有从生物界得到应有的启示.
在第一次世界大战时期,出于军事上的需要,为使舰艇在水下隐蔽航行而制造出潜水艇.当工程技术人员在设计原始的潜艇时,是先用石块或铅块装在潜艇上使它下沉,如果需要升至水面,就将携带的石块或铅块扔掉,使艇身回到水面来.以后经过改进,在潜艇上采用浮箱交替充水和排水的方法来改变潜艇的重量.以后又改成压载水舱,在水舱的上部设放气阀,下面设注水阀,当水舱灌满海水时,艇身重量增加使可它潜入水中.需要紧急下潜时,还有速潜水舱,待艇身潜入水中后,再把速潜水舱内的海水排出.如果一部分压载水舱充水,另一部分空着,潜水艇可处于半潜状态.潜艇要起浮时,将压缩空气通入水舱排出海水,艇内海水重量减轻后潜艇就可以上浮.如此优越的机械装置实现了潜艇的自由沉浮.但是后来发现鱼类的沉浮系统比人们的发明要简单得多,鱼的沉浮系统仅仅是充气的鱼鳔.鳔内不受肌肉的控制,而是依靠分泌氧气进入鳔内或是重新吸收鳔内一部分氧气来调节鱼鳔中气体含量,促使鱼体自由沉浮.然而鱼类如此巧妙的沉浮系统,对于潜艇设计师的启发和帮助已经为时过迟了.
声音是人们生活中不可缺少的要素.通过语言,人们交流思想和感情,优美的音乐使人们获得艺术的享受,工程技术人员还把声学系统应用在工业生产和军事技术中,成为颇为重要的信息之一.自从潜水艇问世以来,随之而来的就是水面的舰船如何发现潜艇的位置以防偷袭；而潜艇沉入水中后,也须准确测定敌船方位和距离以利攻击.因此,在第一次世界大战期间,在海洋上,水面与水中敌对双方的斗争采用了各种手段.海军工程师们也利用声学系统作为一个重要的侦察手段.首先采用的是水听器,也称噪声测向仪,通过听测敌舰航行中所发出的噪声来发现敌舰.只要周围水域中有敌舰在航行,机器与螺旋桨推进器便发出噪声,通过水听器就能听到,能及时发现敌人.但那时的水听器很不完善,一般只能收到本身舰只的噪声,要侦听敌舰,必须减慢舰只航行速度甚至完全停车才能分辨潜艇的噪音,这样很不利于战斗行动.不久,法国科学家郎之万（1872～1946）研究成功利用超声波反射的性质来探测水下舰艇.用一个超声波发生器,向水中发出超声波后,如果遇到目标便反射回来,由接收器收到.根据接收回波的时间间隔和方位,便可测出目标的方位和距离,这就是所谓的声纳系统.人造声纳系统的发明及在侦察敌方潜水艇方面获得的突出成果,曾使人们为之惊叹不已.岂不知远在地球上出现人类之前,蝙蝠、海豚早已对“回声定位”声纳系统应用自如了.
生物在漫长的年代里就是生活在被声音包围的自然界中,它们利用声音寻食,逃避敌害和求偶繁殖.因此,声音是生物赖以生存的一种重要信息.意大利人斯帕兰赞尼很早以前就发现蝙蝠能在完全黑暗中任意飞行,既能躲避障碍物也能捕食在飞行中的昆虫,但是堵塞蝙蝠的双耳后,它们在黑暗中就寸步难行了.面对这些事实,帕兰赞尼提出了一个使人们难以接受的结论：蝙蝠能用耳朵“看东西”.第一次世界大战结束后,1920年哈台认为蝙蝠发出声音信号的频率超出人耳的听觉范围.并提出蝙蝠对目标的定位方法与第一次世界大战时郎之万发明的用超声波回波定位的方法相同.遗憾的是,哈台的提示并未引起人们的重视,而工程师们对于蝙蝠具有“回声定位”的技术是难以相信的.直到1983年采用了电子测量器,才完完全全证实蝙蝠就是以发出超声波来定位的.但是这对于早期雷达和声纳的发明已经不能有所帮助了.
另一个事例是人们对于昆虫行为为时过晚的研究.在利奥那多·达·芬奇研究鸟类飞行造出第一个飞行器400年之后,人们经过长期反复的实践,终于在1903年发明了飞机,使人类实现了飞上天空的梦想.由于不断改进,30年后人们的飞机不论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类,显示了人类的智慧和才能.但是在继续研制飞行更快更高的飞机时,设计师又碰到了一个难题,就是气体动力学中的颤振现象.当飞机飞行时,机翼发生有害的振动,飞行越快,机翼的颤振越强烈,甚至使机翼折断,造成飞机坠落,许多试飞的飞行员因而丧生.飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究消除有害的颤振现象,经过长时间的努力才找到解决这一难题的方法.就在机翼前缘的远端上安放一个加重装置,这样就把有害的振动消除了.可是,昆虫早在三亿年以前就飞翔在空中了,它们也毫不例外地受到颤振的危害,经过长期的进化,昆虫早已成功地获得防止颤振的方法.生物学家在研究蜻蜓翅膀时,发现在每个翅膀前缘的上方都有一块深色的角质加厚区——翼眼或称翅痣.如果把翼眼去掉,飞行就变得荡来荡去.实验证明正是翼眼的角质组织使蜻蜓飞行的翅膀消除了颤振的危害,这与设计师高超的发明何等相似.假如设计师们先向昆虫学习翼眼的功用,获得有益于解决颤振的设计思想,就可似避免长期的探索和人员的牺牲了.面对蜻蜓翅膀的翼眼,飞机设计师大有相见恨晚之感!
以上这三个事例发人深省,也使人们受到了很大启发.早在地球上出现人类之前,各种生物已在大自然中生活了亿万年,在它们为生存而斗争的长期进化中,获得了与大自然相适应的能力.生物学的研究可以说明,生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制,使它们具备了适应内外环境变化的能力.生物界具有许多卓有成效的本领.如体内的生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等,显示出许多机器所不可比拟的优越之处.生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠和抗干扰性实在令人惊叹不已.
【连接生物与技术的桥梁】
自从瓦特（James Watt,1736～1819）在1782年发明蒸汽机以后,人们在生产斗争中获得了强大的动力.在工业技术方面基本上解决了能量的转换、控制和利用等问题,从而引起了第一次工业革命,各式各样的机器如雨后春笋般的出现,工业技术的发展极大地扩大和增强了人的体能,使人们从繁重的体力劳动解脱出来.随着技术的发展,人们在蒸汽机以后又经历了电气时代并向自动化时代迈进.
20世纪40年代电子计算机的问世,更是给人类科学技术的宝库增添了可贵的财富,它以可靠和高效的本领处理着人们手头上数以万计的各种信息,使人们从汪洋大海般的数字、信息中解放出来,使用计算机和自动装置可以使人们在繁杂的生产工序面前变得轻松省力,它们准确地调整、控制着生产程序,使产品规格精确.但是,自动控制装置是按人们制定的固定程序进行工作的,这就使它的控制能力具有很大的局限性.自动装置对外界缺乏分析和进行灵活反应的能力,如果发生任何意外的情况,自动装置就要停止工作,甚至发生意外事故,这就是自动装置本身所具有的严重缺点.要克服这种缺点,无非是使机器各部件之间,机器与环境之间能够“通讯”,也就是使自动控制装置具有适应内外环境变化的能力.要解决这一难题,在工程技术中就要解决如何接受、转换.利用和控制信息的问题.因此,信息的利用和控制就成为工业技术发展的一个主要矛盾.如何解决这个矛盾呢?生物界给人类提供了有益的启示.
人类要从生物系统中获得启示,首先需要研究生物和技术装置是否存在着共同的特性.1940年出现的调节理论,将生物与机器在一般意义上进行对比.到1944年,一些科学家已经明确了机器和生物体内的通讯、自动控制与统计力学等一系列的问题上都是一致的.在这样的认识基础上,1947年,一个新的学科——控制论产生了.
控制论（Cybernetics)是从希腊文而来,原意是“掌舵人”.按照控制论的创始人之一维纳（Norbef Wiener,1894～1964)给予控制论的定义是“关于在动物和机器中控制和通讯”的科学.虽然这个定义过于简单,仅仅是维纳关于控制论经典著作的副题,但它直截了当地把人们对生物和机器的认识联系在了一起.
控制论的基本观点认为,动物（尤其是人）与机器（包括各种通讯、控制、计算的自动化装置）之间有一定的共体,也就是在它们具备的控制系统内有某些共同的规律.根据控制论研究表明,各种控制系统的控制过程都包含有信息的传递、变换与加工过程.控制系统工作的正常,取决于信息运 行过程的正常.所谓控制系统是指由被控制的对象及各种控制元件、部件、线路有机地结合成有一定控制功能的整体.从信息的观点来看,控制系统就是一部信息通道的网络或体系.机器与生物体内的控制系统有许多共同之处,于是人们对生物自动系统产生了极大的兴趣,并且采用物理学的、数学的甚至是技术的模型对生物系统开展进一步的研究.因此,控制理论成为联系生物学与工程技术的理论基础.成为沟通生物系统与技术系统的桥梁.
生物体和机器之间确实有很明显的相似之处,这些相似之处可以表现在对生物体研究的不同水平上.由简单的单细胞到复杂的器官系统（如神经系统）都存在着各种调节和自动控制的生理过程.我们可以把生物体看成是一种具有特殊能力的机器,和其它机器的不同就在于生物体还有适应外界环境和自我繁殖的能力.也可以把生物体比作一个自动化的工厂,它的各项功能都遵循着力学的定律；它的各种结构协调地进行工作；它们能对一定的信号和刺激作出定量的反应,而且能像自动控制一样,借助于专门的反馈联系组织以自我控制的方式进行自我调节.例如我们身体内恒定的体温、正常的血压、正常的血糖浓度等都是肌体内复杂的自控制系统进行调节的结果.控制论的产生和发展,为生物系统与技术系统的连接架起了桥梁,使许多工程人员自觉地向生物系统去寻求新的设计思想和原理.于是出现了这样一个趋势,工程师为了和生物学家在共同合作的工程技术领域中获得成果,就主动学习生物科学知识.