仿生学的较长例子

仿生学的较长例子
仿生学的较长例子

仿生学的较长例子
动物仿生学
生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线,抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索.船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿.
响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理,研制开发出来的现代化武器.
火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理.
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.
科学家研究青蛙的眼睛,发明了电子蛙眼.
白蚁不仅使用胶粘剂建筑它们的土堆,还可以通过头部的小管向敌人喷射胶粘剂.于是人们按照同样的原理制造了工作的武器—一块干胶炮弹.
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.
我国纺织科技人员利用仿生学原理,借鉴陆地动物的皮毛结构,设计出一种KEG保温面料,并具有防风和导湿的功能.
根据响尾蛇的颊窝能感觉到0.001℃的温度变化的原理,人类发明了跟踪追击的响尾蛇导弹.人类还利用蛙跳的原理设计了蛤蟆夯.人类模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的“电子警犬”.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.
仿生学是人类一直使用的方法,如模仿海豚皮而构造的"海豚皮游泳衣"、科学家研究鲸鱼的皮肤时,发现其上有沟漕的结构,于是有个科学家就依照鲸鱼皮构造,造成一个薄膜蒙在飞机的表面,据实验可节约能源3%,若全国的飞机都蒙上这样的表面,每年可节约几十亿.又如有科学家研究蜘蛛,发现蜘蛛的腿上没有肌肉,有脚的动物会走,主要是靠肌肉的收缩,现在蜘蛛没有肌肉为什么会走路?经研究蜘蛛不是靠肌肉的收缩进行走路的,而是靠其中的"液压"的结构进行走路,据此人们发明了液压步行机……总之,从自然界得到启迪,模仿其结构进行发明创造.这就是仿生学. 这是我们向自然界学习的一个方面.
另一方面,我们还可以从自然的规律中得到启迪,利用其原理进行设计(包括设计算法),这就是智能计算的思想.
智能计算
智能计算,也有人称之为"软计算",就是借用自然界（生物界）规律的启迪,根据其原理,模仿设计求解问题的算法.如：人工神经网络技术、遗传算法、进化规划、模拟煺火技术和群集智能技术等.
群集智能（Swarm Intelligence）
群居昆虫以集体的力量,进行觅食、御敌、筑巢的能力.这种群体所表现出来的"智能",就称之为群体智能.如蜜蜂采蜜、筑巢、蚂蚁觅食、筑巢等.从群居昆虫互相合作进行工作中,得到启迪,研究其中的原理,以此原理来设计新的求解问题的算法.
蚂蚁算法
蚂蚁觅食时,在它走过的路上,留下外激素,这些外激素就象留下路标一样,留给后来"蚁"一个路径的标志.后面的蚂蚁,就会沿着有外激素的路径行走（外激素越多引诱蚂蚁的能力就越强）.科学家们对此进行过试验：用人造的外激素在纸上画上一条路径,对蚂蚁进行试验.结果蚂蚁果然都沿画有外激素的路径行走.
B
D
蚁穴 A
C 食物
蚂蚁寻食时,由蚁穴出发,可沿AC,也可沿ABC（见上图）,设各蚂蚁寻到食物后沿原路回穴,并在路上留下外激素,那么因AC路径短,故当它们沿AC返回时,就在AC上留下两次外激素.而沿ABC返回者,因其路径长,仅回到D点,于是AD一段只留过一次外激素（即其上的外激素的浓度比AC上的浓度淡）,故这时从蚁穴出来寻食者就会沿浓度大的路径AC行走……最后大多数的蚂蚁都会沿较短的路程进行寻食. 利用这个原理科学者们就设计了蚂蚁算法(进行求最短程).
上面是个简单的原理,当然要设计出切实可行的算法,还要将模型进一步精确,如要计及外激素的挥发(即激素的浓度将随时间而逐步降低等等).
用蚂蚁算法求最短程
1.一群蚂蚁随机从出发点出发,遇到食物,衔住食物,沿原路返回
2. 蚂蚁在往返途中,在路上留下外激素标志
3. 外激素将随时间逐渐蒸发（一般可用负指数函数来描述,即乘上因子e-at）
4. 由蚁穴出发的蚂蚁,其选择路径的概率与各路径上的外激素浓度成正比
蚂蚁算法还可以应用于很多实际问题,例如用于重建通讯路由,管理公司的电话网,对用户记帐 收费等工作,任务分配问题等
不要停,继续思索
进一步,将每个蚂蚁看成是一个神经元,它们之间的通讯联络,看成是各神经元之间的连接,只不过这时的连接不是固定的,而是随机的.即用一个随机连接的神经网络来描述一个群体.这种神经网络所具有的性质,就是群体的智能
科学家们从蜻蜓翅膀末端的一块比周围略大一些的厚斑点得到了启示,从而解决了飞机机翼因剧烈抖动而破碎的现象.
蝴蝶
五彩的蝴蝶颜色粲然,如重月纹凤蝶、褐脉金斑蝶等,尤其是萤光翼凤蝶,其后翊在阳光下时而金黄,时而翠绿,有时还由紫变蓝.科学家通过对蝴蝶色彩的研究,为军事防御带来了极大的稗益.在二战期间,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.苏联昆虫学家施万维奇根据当时人们对伪装缺乏认识的情况,提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发现的道理,在军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装.因此,尽管德军费尽心机,但列宁格勒的军事基地仍然无恙,为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础.根据同样的原理,后来人们还生产出了迷彩服,大大减少了战斗中的伤亡.
人造卫星在太空中由于位置的不断变化可引起温度骤然变化,有时温差可高达两、三百度,严重影响许多仪器的正常工作.科学家们受蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变换角度而调节体温的启发,将人造卫星的控温系统制成了叶片反两面辐射、散热能力相差很大的百叶窗样式,在每扇窗的转动位置安装有对温度敏感的金属丝,随温度变化可调节窗的开合,从而保持了人造卫星内部温度的恒定,解决了航天事业中的一大难题.
甲虫
甲虫自卫时,可喷射出具有恶臭的高温液体“炮弹”,以迷惑、刺激和惊吓敌害.科学家将其解剖后发现甲虫体内有3个小室,分别储有二元酚溶液、双氧水和生物酶.二元酚和双氧水流到第三小室与生物酶混合发生化学反应,瞬间就成为100℃的毒液,并迅速射出.这种原理目前已应用于军事技术中.二战期间,德国纳粹为了战争的需要,据此机理制造出了一种功率极大且性能安全可靠的新型发动机,安装在飞航式导弹上,使之飞行速度加快,安全稳定,命中率提高,英国伦敦在受其轰炸时损失惨重.美国军事专家受甲虫喷射原理的启发研制出了先进的二元化武器.这种武器将两种或多种能产生毒剂的化学物质分装在两个隔开的容器中,炮弹发射后隔膜破裂,两种毒剂中间体在弹体飞行的8—10秒内混合并发生反应,在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌人.它们易于生产、储存、运输,安全且不易失效.萤火虫可将化学能直接转变成光能,且转化效率达100%,而普通电灯的发光效率只有6%.人们模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源可将发光效率提高十几倍,大大节约了能量.另外,根据甲虫的视动反应机制研制成功的空对地速度计已成功地应用于航空事业中.
蜻蜓
蜻蜓通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流,并利用气流产生的涡流来使自己上升.蜻蜓能在很小的推力下翱翔,不但可向前飞行,还能向后和左右两侧飞行,其向前飞行速度可达72公里/小时.此外,蜻蜓的飞行行为简单,仅靠两对翅膀不停地拍打.科学家据此结构基础研制成功了直升飞机.飞机在高速飞行时,常会引起剧烈振动,甚至有时会折断机翼而引起飞机失事.蜻蜓依靠加重的翅膀在高速飞行时安然无恙,于是人们效仿蜻蜓在飞机的两翼加上了平衡重锤,解决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题.
为了研究滑翔飞行和碰撞的空气动力学以及其飞行的效率,一个四叶驱动,用远程水平仪控制的机动机翼（翅膀）模型被研制,并第一次在风洞内测试了各项飞行参数.
第二个模型试图安装一个以更快频率飞行的翅膀,达到每秒18次震动的速度.有特色的是,这个模型采用了可变可调节前后两对机翼之间相差的装置.
研究的中心和长远目标,是要研究使用“翅膀”驱动的飞机表现,以及与传统的螺旋推动器驱动的飞机效率的比较等等.
苍蝇
家蝇的特别之处在于它的快速的飞行技术,这使得它很难被人类抓住.即使在它的后面也很难接近它.它设想到了每一种情况,非常小心,并能快速移动.那么,它是怎么做到的呢?
昆虫学家研究发现,苍蝇的后翅退化成一对平衡棒.当它飞行时,平衡棒以一定的频率进行机械振动,可以调节翅膀的运动方向,是保持苍蝇身体平衡导航仪.科学家据此原理研制成一代新型导航仪——振动陀螺仪,大在改进了飞机的飞行性能,可使飞机自动停止危险的滚翻飞行,在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡,即使是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失.苍蝇的复眼包含4000个可独立成像的单眼,能看清几乎360度范围内的物体.在蝇眼的启示下,人们制成了由1329块小透镜组成的一次可拍1329张高分辨率照片的蝇眼照像机,在军事、医学、航空、航天上被广泛应用.苍蝇的嗅觉特别灵敏并能对数十种气味进行快速分析且可立即作出反应.科学家根据苍蝇嗅觉器官的结构,把各种化学反应转变成电脉冲的方式,制成了十分灵敏的小型气体分析仪,目前已广泛应用于宇宙飞船、潜艇和矿井等场所来检测气体成分,使科研、生产的安全系数更为准确、可靠.
蜂类
蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成,每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成,这些结构与近代数学家精确计算出来的——菱形钝角109○28’,锐角70○32’完全相同,是最节省材料的结构,且容量大、极坚固,令许多专家赞叹不止.人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板,强度大、重量轻、不易传导声和热,是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料.蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方向十分敏感的偏振片,可利用太阳准确定位.科学家据此原理研制成功了偏振光导航仪,被广泛用于航海事业中.
苍蝇、萤火虫、电鱼、水母,见下详述.
第五个：章鱼的吸盘~
仿生学是一门模仿生物的特殊本领,利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学.据传说,我国古代著名工匠鲁班,上山伐树时,被丝矛草割破了手.他觉得奇怪,一棵小草怎么会这样厉害?经过仔细观察,他发现丝茅草叶子的边缘长着许多锋利的细齿.于是鲁班发明了木工用的锯子.据推测,古代木船的发明,是从鱼类的游泳得到了启示.在发明飞机的过程中,人们也从虫、鸟的飞行中学到了许多有用的知识.
现在,科学家们正带着定向、导航、探测、能量转换、信息处理、生物合成、结构力学和流体力学等众多的科学难题,到生物界中去寻找启示和答案.
苍蝇与宇宙飞船
令人讨厌的苍蝇,与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及,但仿生学却把它们紧密地联系起来了.
苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”,凡是腥臭污秽的地方,都有它们的踪迹.苍蝇的嗅觉特别灵敏,远在几千米外的气味也能嗅到.但是苍蝇并没有“鼻子”,它靠什么来充当嗅觉的呢? 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“鼻孔”与外界相通,内含上百个嗅觉神经细胞.若有气味进入“鼻孔”,这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲,送往大脑.大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同,就可区别出不同气味的物质.因此,苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪.
仿生学家由此得到启发,根据苍蝇嗅觉器的结构和功能,仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪.这种仪器的“探头”不是金属,而是活的苍蝇.就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上,将引导出来的神经电信号经电子线路放大后,送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号,便能发出警报.这种仪器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.
这种小型气体分析仪,也可测量潜水艇和矿井里的有害气体.利用这种原理,还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中.
从萤火虫到人工冷光
自从人类发明了电灯,生活变得方便、丰富多了.但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光,其余大部分都以热能的形式浪费掉了,而且电灯的热射线有害于人眼.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,有许多生物都能发光,如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等,而且这些动物发出的光都不产生热,所以又被称为“冷光”.
在众多的发光动物中,萤火虫是其中的一类.萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色,光的亮度也各不相同.萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率,而且发出的冷光一般都很柔和,很适合人类的眼睛,光的强度也比较高.因此,生物光是一种人类理想的光.
科学家研究发现,萤火虫的发光器位于腹部.这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成.发光层拥有几千个发光细胞,它们都含有荧光素和荧光酶两种物质.在荧光酶的作用下,荧光素在细胞内水分的参与下,与氧化合便发出荧光.萤火虫的发光,实质上是把化学能转变成光能的过程.
早在40年代,人们根据对萤火虫的研究,创造了日光灯,使人类的照明光源发生了很大变化.近年来,科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素,后来又分离出了荧光酶,接着,又用化学方法人工合成了荧光素.由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯.由于这种光没有电源,不会产生磁场,因而可以在生物光源的照明下,做清除磁性水雷等工作.
现在,人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光,作为安全照明用.
电鱼与伏特电池
自然界中有许多生物都能产生电,仅仅是鱼类就有500余种 .人们将这些能放电的鱼,统称为“电鱼”.
各种电鱼放电的本领各不相同.放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗.中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压,有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压,称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动物.
电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究, 终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官.这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的.由于电鱼的种类不同,所以发电器的形状、位置、电板数都不一样.电鳗的发电器呈棱形,位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的发电器形似扁平的肾脏,排列在身体中线两侧,共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体,位于皮肤与肌肉之间,约有500万块电板.单个电板产生的电压很微弱,但由于电板很多,产生的电压就很大了.
电鱼这种非凡的本领,引起了人们极大的兴趣.19世纪初,意大利物理学家伏特,以电鱼发电器官为模型,设计出世界上最早的伏打电池.因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”.对电鱼的研究,还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官,那么,船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决.
水母的顺风耳
“燕子低飞行将雨,蝉鸣雨中天放晴.”生物的行为与天气的变化有一定关系.沿海渔民都知道,生活在沿岸的鱼和水母成批地游向大海,就预示着风暴即将来临.
水母,又叫海蜇,是一种古老的腔肠动物,早在5亿年前,它就漂浮在海洋里了.这种低等动物有预测风暴的本能,每当风暴来临前,它就游向大海避难去了.
原来,在蓝色的海洋上,由空气和波浪摩擦而产生的次声波 (频率为每秒8—13次),总是风暴来临的前奏曲.这种次声波人耳无法听到,小小的水母却很敏感.仿生学家发现,水母的耳朵的共振腔里长着一个细柄,柄上有个小球,球内有块小小的听石,当风暴前的次声波冲击水母耳中的听石时,听石就剌激球壁上的神经感受器,于是水母就听到了正在来临的风暴的隆隆声.
仿生学家仿照水母耳朵的结构和功能,设计了水母耳风暴预测仪,相当精确地模拟了水母感受次声波的器官.把这种仪器安装在舰船的前甲板上,当接受到风暴的次声波时,可令旋转360°的喇叭自行停止旋转,它所指的方向,就是风暴前进的方向；指示器上的读数即可告知风暴的强度.这种预测仪能提前15小时对风暴作出预报,对航海和渔业的安全都有重要帮助