【管理教学类】二十一世纪中小学生素质教育文库(55)仿生奥秘.pdf

仿生学的概念与内容

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,这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。

祖先对生物的模仿

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,以本桨仿
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摇
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前
驱,也是仿生学的萌芽。

从生物那儿得到的

人类仿生的行为虽然早有雏型,但是在世纪年代以前,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,艇身重量减轻后就可以上浮。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。因为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