科学家们一直对人的肌肉运动进行研究。他们发现,人的肌肉是最简单的生物机械装置。
人的肌肉占了人体重量的40%。活的肌肉,是一台没有齿轮、活塞和杠杆的神奇“发动机”。它具有惊人的动力,能提起比它自身重许多倍的重物。任何现代机器都要由“动力设备”(内燃机、电动机等)和“工作机械”两部分所组成。然而在活肌肉里,这两者却是合为一体的。
人造机器结构复杂,高速运转,磨损和维修是个大问题,因此是“短命”的机器。而活肌肉则是“自我维修”的机器,因而是“长命”的。
科学家们最感兴趣的是肌肉在把化学能转变成机械能时只需一步:在神经信号的刺激下,肌肉收缩变短变粗,直接把食物的能量转变为机械动力,牵引肌腱而使人运动。这里,肌肉是把食物的化学能直接变成了机械能,效率高达80%。而人造机器则必须先把燃料的能量变成热或电,然后再转换为机械能,产生运动。显然,能量的转换每增加一个步骤,就必定要损失掉一部分,从而降低了机械的效率。涡轮机是一种高效率的热机,但它的效率只有40%。
人们模仿活肌肉的这种优异特性,用聚丙烯酸等聚合物,制成了“人工肌肉”。把它放在不同的介质(碱、酸等)之中,便会有效地收缩或者松弛。这种可以直接把化学能转变成机械能的机器,我们把它叫做“机械—化学机”。如再配合以一定的机械装置,它就能提起重物,或者实现机件的往返运动。
活肌肉是一种新型的机器。人们模仿肌肉的工作原理,用包在纤维编织成的套筒里的橡胶管,或用含有纵向排列的纤维(钢丝、尼龙丝等)的橡胶管,制成了“类肌肉装置”。它可以带动残废者的假肢,也能开动其他机器。此外,目前人们还制成了一种“肌飞器”——扑翼机;并且模仿人的膝关节和肌肉系统制成了“液压运动模型”,它使“机器人”像真人那样行走。
人体的大多数肌肉都是以“颉颃肌”的形式成对地排列的。就是说,一束肌肉生长在牵引肢体向上运动的位置,而另一束肌肉则生长在牵引肢体向下运动的位置。例如,在身体前侧向下拉的那些肌肉阻止身体后仰,而后面向下拉的那些肌肉则阻止身体前倾,这种成对排列的肌肉组成了保持人体直立的颉颃肌。
研究表明,生物界的这种用两个产生拉力的“单向力装置”组成的双向运动机械系统,远比工程技术上惯用的用一个推拉“双向力装置”组成的系统优越得多。只要在成对的颉颃肌上施加不同的张力,就能使人和动物体的骨架(机械杠杆)在任何位置保持稳定。颉颃肌的杠杆,能够承受从最轻到最重的各种压力。对颉颃肌的模拟,可以圆满解决各种“机器人”、“步行机”等的行走机构的设计。
人们研制了一种“步行机”,它有强有力的手臂和两条长腿,能越野行走、搬运重物。这种“步行机”腿长3.6米,能走斜坡、转弯、横向跨步,能跨越障碍,步行速度可达56千米/小时。操作人员做一定的动作,“步行机”就跟着做近似的动作。
根据肌肉和关节活动原理,科学家们最近研制出了一种用于森林和农田除草的“机器昆虫”。它有6条腿,每条都有压缩空气驱动,可以跨越1.80米高的障碍物。它还可以分辨出树木和杂草。
随着科技的发展和科学家们的精心研究,必定会有更多的意想不到的奇异的机器出现,它们将使我们的世界更加丰富多彩。