书城科普读物科学伴你行——生物启迪
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第5章 仿生学(5)

科学家希望通过研究投弹手甲壳虫利用喷射技术御敌的机制,帮助他们解决飞机在高空飞行中,当外部空气的温度低至零下50℃时,燃油涡轮发动机会偶尔停止运转这样一个难题。以此立项的一项为期3年的创新研究将于明年年初在英国利兹大学正式启动。该项目由英国工程物理科学研究学会(EPSRC)资助,利兹大学能源研究所热力学及燃烧学教授安迪·麦金托什领军。研究小组将利用计算机数字模拟技术,研究并模拟这种甲虫的技能。他们将首先从剖析投弹手甲壳虫形状呈心形,长度还不足1毫米的天然微型燃烧室入手,仿制一个几厘米长的燃烧室,并研究各种不同形状喷嘴的效果。

美国康乃尔大学的汤姆·艾斯内尔教授也将启动一个新项目来进一步了解投弹手甲壳虫的脉冲燃烧技能和喷射机理,开发一种类似的,通过把热流准确喷射到飞机发动机燃烧室,实现高空重新点火的装置,改进现有的飞机燃油发动机。

麦金托什教授说,投弹手甲壳虫的御敌机制提供了一种极其有效的天然燃烧方式,研究和模仿这种天然机制是迅速发展的仿生学领域的一部分,深入了解这种甲虫,很可能使燃烧研究取得重大进展。

从马到航天飞机

马是陆地上奔跑速度最快、耐力最强的哺乳动物之一,它们跑姿优美,轻快如飞。那么,马轻快如飞的秘诀到底是什么呢?拉普夫经过长达3年的研究最终发现,马腿骨头的构造十分奇特,马腿第三掌骨上有一个毫不起眼的天然小孔,是它令马腿能在奔驰中单腿承受身体重量和空气阻力带来的强大压力。

研究人员利用显微镜和X光显微摄影术,分析了马腿第三掌骨小孔及其周围的细微结构,然后将结果转化成特殊的方程式,再根据方程式制造出第三掌骨的电脑模型以模拟掌骨在承受不同压力时的表现。结果他们发现,这个小孔不仅能使血管穿入骨组织为其供血,还具有“与众不同”的力学表现——当马腿掌骨承受压力时,掌骨会自动把小孔所承受的巨大压力分散到周围的坚固部位,即使腿骨折断,其折断的部位也不会发生在小孔或其周围地方,而是在距离小孔较远的其它地方。

此前,人们通常认为这个小孔只会令马腿结构变得更加脆弱,而拉普夫等人的发现改变了人们的这一观点。研究小组还以电脑模型为基础,制造出一块“仿生板”,作为应用于飞机或宇宙飞船材料结构的原型。他们特意在“仿生板”上做了一个小孔,孔的四周喷上了不同级别的聚氨窬泡沫塑料,以此来模拟马腿第三掌骨小孔周围的骨构造。研究人员对“仿生板”进行的试验表明,“仿生板”承受压力的能力很强,即便发生断裂,断裂位置也会出现在远离小孔的地方,与马的第三掌骨在承受压力时的表现一样。拉普夫认为,“仿生板”所具有的超强的抗压能力对于那些必须长期面对强大气流压力的飞机、宇宙飞船等飞行器来说具有一定的启发意义。

猫眼夜视仪

提起夜视仪,就一定要提到猫。漆黑的夜晚,猫能清楚地观察老鼠的一举一动并敏捷地抓住它。

猫的眼睛为什么能在黑暗中看清东西呢?其原因在于猫眼的视网膜上具有圆锥细胞和圆柱细胞,圆锥细胞能感受白昼普通光的光强和颜色,圆柱细胞能感受夜间的光觉。一般只能在白天活动的动物如鸟、鸡等,它们的视网膜中常常只有圆锥细胞;而另一些只能在夜间活动的动物如猫头鹰,其视网膜上只有圆柱细胞。此外,猫眼还有一个特点,在它感受弱光时,瞳孔能够随着光的不同强度而自动调整。所以,在中午阳光很强时,你会看到猫眯着它的双眼,瞳孔已缩小成直线般的细缝,保证只让少量的光线进入瞳孔内。而在光线十分微弱的晚上,瞳孔又能放大呈圆形,以便保证在黑暗中也能看清楚各种物体。

猫眼具有这样的奥妙,军事科学家们便模仿猫眼研制出了大有用处的微光夜视仪。

发展微光夜视技术的关键是图像增强器,它的功能是把输入图像的亮度增强并加以显示,微光通过图像增强器后,其可视距离达2000米,但在性能、结构和重量等方面,与猫眼相比,仍有较大的差距。

鱼眼侦察机高空侦察机用普通相机从高空拍摄地面照片,一次只能摄得10平方千米面积的景物。为了解对方更多的情况,侦察机必须深入敌境,因而要冒被敌人导弹击中的危险。

科学家们因此研制出了一种高性能相机,可以从高空大面积拍照,图像十分清晰。这种新式照机采用的不是普通镜头,而是仿照鱼眼构造制成的鱼眼镜头。

鱼眼有什么值得仿效的特点呢?一般动物眼睛的视野或像场角是比较小的,只能看到眼睛前方的景物,而鱼眼的像场角很大,可以达到220度,不仅可以看到前面180度范围内的景物,还可以拐弯看到身体两侧往后的一些景物。仿照这种“眼观六路”的鱼眼制成的鱼目镜头,也具有200多度的像场角,比普通照相机的像场角扩大了3倍。

另外,许多鱼还具有“水陆两用眼”,能同时观察水中和空中的目标。一种生活在美洲亚马逊河的四眼鱼就是如此。它的眼睛很特别,被一个水平隔膜隔开,将眼分成上、下两半,上半部突出头上,适于观察空中之物,下半部适于观察水中之物。模仿四眼鱼的眼睛,人们将来可设计出能观察空中之物和水中之物的装置,使船舰在水面航行时,既能看见水上的物体,也能看见水下的物体。

蝙蝠为雷达供蓝图

蝙蝠是能够飞行的小型兽类,经常在昏暗的夜空中飞来飞去寻找食物,捕捉昆虫。蝙蝠的眼睛视力很差,要在昏暗的夜空看清飞舞的昆虫是不可能的。那么,它是怎样发现和捕食昆虫的呢?1794年意大利一位科学家在一系列试验中发现,蝙蝠的视力、嗅觉、发肤触觉都对捕食昆虫没有影响,唯独封闭了它的耳朵,使它失去听觉后,蝙蝠立刻丧失了辨别方向的能力,再也不能正常捕食昆虫了。

后来,又有人对蝙蝠的喉头做了解剖,发现它的喉头很大,里面有两个宽而短的声带。喉头能发出频率为20~100千周/秒的声波,超过了人的耳朵能接收到的声波范围(人耳接收频率的范围为20~20000周/秒),所以叫超声波。蝙蝠发出的超声波遇到了前方物体就反射回来,耳朵接受反射回来的信息,就能判断前方物体的方向位置。蝙蝠耳朵实际上是一个灵敏的声纳系统探测仪。依靠它,蝙蝠能够敏捷而准确地捕食昆虫和避开各种障碍。

人们对蝙蝠的定位能力进行了各种试验。当他们把一群蚊蝇放入蝙蝠生活的空间内时,蝙蝠能超乎寻常地去快速捕捉这些空中的昆虫,一秒钟内便能捕到数只。有人把蝙蝠放到一个黑暗的实验室里,室内用拉紧的铁丝制成网格,让蝙蝠在里面飞行,供实验的蝙蝠两个翅膀张开时可达40厘米,而铁丝间隔只有14厘米。蝙蝠仍能用自己的回声定位器发现障碍物,在一刹那间,收起翅膀,顺利通过铁丝网格。这足以说明蝙蝠对反射回来的信号接受能力是多么强,反应又是多么快。视力很差的蝙蝠可以避开直径为0.5毫米的细丝,可以分辨用0.1毫米粗的细丝织成的网,这主要是因为蝙蝠有一套“回声定位”本领。

原来,蝙蝠在飞行时,不断从喉咙中发出超声波脉冲,声波碰到障碍物后,会被反射,再用耳朵接收回来的回声,就可以判断前边的物体的大小和方面。

蝙蝠不但能区别外来的不同超声波信号,就是同类之间的超声信号,彼此间也能加以区别。据估计,如果有上亿只蝙蝠生活在一起,它们所发出的信号也不互相干扰。

在第一次世界大战期间,人们根据蝙蝠发出的超声波探测目标的“回波原理”发明了雷达,及时探测出敌机的方位和距离,以便发出警报和进行阻击。不过雷达不是发射声波而是用无线电波。雷达发射设备通过天线向空中发射电磁波,碰到目标后,电磁波被反射回来,雷达接收设备接收到返回的电磁波,经过加工处理后,就知道探测到目标了。蝙蝠的超声定位原理,如今已被广泛应用。除雷达外还制成了各种形式的超声波定位仪。如红外遥感探测仪和供盲人用的探路仪、双耳助听器等。这些仪器都是利用超声波定位(即能完成发射超声波定位和回收并转换成容易辨别的声音信号),帮助盲人恢复部分“视觉”,以发现和判断前方障碍物的位置。

然而,大自然又是奇异的,尽管蝙蝠具有高超的辨声能力,但是有些昆虫,如夜蛾仍然能逃脱它的追捕。原来,夜蛾依靠胸腹间一种奇妙“耳朵”——鼓膜器,能在30米外“听”到蝙蝠发出的超声波,并且迅速作出判断而从容逃之夭夭。后来,人们仔细研究了夜蛾逃避蝙蝠追捕的机理,又制成了反雷达装置。

“水下回声定位能手”与声纳

虎鲸和海豚等是生活在水中的哺乳动物。如果说蝙蝠是在空中利用超声波进行回声定位的冠军,那么虎鲸和海豚便是在水下进行回声定位的能手。

光波和雷达电波为空中侦察作出了卓越贡献,然而在水中侦察却大为逊色。光波和雷达电波一到水下,就很快被海水吸收而耗掉。可是,声波从空气进入海水后,却象脱缰的野马,飞速驰骋,其传播速度由在空气中的340米/秒猛增到1700米/秒,水越深,声波的传播速度就越快,而且损耗小,传得远。

虎鲸和海豚与陆上的兽类不同,它没有声带,声音不是从喉咙中发出来的。虎鲸发出的声音,是它头部气囊系统产生的。

当虎鲸把空气吸入气囊系统后,就关闭其上的瓣膜,空气在里面流动时使瓣膜振动发出声音来。即使在水里没有空气的情况下,它还是可以照样发出声音来。在气囊系统的前面还有一个脂肪瘤起“声速镜”的作用,能把声音聚焦后定向发出来,帮助虎鲸更准确地探测目标和分辨障碍物。

和蝙蝠的回声定位系统一样,虎鲸也有一个完美的接收器。