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科学松鼠会

让我们剥开科学的坚果

 
 
 

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什么是科学松鼠会? 我们认为,对于部分人来说,科学就像一枚枚难以开启的坚果,虽味美却不易入口。 我们希望自己能够像松鼠一样,打开科学的坚硬外壳,将有营养的果仁剥出来,让人们能够领略到科学的美妙。 我们试图让科学传播并且流行起来。

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追随昆虫的脚步 ——昆虫与仿生  

2013-01-08 18:19:09|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文作者:花栗鼠习作

作者:瀚海蓝月

人类自诩为地球上唯一拥有高级智慧的生物,在与自然进行生存斗争的时创建了文明、发展了科技。各种技术和发明弥补了人类的不足,但人类仍然不断遇到难题。而在亿万年的进化中,生物经过无数次失败和牺牲已完美的解决了这其中的很多问题。有时候,人类不妨师法自然,从中汲取灵感。

昆虫最迟在约4亿年前演化出现,截至2005年,全球共记录约92万5000种,是生命演化历史上种类最为繁多的动物类群。它们遍布包括南极洲在内的各个大陆,它们的总重量超过了其它所有动物(包括人类)的总和,它们具有改变地球面貌的力量,是陆地生息繁衍的霸主。如此兴盛的生物类群,理所当然的成为人类的老师,而我们也正在追随昆虫演化的脚步,一点一点完善科技和发明。

昆虫的感官仿生

蜻蜓的复眼,作者: Nitin Jawale

复眼是昆虫最重要的视觉器官,它由多个小眼组成,小眼呈正六边形,小眼的边缘重叠,组成正六边形阵列。每一个小眼的视野都很小,但很多小眼组成的复眼其视野就很大了。一些昆虫的水平视野可以达到240度,而垂直视野范围可达360度;而人的视野范围只有180度。

昆虫的复眼对运动的物体很敏感,以蜜蜂为例,其对突然出现的物体反应时间为0.01秒,而人却需要0.05秒。而且这种复眼系统对于测量距离和估算运动速度具有良好的能力。因此,昆虫的视觉系统在运动过程中可以发挥出卓越的性能,它也就成为了现代飞行设备的重要仿生对象。早在1980年,美国的科学家就试图将昆虫复眼的原理应用于空对地导弹的制导研究并制成了工程模型;现在,人们则倾向于将其作为机器人导航系统,以提高机器人的自主功能水平。基于复眼原理的各种测速和测距仪也已经开始应用。不仅如此,人们还研制出了一次能拍摄1329张高清照片的蝇眼照相机,广泛应用于军事、医学、航天等领域。

昆虫的触角是嗅觉器官,在很多昆虫中还能起到味觉和听觉的作用。在昆虫的触角上有很多毛状感受器,它们可以感受到环境的刺激并将这些刺激转化成神经信号传导到脑。以蜜蜂为例,其触角上的嗅觉感受器就多达3000-30000个,而一些蛾子则更多,它们甚至能对周围个位数的气体分子做出反应。再如雄蚊可以通过雌蚊飞行声音的频率寻找配偶,即使相隔数十米,周围噪声如雷,它依然可以准确找到目标。这种灵敏度和抗干扰力让人叹为观止。目前在这方面的仿生已经取得一些成绩,如仿苍蝇嗅觉器制成的灵敏度很高的气体分析仪,已被用于分析宇宙飞船座舱中的气体。此外,各种类似原理的嗅敏仪也在矿井瓦斯监测和火警报警中得以应用。

昆虫形态和结构仿生

蚊子口器,图片来自faculty.ksu.edu.sa

很多人打针怕痛,确实,打针的滋味并不舒服。但是,很多蚊子在吸血时你却毫无感觉。研究表明,那些咬人不痛的蚊子的口器结构很特殊:它吸血时,带有尖锐锯齿的口器像精巧的手术刀一样切入皮肤,然后把里面的针器推进去,只造成很小的切口。与光滑的注射器针头相比,锯齿形边缘减少了对人体神经的刺激,降低了疼痛感。日本科学家就模仿蚊子的口器试制了无痛注射器,但是针管易折断,因此仍需要进一步改进。我国科学家也在这方面进行了理论研究。

昆虫的足是另一个让人感兴趣的地方——它们表现出了卓越和吸附和攀爬能力。一些昆虫在光滑的表面能够抵抗超过自身重量100倍的分离力,而且还能在这些表面上自由行走!昆虫的足底非常复杂,有些是刚毛(昆虫体表一种细长的毛发,长度在几十到几百微米,粗细一般在几微米)的吸附作用,有些则是能够伸缩的类似吸盘的结构,而且有证据表面昆虫的足底存在吸附分泌物来增加粘性。科学家们希望通过这种仿生增强机器人的运动能力。凯斯西部保留地大学的研究人员就制成了一种带有吸附足的小爬壁机器人,能在垂直壁面行走并且能越过凹凸不平的表面。

水黾则是另一类让人着迷的昆虫,因为它能够在水面上行走,我们经常会在清澈的池塘看到它们。2004年,中国学者在著名学术杂志《自然》上发表文章指出,水黾腿部表面附有数千根按同一方向排列的刚毛,这些刚毛表面存在特殊结构,使不刺破水面而能产生极大的表面张力,于是它就可以踩在水面上行走了。目前国际上已经展开了仿生水黾的水面行走机器人的研发,美国的卡耐基—梅隆大学、中国清华大学以及日本一些学者均有相关研究报道。相信水面行走机器人的面世只是一个时间问题了。

昆虫的运动仿生

现在人类的飞行器主要有固定翼飞行器和旋翼飞行器(直升机)两种,虽说人们已经圆了飞天梦,但这两种飞行器的灵活性依然很差。特别是早期固定翼飞行器,飞快了机翼就会不停振动,多亏了工程师向蜻蜓学习,给飞机翅膀两端增加了配重才解决问题。自然界的鸟儿和昆虫飞行更加灵活,而它们显然既非固定翼也非旋翼,它们是扇动翅膀的!于是人们就想到了一种概念飞行器:扑翼飞行器,这种飞行器能够像鸟儿和昆虫一样拍打机翼(扑翼)飞行。各国科学家已经对昆虫和鸟类的飞行运动进行了多年研究,揭开了一些原理,但目前开发大型载人扑翼还不现实,而且也无法保证在飞行过程中机身不会上下颠簸。现在主要的开发项目都集中在小型无人扑翼飞行机器人上。即使如此,它仍拥有比其它飞行机器人更为灵巧快速的飞行能力,对恶劣天气的适应性更强,同时也具有较好的伪装能力,未来,这种扑翼飞行机器人在测绘、勘察和侦察等领域将会大显身手。

过去,人类进行太空探测的月球车和火星车都是轮式的,但是,轮式探测车的表现并不好,它们的车轮时而会被石块卡住,时而又会被软沙地陷住,搞得远在地球的监控人员满头大汗。这时,有人看中了到处都行走如飞的昆虫。昆虫有六条腿,别看行走飞快,它们始终有三条腿踩在地面上形成稳定的三脚架。美国加州大学的研究者们在认真研究了昆虫爬行的每一个细节后制作出了一只机器虫,它能在凹凸不平的路面上轻松行走,即使是被触碰后仍能保持稳定,甚至还能够在被掀翻的情况下翻转回来。这是轮式机器人完全无法比拟的,这种适应能力更适合在无人的星球或者海底进行探测,相信不久它们就会发挥出作用。

昆虫其它特异能力仿生

很多昆虫还有自己独特的看门绝技,往往也是值得我们学习的。比如萤火虫这样的发光昆虫在能够将体内的能量转化为光能,转化效率达到接近100%,这是目前常见的灯具无法企及的,普通的白炽灯泡转化率则更是可怜,只有6%。模仿萤火虫发光的冷光源发光效率提高了十数倍,大大提高了能量的利用率。

蚂蚁这样的社会生物,每天都忙忙碌碌,将巢穴内的垃圾丢弃到巢外,将外面的食物搬运到巢内,整个巢穴就如同一个物流网络。这个网络没有人发号施令协调交通,但却有条不紊,很少发生拥堵。有科学家在研究了蚂蚁运动以后,构建出了“蚁群算法”数学模型,用来指挥交通和物流,大大提高了运输效率。

炮弹虫是一类甲虫,又叫屁步甲,可以向敌人喷射灼热的有毒液体,被称为最不可能进化成功的昆虫之一。研究发现,炮弹虫将两种危险的化学物质储存在不同的“罐子”里,当需要的时候才混合到一起,两种物质一旦混合,在酶的作用下就会迅速发生化学反应——沸腾、喷发。美国军事专家借此研制出了非常先进的二元化学武器:将化学物质存放在相互隔开的容器中,一旦炮弹发射,隔膜破裂,在弹体飞行的几秒钟内混合反应,最终达到杀伤敌人的作用——虽然这也算得上仿生学的成功案例,但还是希望仿生学能够更多地为人类造福,而不是为战争服务。

Pheropsophus occipitalis ,来自http://gaga.biodiv.tw

本文已在《百科知识》发表,有改动

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