有趣的仿生學

仿生學作為一門獨立的學科，形成于20世紀60年代，它是研究生物系統(tǒng)的結構性質、能量轉換和信息加工的處理過程，用來改善現(xiàn)有的或創(chuàng)造出嶄新的機械、儀器、建筑結構和工藝過程的邊緣學科。仿生技術是發(fā)展現(xiàn)代高新技術的重要途徑之一。下面擷取幾例，僅供參考。

1.我國最早的仿生師——魯班

我國古代杰出的工匠魯班，在一次上山砍樹時，不小心被一棵小草劃破了手，他好奇地摘下草葉觀察，發(fā)現(xiàn)葉子的邊緣有許多鋒利的小齒，于是突發(fā)奇想，把鐵片磨上細齒用來割斷木頭，從而發(fā)明了常用的伐木工具——鋸。鋸的發(fā)明是魯班從帶齒的葉片中得到的啟發(fā)。

2.高速運轉的恐龍鉆頭

鴨嘴龍是史前巨型爬行動物，它的牙床上重重疊疊地長了約600顆牙齒，如果上面的牙齒磨掉了，下面的牙齒會補上去。而且它們的牙齒是雙層的，外層的牙不能用了，內層的牙齒會自動補上去，繼續(xù)使用。機械師模仿鴨嘴龍牙齒的排列形狀，設計制成了一種恐龍鉆頭。這種新鉆頭模仿鴨嘴龍的牙齒，裝了兩層，內層的齒嵌在較軟的材料上，當外層的齒磨壞了不能使用時，鉆頭繼續(xù)旋轉，就會將這層軟材料磨掉，露出內層的齒，于是鉆頭又可以繼續(xù)鉆進了。這種鉆頭減少了調換鉆頭的麻煩，其鉆進速度是一般鉆頭的2倍。真想不到，史前生物鴨嘴龍也能為現(xiàn)代科學技術作出貢獻。

3.長頸鹿與飛行“抗荷服”

長頸鹿身高在5ｍ以上，頭部距離心臟有3ｍ，如果沒有較高的血壓，頭部大腦就可能得不到充分的血液供應。據(jù)測定，長頸鹿體內的血壓高達46.55 kpa（350 mmHg），比人的血壓高出2倍，其他動物如果血壓升到這樣高的值，會立即因腦溢血而死亡。長頸鹿為什么不會發(fā)生腦溢血呢?原來，長頸鹿的那層緊繃在身上的皮膚能抵抗突然升高的血壓。當它低頭喝水時，緊繃的皮膚會牢牢箍住血管，不會因血壓的突然增加而被脹破。科學家受到啟示，仿照長頸鹿的皮膚發(fā)明了一種飛行服——“抗荷服”?？购煞嫌幸惶壮錃庋b置，隨飛機速度的增高，會自動充入一定數(shù)量的氣體，壓縮空氣對血管產生一定的壓力，從而使人的血壓保持正常。

4.導彈命名“響尾蛇”

響尾蛇是一種毒性很強的蛇，它有一種能探測周圍環(huán)境中溫度變化的紅外線感受器，長在眼睛與鼻孔之間的頰窩里。由于響尾蛇具備了這種紅外線感受器，在黑暗中它們也能準確無誤地捕獲獵物。美國的海軍武器研究中心，利用這一原理，研制出一種空對空導彈的敏感器件，能夠探測來自目標的紅外輻射，從而緊緊盯住目標不放，直至把目標摧毀。這種導彈被命名為“響尾蛇導彈”。

5.偽裝之王變色龍

變色龍學名叫“避役”，它行動遲緩，面目可憎，渾身灰黑色，布滿了疙瘩，可是它在一晝夜中能變換六七種顏色。原來，變色龍的表皮上有一個變幻無窮的“色彩倉庫”，貯藏著黃、綠、藍、黑等各種色素細胞，一旦周圍的光線、溫度和濕度發(fā)生了變化，變色龍就隨之改變體色?？茖W家仿照變色龍，制成了一種既能自動改變顏色，又始終與環(huán)境保持一致的軍裝。這種軍裝用一種對光線變化很敏感的化學纖維織成的布料制成，士兵穿上這種軍裝，可以放心地從白色的沙灘上登陸，在森林里軍裝是深綠色，在草地時又變成麻黃色的了。

6.鱷魚“流淚”的啟示

兇殘的鱷魚在吞食獵物時，總是流著“悲傷”的眼淚，其實它們是在排泄體內多余的鹽分。生活在咸水或海水中的動物，體內都有一種特殊的結構——鹽腺，各種鹽腺的構造基本一樣：中間是一根導管，并向四周輻射出幾千根細管，跟血管交織在一起，把血液中多余的鹽分離析出來，再通過中央的導管排泄到體外。鹽腺是動物天然的“咸水淡化器”?？茖W家從鱷魚的流淚中得到啟示，模仿鹽腺的構造原理，研制出一種體積小、重量輕、效率高、價格低的“仿生海水淡化器”，從根本上解決了海水淡化的難題。

7.潛艇的外形像海豚

海豚的游泳速度每小時可達一百多千米，輕而易舉地超過現(xiàn)代潛艇的航速，海豚游泳快的秘密在哪里?仿生學家解剖了海豚，發(fā)現(xiàn)其皮膚的特殊構造是游得快的主要原因。海豚的皮膚外面的表皮薄而富有彈性，里面的真皮像海綿一樣有許多突起，突起之間充滿了液體。這種皮膚能吸收和消除阻礙前進的水流漩渦，使水流從它表面順利通過，因而游得快。仿生學家模仿海豚的皮膚，用富有彈性的有機材料制成一種多層的潛艇外殼，潛艇穿上這層人造“皮膚”，航行時阻力可減少一半，航速提高了1倍。

8.啄木鳥與新型安全帽

啄木鳥一天可發(fā)出約600次的啄木聲，每啄一次的速度可達每秒55 km，比空氣中的音速還快1.6倍，而它的頭部搖動的速度更快，約每小時2 080 km，比射出的子彈還要快1倍多。此時，它頭部所受到的沖擊力約為所受重力的1 000倍，而一輛時速為56 km的汽車撞在一堵墻上，受到的沖擊力僅為所受重力的10倍。為什么啄木鳥頭部可以受到那么大的力卻不會得腦震蕩?原來啄木鳥頭部的構造與眾不同：它的腦殼非常堅硬，周圍還有一層海綿狀的骨骼，里面吸附著很多液體，能起消震作用，頭部兩側還有強有力的肌肉系統(tǒng)，也能起到防震作用?？茖W家由此得到啟示，設計了一種新型安全帽：外殼堅固，里層松軟，帽子下部有一個保護領圈，避免因突然而來的旋轉運動所造成的腦損傷。經過實驗，比一般防護帽效果好得多。

軍用生物技術摭談

在引發(fā)21世紀武器裝備革命性變化的高新技術中，迅速興起的生物技術發(fā)展勢頭正猛。生物技術包括遺傳工程、細胞工程和發(fā)酵工程等。有識之士認為，現(xiàn)代化生物武器是一支重要的威懾力量，在未來戰(zhàn)場上，比原子彈更可怕。軍用生物技術除了人們已知的基因武器外，還有下述幾種。

1.生物電子裝備

利用生物技術設計生產的大分子系統(tǒng)是更高級的電子材料，能夠確保電子裝備在各種復雜條件下穩(wěn)定工作。生物色素等分子結構偶矩極大的生物材料，能對電子信息進行高速傳遞、存儲和處理，不受電磁干擾和核電磁脈沖的影響。用這種電子元件制成雷達，可在強烈電磁干擾下，全天候、全方位、遠距離搜索發(fā)現(xiàn)目標與識別敵我，且比使用同功率、同頻率范圍的無線電臺和干擾機的體積縮小1／3～1／2，重量減至1／10。即將問世的蛋白質分子計算機將比現(xiàn)有計算機的運算速度和存儲能力高出數(shù)億倍，并具有人腦的分析、判斷、聯(lián)想、記憶等功能。生物電子裝備使軍隊指揮自動化、軍事情報的獲取、武器的精確制導等發(fā)生質的變化。

2.生物炸彈

利用生物技術制造炸藥，生產過程簡單，成本低，燃燒充分，爆炸力強，威力比常規(guī)炸藥大3倍～6倍。

3.軍用仿生導航系統(tǒng)

自然界中許多動物具有導航能力。經研究發(fā)現(xiàn)，某些鳥的導航系統(tǒng)重量只有幾毫克，但精度極高，探測誤差小于0.03μw／ｍ^２。目前已有一些國家在利用生物技術手段模擬動物導航系統(tǒng)來簡化軍事導航系統(tǒng)，以提高精度，縮小體積，減輕重量，降低成本，增強在復雜條件下的導航能力。

4.軍用生物傳感器

把生物活性物質，如受體、酶、細胞等與信號轉換電子裝置結合成生物傳感器，不但能準確識別各種生化戰(zhàn)劑，而且探測速度快，判斷準確，與計算機配合可及時提出最佳防護和治療方案。生物傳感器還可通過測定炸藥、火箭推進劑的降解情況來發(fā)現(xiàn)敵人庫存的地雷、炮彈、炸彈、導彈等的數(shù)量和位置，它將成為實施戰(zhàn)場偵察的有效手段。

5.軍用生物能源

目前作戰(zhàn)兵器的機動裝備大都以汽油、柴油為燃料，跟蹤補給任務重、要求高。生物技術可利用紅極毛桿菌和淀粉制成氫，每消耗1 g淀粉就可生產出1 mL氫。氫和少量燃料混合即可替代汽油、柴油。這樣，機動裝備只需要帶少量的淀粉，就能進行長時間、遠距離的機動作戰(zhàn)。日本、加拿大等國把細菌和真菌引入酵母，酶解纖維生產酒精，或用基因工程方法使大腸桿菌把葡萄糖轉化為酒精，代替汽油或柴油，可隨時為軍隊的機動裝備提供大量的生物燃料。

6.軍用生物裝備

利用生物技術就地取材提供高能量的作戰(zhàn)軍需品。如美國陸軍研究發(fā)展和工程中心已經從織網(wǎng)蜘蛛中分離出合成蜘蛛絲的基因，從而能夠生產蛛絲，還將基因轉移到細菌中生產可溶性絲蛋白，經濃縮后可紡成一種特殊的纖維，其強度超過鋼，可用于生產防彈背心、防彈頭盔、降落傘繩索和其他高強度輕型裝備。此外，用于武器裝備維修的生物粘合劑和用于艦船防腐、防污的生物涂料的研究目前都取得了較大進展。

7.軍用生物醫(yī)藥

生物技術可以制造新的疫苗、藥物和產生新的醫(yī)療方法。如利用生物技術生產血液代用品，已受到西方國家軍方的重視，人造血液可望緩解戰(zhàn)場上血漿供需的矛盾。利用生物技術生產的高效傷口愈合材料，有望進行大規(guī)模生產?？茖W家正研究用重組工程菌進一步提高甲殼多糖(有促進傷口愈合功能)的產量。美國一些公司與陸軍醫(yī)療中心正在從事用生物技術合成“人造皮膚”的研制工作。

8.軍用仿生動力

人和動物的肌肉具有驚人的力量。目前，軍事仿生專家已用聚丙烯酸等聚合物制成了“人工肌肉”，把它放入堿或酸介質中，便能產生強烈的收縮或舒張，直接把化學能轉變成機械能。為盡快制造出實用的肌肉發(fā)動機，專家們設想用膠原蛋白作材料。膠原蛋白分子呈螺旋狀結構，類似彈簧。將其浸入溴化鋰溶液后即迅速收縮，從而做功；用純水洗去溴化鋰，膠原蛋白就恢復到原來長度。這種“肌肉發(fā)動機”，沒有齒輪、活塞和杠桿，故體積小，重量輕，無噪音，操作簡便，還省去了體大笨重易燃易爆的油箱，用來制造兵器，可大大提高機動力和生存力。

9.軍用動物武器

訓練動物參戰(zhàn)，自古有之。但人們運用生物工程技術，創(chuàng)造一些“智商”高、體力強、動作敏捷和繁殖速度快、飼養(yǎng)簡單的動物，去充當“戰(zhàn)斗動物兵”并非遙遠。1992年，世界上第一頭帶有人類遺傳特征的短吻、小眼睛、大耳朵，被稱為“阿斯特里德”的豬在倫敦降生了。到第二年，英國就有37頭豬帶上了人類基因?？茖W家的目的是為了實現(xiàn)跨物種器官移植，以解決目前移植手術中器官來源不足的難題。但由此不難想象，隨著基因技術的發(fā)展，用這一技術“雜交”出一些怪物，甚至“人”，完全是有可能的。

10.神經網(wǎng)絡計算機

由于對人腦的神經細胞及其網(wǎng)絡結構活動機制的研究取得重大突破，從20世紀80年代末開始，模仿這種機制運行的神經網(wǎng)絡計算機的研制已邁出重要步伐。1989年，日本三菱電器公司試制出世界上第一臺光學神經網(wǎng)絡計算機，該機能識別26個字母?，F(xiàn)在，在美國、日本、俄羅斯和西歐諸國，已有多種神經網(wǎng)絡器件、神經網(wǎng)絡軟件包和神經網(wǎng)絡計算機問世。美國國防部高級研究計劃局認為：神經網(wǎng)絡計算機是解決機器智能的惟一希望，因此決心像當年支持研制原子彈那樣支持這方面的研究工作。美國的300多家大公司和許多大學正抓緊從事有關的研究工作。神經網(wǎng)絡計算機在美國被列入國防科研項目之中，它在軍事上可得到廣泛的應用，如可用于景物的圖像識別，雷達和聲納的信號處理，以及目標識別、自動控制系統(tǒng)、智能機器人等。

11.軍用生物材料

生物材料具有重要的軍事應用價值。軍用生物材料是利用現(xiàn)代生物技術對傳統(tǒng)材料進行改造或加工而生產出的具有特殊性能的軍用材料。目前各國正在研究的生物材料有蛋白質纖維、塑料、粘合劑、涂料、彈性體、潤滑劑、復合材料和光電材料等，預計在今后數(shù)十年內有多種生物材料可用于部隊的裝備。

此外，生物加工處理技術在軍事領域也有廣泛的應用。目前正在研究的課題有危險廢物的生物降解、生物除雷、生物防核污染等。已經初步研制出了無腐蝕、低成本、高速度、便于攜帶的清洗生化戰(zhàn)劑的生物酶，清除殘余地雷、水雷，降解TNT炸藥的生物體和能除去鈾、鐳、砷等有毒有害元素的微生物。