發明創造的事例

題目：

發明創造的事例

解答：

蒼蠅,是細菌的傳播者,誰都討厭它.可是蒼蠅的楫翅（又叫平衡棒）是「天然導航儀」,人們模仿它製成了「振動陀螺儀」.這種儀器目前已經應用在火箭和高速飛機上,實現了自動駕駛.蒼蠅的眼睛是一種「複眼」,由30O0多隻小眼組成,人們模仿它製成了「蠅眼透鏡」.「蠅眼透鏡」是用幾百或者幾千塊小透鏡整齊排列組合而成的,用它作鏡頭可以製成「蠅眼照相機」,一次就能照出千百張相同的相片.這種照相機已經用於印刷製版和大量複製電子計算機的微小電路,大大提高了工效和質量.「蠅眼透鏡」是一種新型光學元件,它的用途很多.
自然界形形色色的生物,都有著怎樣的奇異本領?它們的種種本領,給了人類哪些啓發?模仿這些本領,人類又可以造出什麼樣的機器?這裡要介紹的一門新興科學——仿生學.
仿生學是指模仿生物建造技術裝置的科學,它是在本世紀中期才出現的一門新的邊緣科學.仿生學研究生物體的結構、功能和工作原理,並將這些原理移植於工程技術之中,發明性能優越的儀器、裝置和機器,創造新技術.從仿生學的誕生、發展,到現在短短几十年的時間內,它的研究成果已經非常可觀.仿生學的問世開闢了獨特的技術發展道路,也就是向生物界索取藍圖的道路,它大大開闊了人們的眼界,顯示了極強的生命力.
【人類仿生由來已久】
自古以來,自然界就是人類各種技術思想、工程原理及重大發明的源泉.種類繁多的生物界經過長期的進化過程,使它們能適應環境的變化,從而得到生存和發展.勞動創造了人類.人類以自己直立的身軀、能勞動的雙手、交流情感和思想的語言,在長期的生產實踐中,促進了神經系統尤其是大腦獲得了高度發展.因此,人類無與倫比的能力和智慧遠遠超過生物界的所有類羣.人類通過勞動運用聰明的才智和靈巧的雙手製造工具,從而在自然界裡獲得更大自由.人類的智慧不僅僅停留在觀察和認識生物界上,而且還運用人類所獨有的思維和設計能力模仿生物,通過創造性的勞動增加自己的本領.魚兒在水中有自由來去的本領,人們就模仿魚類的形體造船,以木槳仿鰭.相傳早在大禹時期,我國古代勞動人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而遊動、轉彎,他們就在船尾上架置木槳.通過反覆的觀察、模仿和實踐,逐漸改成櫓和舵,增加了船的動力,掌握了使船轉彎的手段.這樣,即使在波濤滾滾的江河中,人們也能讓船隻航行自如.
鳥兒展翅可在空中自由飛翔.據《韓非子》記載魯班用竹木作鳥「成而飛之,三日不下」.然而人們更希望仿製鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中.早在四百多年前,義大利人利奧那多·達·文西和他的助手對鳥類進行仔細的解剖,研究鳥的身體結構並認真觀察鳥類的飛行.設計和製造了一架撲翼機,這是世界上第一架人造飛行器.
以上這些模仿生物構造和功能的發明與嘗試,可以認爲是人類仿生的先驅,也是仿生學的萌芽.
【發人深省的對比】
人類仿生的行爲雖然早有雛型,但是在20世紀40年代以前,人們並沒有自覺地把生物作爲設計思想和創造發明的源泉.科學家對於生物學的研究也只停留在描述生物體精巧的結構和完美的功能上.而工程技術人員更多的依賴於他們卓越的智慧,辛辛苦苦的努力,進行著人工發明.他們很少有意識的向生物界學習.但是,以下幾個事實可以說明：人們在技術上遇到的某些難題,生物界早在千百萬年前就曾出現,而且在進化過程中就已解決了,然而人類卻沒有從生物界得到應有的啓示.
在第一次世界大戰時期,出於軍事上的需要,爲使艦艇在水下隱蔽航行而製造出潛水艇.當工程技術人員在設計原始的潛艇時,是先用石塊或鉛塊裝在潛艇上使它下沉,如果需要升至水面,就將攜帶的石塊或鉛塊扔掉,使艇身回到水面來.以後經過改進,在潛艇上採用浮箱交替充水和排水的方法來改變潛艇的重量.以後又改成壓載水艙,在水艙的上部設放氣閥,下面設注水閥,當水艙灌滿海水時,艇身重量增加使可它潛入水中.需要緊急下潛時,還有速潛水艙,待艇身潛入水中後,再把速潛水艙內的海水排出.如果一部分壓載水艙充水,另一部分空著,潛水艇可處於半潛狀態.潛艇要起浮時,將壓縮空氣通入水艙排出海水,艇內海水重量減輕後潛艇就可以上浮.如此優越的機械裝置實現了潛艇的自由沉浮.但是後來發現魚類的沉浮系統比人們的發明要簡單得多,魚的沉浮系統僅僅是充氣的魚鰾.鰾內不受肌肉的控制,而是依靠分泌氧氣進入鰾內或是重新吸收鰾內一部分氧氣來調節魚鰾中氣體含量,促使魚體自由沉浮.然而魚類如此巧妙的沉浮系統,對於潛艇設計師的啓發和幫助已經爲時過遲了.
聲音是人們生活中不可缺少的要素.通過語言,人們交流思想和感情,優美的音樂使人們獲得藝術的享受,工程技術人員還把聲學系統應用在工業生產和軍事技術中,成爲頗爲重要的信息之一.自從潛水艇問世以來,隨之而來的就是水面的艦船如何發現潛艇的位置以防偷襲；而潛艇沉入水中後,也須準確測定敵船方位和距離以利攻擊.因此,在第一次世界大戰期間,在海洋上,水面與水中敵對雙方的鬥爭採用了各種手段.海軍工程師們也利用聲學系統作爲一個重要的偵察手段.首先採用的是水聽器,也稱噪聲測向儀,通過聽測敵艦航行中所發出的噪聲來發現敵艦.只要周圍水域中有敵艦在航行,機器與螺旋槳推進器便發出噪聲,通過水聽器就能聽到,能及時發現敵人.但那時的水聽器很不完善,一般只能收到本身艦隻的噪聲,要偵聽敵艦,必須減慢艦隻航行速度甚至完全停車才能分辨潛艇的噪音,這樣很不利於戰鬥行動.不久,法國科學家郎之萬（1872～1946）研究成功利用超聲波反射的性質來探測水下艦艇.用一個超聲波發生器,向水中發出超聲波後,如果遇到目標便反射回來,由接收器收到.根據接收回波的時間間隔和方位,便可測出目標的方位和距離,這就是所謂的聲納系統.人造聲納系統的發明及在偵察敵方潛水艇方面獲得的突出成果,曾使人們爲之驚嘆不已.豈不知遠在地球上出現人類之前,蝙蝠、海豚早已對「回聲定位」聲納系統應用自如了.
生物在漫長的年代裡就是生活在被聲音包圍的自然界中,它們利用聲音尋食,逃避敵害和求偶繁殖.因此,聲音是生物賴以生存的一種重要信息.義大利人斯帕蘭贊尼很早以前就發現蝙蝠能在完全黑暗中任意飛行,既能躲避障礙物也能捕食在飛行中的昆蟲,但是堵塞蝙蝠的雙耳後,它們在黑暗中就寸步難行了.面對這些事實,帕蘭贊尼提出了一個使人們難以接受的結論：蝙蝠能用耳朵「看東西」.第一次世界大戰結束後,1920年哈台認爲蝙蝠發出聲音信號的頻率超出人耳的聽覺範圍.並提出蝙蝠對目標的定位方法與第一次世界大戰時郎之萬發明的用超聲波回波定位的方法相同.遺憾的是,哈台的提示並未引起人們的重視,而工程師們對於蝙蝠具有「回聲定位」的技術是難以相信的.直到1983年採用了電子測量器,才完完全全證實蝙蝠就是以發出超聲波來定位的.但是這對於早期雷達和聲納的發明已經不能有所幫助了.
另一個事例是人們對於昆蟲行爲爲時過晚的研究.在利奧那多·達·文西研究鳥類飛行造出第一個飛行器400年之後,人們經過長期反覆的實踐,終於在1903年發明了飛機,使人類實現了飛上天空的夢想.由於不斷改進,30年後人們的飛機不論在速度、高度和飛行距離上都超過了鳥類,顯示了人類的智慧和才能.但是在繼續研製飛行更快更高的飛機時,設計師又碰到了一個難題,就是氣體動力學中的顫振現象.當飛機飛行時,機翼發生有害的振動,飛行越快,機翼的顫振越強烈,甚至使機翼折斷,造成飛機墜落,許多試飛的飛行員因而喪生.飛機設計師們爲此花費了巨大的精力研究消除有害的顫振現象,經過長時間的努力才找到解決這一難題的方法.就在機翼前緣的遠端上安放一個加重裝置,這樣就把有害的振動消除了.可是,昆蟲早在三億年以前就飛翔在空中了,它們也毫不例外地受到顫振的危害,經過長期的進化,昆蟲早已成功地獲得防止顫振的方法.生物學家在研究蜻蜓翅膀時,發現在每個翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質加厚區——翼眼或稱翅痣.如果把翼眼去掉,飛行就變得蕩來蕩去.實驗證明正是翼眼的角質組織使蜻蜓飛行的翅膀消除了顫振的危害,這與設計師高超的發明何等相似.假如設計師們先向昆蟲學習翼眼的功用,獲得有益於解決顫振的設計思想,就可似避免長期的探索和人員的犧牲了.面對蜻蜓翅膀的翼眼,飛機設計師大有相見恨晚之感!
以上這三個事例發人深省,也使人們受到了很大啓發.早在地球上出現人類之前,各種生物已在大自然中生活了億萬年,在它們爲生存而鬥爭的長期進化中,獲得了與大自然相適應的能力.生物學的研究可以說明,生物在進化過程中形成的極其精確和完善的機制,使它們具備了適應內外環境變化的能力.生物界具有許多卓有成效的本領.如體內的生物合成、能量轉換、信息的接受和傳遞、對外界的識別、導航、定向計算和綜合等,顯示出許多機器所不可比擬的優越之處.生物的小巧、靈敏、快速、高效、可靠和抗干擾性實在令人驚嘆不已.
【連接生物與技術的橋樑】
自從瓦特（James Watt,1736～1819）在1782年發明蒸汽機以後,人們在生產鬥爭中獲得了強大的動力.在工業技術方面基本上解決了能量的轉換、控制和利用等問題,從而引起了第一次工業革命,各式各樣的機器如雨後春筍般的出現,工業技術的發展極大地擴大和增強了人的體能,使人們從繁重的體力勞動解脫出來.隨著技術的發展,人們在蒸汽機以後又經歷了電氣時代並向自動化時代邁進.
20世紀40年代電子計算機的問世,更是給人類科學技術的寶庫增添了可貴的財富,它以可靠和高效的本領處理著人們手頭上數以萬計的各種信息,使人們從汪洋大海般的數字、信息中解放出來,使用計算機和自動裝置可以使人們在繁雜的生產工序面前變得輕鬆省力,它們準確地調整、控制著生產程序,使產品規格精確.但是,自動控制裝置是按人們制定的固定程序進行工作的,這就使它的控制能力具有很大的局限性.自動裝置對外界缺乏分析和進行靈活反應的能力,如果發生任何意外的情況,自動裝置就要停止工作,甚至發生意外事故,這就是自動裝置本身所具有的嚴重缺點.要克服這種缺點,無非是使機器各部件之間,機器與環境之間能夠「通訊」,也就是使自動控制裝置具有適應內外環境變化的能力.要解決這一難題,在工程技術中就要解決如何接受、轉換.利用和控制信息的問題.因此,信息的利用和控制就成爲工業技術發展的一個主要矛盾.如何解決這個矛盾呢?生物界給人類提供了有益的啓示.
人類要從生物系統中獲得啓示,首先需要研究生物和技術裝置是否存在著共同的特性.1940年出現的調節理論,將生物與機器在一般意義上進行對比.到1944年,一些科學家已經明確了機器和生物體內的通訊、自動控制與統計力學等一系列的問題上都是一致的.在這樣的認識基礎上,1947年,一個新的學科——控制論產生了.
控制論（Cybernetics)是從希臘文而來,原意是「掌舵人」.按照控制論的創始人之一維納（Norbef Wiener,1894～1964)給予控制論的定義是「關於在動物和機器中控制和通訊」的科學.雖然這個定義過於簡單,僅僅是維納關於控制論經典著作的副題,但它直截了當地把人們對生物和機器的認識聯繫在了一起.
控制論的基本觀點認爲,動物（尤其是人）與機器（包括各種通訊、控制、計算的自動化裝置）之間有一定的共體,也就是在它們具備的控制系統內有某些共同的規律.根據控制論研究表明,各種控制系統的控制過程都包含有信息的傳遞、變換與加工過程.控制系統工作的正常,取決於信息運 行過程的正常.所謂控制系統是指由被控制的對象及各種控制元件、部件、線路有機地結合成有一定控制功能的整體.從信息的觀點來看,控制系統就是一部信息通道的網絡或體系.機器與生物體內的控制系統有許多共同之處,於是人們對生物自動系統產生了極大的興趣,並且採用物理學的、數學的甚至是技術的模型對生物系統開展進一步的研究.因此,控制理論成爲聯繫生物學與工程技術的理論基礎.成爲溝通生物系統與技術系統的橋樑.
生物體和機器之間確實有很明顯的相似之處,這些相似之處可以表現在對生物體研究的不同水平上.由簡單的單細胞到複雜的器官系統（如神經系統）都存在著各種調節和自動控制的生理過程.我們可以把生物體看成是一種具有特殊能力的機器,和其它機器的不同就在於生物體還有適應外界環境和自我繁殖的能力.也可以把生物體比作一個自動化的工廠,它的各項功能都遵循著力學的定律；它的各種結構協調地進行工作；它們能對一定的信號和刺激作出定量的反應,而且能像自動控制一樣,藉助於專門的反饋聯繫組織以自我控制的方式進行自我調節.例如我們身體內恆定的體溫、正常的血壓、正常的血糖濃度等都是肌體內複雜的自控制系統進行調節的結果.控制論的產生和發展,爲生物系統與技術系統的連接架起了橋樑,使許多工程人員自覺地向生物系統去尋求新的設計思想和原理.於是出現了這樣一個趨勢,工程師爲了和生物學家在共同合作的工程技術領域中獲得成果,就主動學習生物科學知識.