人類還有那些發明創造也是發現並研究了動物的本領

題目：

人類還有那些發明創造也是發現並研究了動物的本領

解答：

中文名稱：仿生學 英文名稱：bionics 定義：涵蓋生物電子學、生物傳感器、生物仿真材料、生物物理學、生物電機和生物大分子的自裝配等的一門交叉學科.主要是研究和建立一類人工系統,使之具有生命系統的某些特性. 仿生學是指模仿生物建造技術裝置的科學,它是在上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.
蒼蠅與宇宙飛船
令人討厭的蒼蠅,與宏偉的航天事業似乎風馬牛不相及,但仿生學卻把它們緊密地聯繫起來了. 蒼蠅是聲名狼藉的「逐臭之夫」,凡是腥臭汙穢的地方,都有它們的蹤跡.蒼蠅的嗅覺特別靈敏,遠在幾千米外的氣味也能嗅到.但是蒼蠅並沒有「鼻子」,它靠什麼來充當嗅覺的呢? 原來,蒼蠅的「鼻子」——嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上.[9] 每個「鼻子」只有一個「鼻孔」與外界相通,內含上百個嗅覺神經細胞.若有氣味進入「鼻孔」,這些神經立即把氣味刺激轉變成神經電脈衝,送往大腦.大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈衝的不同,就可區別出不同氣味的物質.因此,蒼蠅的觸角像是一台靈敏的氣體分析儀. 仿生學家由此得到啓發,根據蒼蠅嗅覺器官的結構和功能,仿製成一種十分奇特的小型氣體分析儀.這種儀器的「探頭」不是金屬,而是活的蒼蠅.就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經上,將引導出來的神經電信號經電子線路放大後,送給分析器；分析器一經發現氣味物質的信號,便能發出警報.這種儀器已經被安裝在宇宙飛船的座艙里,用來檢測艙內氣體的成分. 這種小型氣體分析儀,也可測量潛水艇和礦井裡的有害氣體.利用這種原理,還可用來改進計算機的輸入裝置和有關氣體色層分析儀的結構原理中. 從螢火蟲到人工冷光
從螢火蟲到人工冷光
自從人類發明了電燈,生活變得方便、豐富多了.但電燈只能將電能的很少一部分轉變成可見光,其餘大部分都以熱能的形式浪費掉了,而且電燈的熱射線有害於人眼.那麼,有沒有隻發光不發熱的光源呢? 人類又把目光投向了大自然. 在自然界中,有許多生物都能發光,如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等,而且這些動物發出的光都不產生熱,所以又被稱爲「冷光.」在衆多的發光動物中,螢火蟲是其中的一類.螢火蟲約有1 500種,它們發出的冷光的顏色有黃綠色、橙色,光的亮度也各不相同.螢火蟲發出冷光不僅具有很高的發光效率,而且發出的冷光一般都很柔和,很適合人類的眼睛,光的強度也比較高.因此,生物光是一種人類理想的光.[10] 科學家研究發現,螢火蟲的發光器位於腹部.這個發光器由發光層、透明層和反射層三部分組成.發光層擁有幾千個發光細胞,它們都含有螢光素和螢光酶兩種物質.在螢光酶的作用下,螢光素在細胞內水分的參與下,與氧化合便發出螢光.螢火蟲的發光,實質上是把化學能轉變成光能的過程. 早在40年代,人們根據對螢火蟲的研究,創造了日光燈,使人類的照明光源發生了很大變化.近年來,科學家先是從螢火蟲的發光器中分離出了純螢光素,後來又分離出了螢光酶,接著,又用化學方法人工合成了螢光素.由螢光素、螢光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當閃光燈.由於這種光沒有電源,不會產生磁場,因而可以在生物光源的照明下,做清除磁性水雷等工作. 現在,人們已能用摻和某些化學物質的方法得到類似生物光的冷光,作爲安全照明用.
電魚與伏特電池
自然界中有許多生物都能產生電,僅僅是魚類就有500餘種 .人們將這些能放電的魚,統稱爲「電魚」. 各種電魚放電的本領各不相同.放電能力最強的是電鰩、電鲶和電鰻.中等大小的電鰩能產生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能產生的電壓高達220伏；非洲電鲶能產生350伏的電壓；電鰻能產生500伏的電壓,有一種南美洲電鰻竟能產生高達880伏的電壓,稱得上電擊冠軍,據說它能擊斃像馬那樣的大動物. 電魚放電的奧祕究竟在哪裡?經過對電魚的解剖研究, 終於發現在電魚體內有一種奇特的發電器官.這些發電器是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細胞構成的.由於電魚的種類不同,所以發電器的形狀、位置、電板數都不一樣.電鰻的發電器呈稜形,位於尾部脊椎兩側的肌肉中；電鰩的發電器形似扁平的腎臟,排列在身體中線兩側,共有200萬塊電板;電鲶的發電器起源於某種腺體,位於皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板.單個電板產生的電壓很微弱,但由於電板很多,產生的電壓就很大了. 電魚這種非凡的本領,引起了人們極大的興趣.19世紀初,義大利物理學家伏特,以電魚發電器官爲模型,設計出世界上最早的伏特電池.因爲這種電池是根據電魚的天然發電器設計的,所以把它叫做「人造電器官」.對電魚的研究,還給人們這樣的啓示：如果能成功地模仿電魚的發電器官,那麼,船舶和潛水艇等的動力問題便能得到很好的解決.
水母的順風耳
在自然界中,水母,早在5億多年前,它們就已經在海水裡生活了.「但是,水母跟順風耳又有什麼關係呢?」人們肯定會問這樣一個問題.因爲,水母在風暴來臨之前,就會成羣結隊地游向大海,就預示風暴既將來臨.但是,這又與「順風耳」有什麼關係呢?原來,在藍色的海洋上,由空氣和波浪摩擦而產生的次聲波（頻率爲8～13赫）,是風暴來臨之前的預告.這種次聲波,人耳是聽不到的,而對水母來說卻是易如反掌.科學家經過研究發現,水母的耳朵里長著一個細柄,柄上有個小球,球內有塊小小的聽石. 科學家仿照水母耳朵的結構和功能,設計了水母耳風暴預測儀,相當精確地模擬了水母感受次聲波的器官.
技能訓練長頸鹿與太空人失重現象
長頸鹿之所以能將血液通過長長的頸輸送到頭部,是由於長頸鹿的血壓很高.據測定,長頸鹿的血壓比人的正常血壓高出2倍.這樣高的血壓爲什麼不會使長頸鹿患腦溢血而死亡呢?這和長頸鹿身體的結構有關.首先,長頸鹿血管周圍的肌肉非常發達,能壓縮血管,控制血流量；同時長頸鹿腿部及全身的皮膚和筋膜繃得很緊,利於下肢的血液向上回流.科學家由此受到啓示,在訓練太空人對,設置一種特殊器械,讓太空人利用這種器械每天鍛鍊幾小時,以防止太空人血管周圍肌肉退化；在宇宙飛船升空時,科學家根據長頸鹿利用緊繃的皮膚可控制血管壓力的原理,研製了飛行服——「抗荷服」.抗荷服上安有充氣裝置,隨著飛船速度的增高,抗荷服可以充入一定量的氣體,從而對血管產生一定的壓力,使太空人的血壓保持正常.同時,太空人腹部以下部位是套入抽去空氣的密封裝置中的,這樣可以減小太空人腿部的血壓,利於身體上部的血液向下肢輸送.
蛋殼與薄殼建築
蛋殼呈拱形,跨度大,包括許多力學原理.雖然它只有2 mm的厚度,但使用鐵錘敲砸也很難破壞它.建築學家模仿它進行了薄殼建築設計.這類建築有許多優點：用料少,跨度大,堅固耐用.薄殼建築也並非都是拱形,舉世聞名的雪梨歌劇院則像一組泊港的羣帆.
結構構件
對於構件,在截面面積相同的情況下,把材料儘可能放到遠離中和軸的位置上,是有效的截面形狀.有趣的是,在自然界許多動植物的組織中也體現了這個結論.例如：「疾風知勁草」,許多能承受狂風的植物的莖部是維管狀結構,其截面是空心的.支持人承重和運動的骨骼,其截面上密實的骨質分布在四周,而柔軟的骨髓充滿內腔.在建築結構中常被採用的空心樓板、箱形大梁、工形截面鈑梁以及折板結構、空間薄壁結構等都是根據這條結論得來的.
斑馬
斑馬生活在非洲大陸,外形與一般的馬沒有什麼兩樣,它們身上的條紋是爲適應生存環境而衍化出來的保護色.在所有斑馬中,細斑馬長得最大最美.它的肩高140-160厘米,耳朵又圓又大,條紋細密且多.斑馬常與草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鴕鳥等共外,以抵禦天敵.人類將斑馬條紋應用到軍事上是一個是很成功仿生學例子.
昆蟲與仿生
昆蟲個體小,種類和數量龐大,占現存動物的75％以上,遍布全世界.它們有各自的生存絕技,有些技能連人類也自嘆不如.人們對自然資源的利用範圍越來越廣泛,特別是仿生學方面的任何成就,都來自生物的某種特性,本文簡要介紹昆蟲與仿生學.（右爲家蠅的眼睛） 蝴蝶與仿生
蝴蝶與仿生 五彩的蝴蝶錦色粲然,如重月紋鳳蝶,褐脈金斑蝶等,尤其是螢光翼鳳蝶,其後翅在陽光下時而金黃,時而翠綠,有時還由紫變藍.科學家通過對蝴 蝶色彩的研究,爲軍事防禦帶來了極大的裨益.在二戰期間,德軍包圍了列寧格勒,企圖用轟炸機摧毀其軍事目標和其他防禦設施.蘇聯昆蟲學家施萬維奇根據當時 人們對僞裝缺乏認識的情況,提出利用蝴蝶的色彩在花叢中不易被發現的道理,在軍事設施上覆蓋蝴蝶花紋般的僞裝.因此,儘管德軍費盡心機,但列寧格勒的軍事 基地仍安然無惹,爲贏得最後的勝利奠定了堅實的基礎.根據同樣的原理,後來人們還生產出了迷彩服,大大減少了戰鬥中的傷亡.[11] 人造衛星在太空中由於位 置的不斷變化可引起溫度驟然變化,有時溫差可高達兩、三百度,嚴重影響許多儀器的正常工作.科學家們受蝴蝶身上的鱗片會隨陽光的照射方向自動變換角度而調 節體溫的啓發,將人造衛星的控溫系統製成了葉片正反兩面輻射、散熱能力相差很大的百葉窗樣式,在每扇窗的轉動位置安裝有對溫度敏感的金屬絲,隨溫度變化可調節窗的開合,從而保持了人造衛星內部溫度的恆定,解決了航天事業中的一大難題. 甲蟲與仿生 氣步甲炮蟲自衛時,可噴射出具有惡臭的高溫液體 「炮彈」,以迷惑、刺激和驚嚇敵害.科學家將其解剖後發現甲蟲體內有3個小室,分別儲有二元酚溶液、雙氧水和生物酶.二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶 混合發生化學反應,瞬間就成爲100℃的毒液,並迅速射出.這種原理目前已應用於軍事技術中.二戰期間,德國納粹爲了戰爭的需要,據此機理製造出了一種功 率極大且性能安全可靠的新型發動機,安裝在飛航式飛彈上,使之飛行速度加快,安全穩定,命中率提高,英國倫敦在受其轟炸時損失慘重.美國軍事專家受甲蟲噴 射原理的啓發研製出了先進的二元化武器.這種武器將兩種或多種能產生毒劑的化學物質分裝在兩個隔開的容器中,炮彈發射後隔膜破裂,兩種毒劑中間體在彈體飛 行的8—10秒內混合併發生反應,在到達目標的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人.它們易於生產、儲存、運輸,安全且不易失效.螢火蟲可將化學能直接轉變成光 能,且轉化效率達100%,而普通電燈的發光效率只有6%.人們模仿螢火蟲的發光原理製成的冷光源可將發光效率提高十幾倍,大大節約了能量.另外,根據甲 蟲的視動反應機制研製成功的空對地速度計已成功地應用於航空事業中. 蜻蜓與仿生 蜻蜒通過翅膀振動可產生不同於周圍大氣的局部不穩定氣流,井利用氣流產生的渦流來使自己上升.蜻蜒能在很小的推力下翱翔,不但可向前飛行,還能向後和左右兩側飛行,其向前飛行速度可達72km/小時.此外,蜻蜒的 飛行行爲簡單,僅靠兩對翅膀不停地拍打.科學家據此結構基礎研製成功了直升飛機.飛機在高速飛行時,常會引起劇烈振動,甚至有時會折斷機翼而引起飛機失事.蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飛行時安然無恙,於是人們仿效蜻蜒在飛機的兩翼加上了平衡重錘,解決了因高速飛行而引起振動這個令人棘手的問題. 蒼蠅與仿生 昆蟲學家研究發現,蒼蠅的後翅退化成一對平衡棒.當它飛行時,平衡棒以一定的頻率進行機械振動,可以調節翅膀的運動方向,是保持蒼蠅身體平 衡的導航儀.科學家據此原理研製成一代新型導航儀——振動陀螺儀,大大改進了飛機的飛行性能LlJ,可使飛機自動停止危險的滾翻飛行,在機體強烈傾斜時還 能自動恢復平衡,即使是飛機在最複雜的急轉彎時也萬無一失.蒼蠅的複眼包含4000個可獨立成像的單眼,能看清幾乎360.範圍內的物體.在蠅眼的啓示下,人們製成了由1329塊小透鏡組成的一次可拍1329張高解析度照片的蠅眼照像機,在軍事、醫學、航空、航天上被廣泛應用.蒼蠅的嗅覺特別靈敏並能對 數十種氣味進行快速分析且可立即作出反應.科學家根據蒼蠅嗅覺器官的結構,把各種化學反應轉變成電脈衝的方式,製成了十分靈敏的小型氣體分析儀,目前已廣 泛應用於宇宙飛船、潛艇和礦井等場所來檢測氣體成分,使科研、生產的安全係數更為準確、可靠. 蜂類與仿生 蜂巢由一個個排列整齊的六稜柱形小 蜂房組成,每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成,這些結構與近代數學家精確計算出來的——菱形鈍角109.28』,銳角70.32』完全相同,是最節省 材料的結構,且容量大、極堅固,令許多專家讚嘆不止.人們仿其構造用各種材料製成蜂巢式夾層結構板,強度大、重量輕、不易傳導聲和熱,是建築及製造航天飛 機、宇宙飛船、人造衛星等的理想材料.蜜蜂複眼的每個單眼中相鄰地排列著對偏振光方向十分敏感的偏振片,可利用太陽準確定位.科學家據此原理研製成功了偏 振光導航儀,早已廣泛用於航海事業中.
其它昆蟲與仿生
跳蚤的跳躍本領十分高強,航空專家對此進行了. 生物學家通過對蛛絲的研究製造出高級絲線,抗撕斷裂降落傘與臨時吊橋用的高強度纜索.船和潛艇來自人們對魚類和海豚的模仿. 響尾蛇飛彈等就是科學家模仿蛇的「熱眼」功能和其舌上排列著一種似照相機裝置的天然紅外線感知能力的原理,研製開發出來的現代化武器. 火箭升空利用的是水母、墨魚反衝原理. 科研人員通過研究變色龍的變色本領,爲部隊研製出了不少軍事僞裝裝備. 科學家研究青蛙的眼睛,發明了電子蛙眼. 白蟻不僅使用膠粘劑建築它們的土堆,還可以通過頭部的小管向敵人噴射膠粘劑.於是人們按照同樣的原理製造了工作的武器—一快干膠炮彈. 美國空軍通過毒蛇的「熱眼」功能,研究開發出了微型熱傳感器. 我國紡織科技人員利用仿生學原理,借鑑陸地動物的皮毛結構,設計出一種KEG保溫面料,並具有防風和導溼的功能. 根據響尾蛇的頰窩能感覺到0.001℃的溫度變化的原理,人類發明了跟蹤追擊的響尾蛇飛彈.人類還利用蛙跳的原理設計了蛤蟆夯.人類模仿警犬的高靈敏嗅覺製成了用於偵緝的「電子警犬」.科學家根據野豬的鼻子測毒的奇特本領製成了世界上第一批防毒面具. 仿生學是人類一直使用的方法,如模仿海豚皮而構造的「海豚皮游泳衣」、科學家研究鯨魚的皮膚時,發現其上有溝漕的結構,於是有個科學家就依照鯨魚皮構造,造成一個薄膜蒙在飛機的表面,據實驗可節約能源3%,若全國的飛機都蒙上這樣的表面,每年可節約幾十億.又如有科學家研究蜘蛛,發現蜘蛛的腿上沒有肌肉,有腳的動物會走,主要是靠肌肉的收縮,現在蜘蛛沒有肌肉爲什麼會走路?經研究蜘蛛不是靠肌肉的收縮進行走路的,而是靠其中的「液壓」的結構進行走路,據此人們發明了液壓步行機……總之,從自然界得到啓迪,模仿其結構進行發明創造.這就是仿生學. 這是我們向自然界學習的一個方面.
編輯本段仿生學現象簡表
1.從令人討厭的蒼蠅身上,仿製成功一種十分奇特的小型氣體分析儀.已經被安裝在宇宙飛船的座艙里,用來檢測艙內氣體的成分. 2.從螢火蟲到人工冷光；
3.電魚與伏特電池； 4.水母的順風耳,仿照水母耳朵的結構和功能,設計了水母耳風暴預測儀,能提前15小時對風暴作出預報,對航海和漁業的安全都有重要意義. 5.人們根據蛙眼的視覺原理,已研製成功一種電子蛙眼.這種電子蛙眼能像真的蛙眼那樣,準確無誤地識別出特定形狀的物體.把電子蛙眼裝入雷達系統後,雷達抗干擾能力大大提高.這種雷達系統能快速而準確地識別出特定形狀的飛機、艦船和飛彈等.特別是能夠區別真假飛彈,防止以假亂真. 電子蛙眼還廣泛應用在機場及交通要上.在機場,它能監視飛機的起飛與降落,若發現飛機將要發生碰撞,能及時發出警報.在交通要道,它能指揮車輛的行駛,防止車輛碰撞事故的發生. 6.根據蝙蝠超聲定位器的原理,人們還仿製了盲人用的「探路儀」.這種探路儀內裝一個超聲波發射器,盲人帶著它可以發現電桿、台階、橋上的人等.如今,有類似作用的「超聲眼鏡」也已製成. 7.模擬藍藻的不完全光合器,將設計出仿生光解水的裝置,從而可獲得大量的氫氣. 8.根據對人體骨胳肌肉系統和生物電控制的研究,已仿製了人力增強器——步行機. 9.現代起重機的掛鈎起源於許多動物的爪子. 10.屋頂瓦楞模仿動物的鱗甲. 11.船槳模仿的是鴨的蹼. 12.鋸子學的是螳螂臂,或鋸齒草. 13.蒼耳屬植物獲取靈感發明了尼龍搭扣. 14.嗅覺靈敏的龍蝦爲人們製造氣味探測儀提供了思路. 15.壁虎腳趾對製造能反覆使用的粘性錄音帶提供了令人鼓舞的前景. 16.貝用它的蛋白質生成的膠體非常牢固,這樣一種膠體可應用在從外科手術的縫合到補船等一切事情上. 17.樹葉的排列和雪梨大劇院的建設. 18.潛水艇和魚的沉浮. 19.響尾蛇能感知附近動物的體溫而準確捕獲獵物和紅外製導空對空響尾蛇飛彈. 20.人們根據章魚發明煙霧彈. 21.根據蛋殼發現拱形的承受力量. 22.飛機飛行時產生的劇烈抖動是根據蜻蜓改善的. 23.變色衣服是學習蝴蝶上的鱗片. 24.防水衣服是仿荷葉造的. 25.滑鼠是仿老鼠的. 26.從長頸鹿將血液通過長長的頸從到頭部中得到啓示,設計出特殊的器械,使太空人在失重狀態下,體內的血液也能正常輸送到離心臟較遠的下肢.