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第11章 人类对生物的研究和利用(2)

1982年4月─6月,英国和阿根廷之间爆发马尔维纳斯群岛战争。4月13日半夜,英军攻击承军据守的最大据点斯坦利港。3000名英军布设的雷区,突然出现在阿军防线前。英国的所有枪支、火炮都配备了红外夜视仪,能够在黑夜中清楚地发现阿军目标。而阿军却缺少夜视仪,不能发现英军,只有被动挨打的份。在英军火力准确的打击下,阿军支持不住,英军趁机发起冲锋。到黎明时,英军已占领了阿军防线上的几个主要制高点,阿军完全处于英军的火力控制下。6月14日晚9时,14000名阿军不得不向英军投降。英军领先红外夜视器材赢得了一场兵力悬殊的战斗。

1991年海湾战争中,在风沙和硝烟弥漫的战场上,由于美军装备了先进的红外夜视器材,能够先于伊拉克军的坦克而发现对方,并开炮射击。而伊军只是从美军坦克开炮时的炮口火光上才得知大敌在前。由此可以看出红外夜视器材在现代战争中的重要作用。许多人认为令人望而生厌的苍蝇无论如何也不能与现代科学技术事业联系起,但仿生学却把它们紧紧地联系在一起了。

振动陀螺仪的仿生原理

令人生厌的苍蝇虽小,但它的飞行本领却相当高超,不仅一直不停地飞好几个小时,而且还可以垂直上升、下降,能急速掉头飞行,定悬空中。它的“特技飞行”不得不令人对它“刮目相看”。

苍蝇飞行时,楫翅以每秒钟330次的频率不停地振动。当苍蝇身体倾斜、俯仰或偏离航向时,楫翅振动频率的变化便被其基部的感受器所感觉。苍蝇的“大脑”分析了这一偏离的信号后,便向有关部位的肌肉组织发出纠正指令,并校正身体姿态和航向。因此,苍蝇等双翅昆虫平衡棒的重要功能是作为振动陀螺仪,是昆虫在飞行中保持正确航向的天然导航系统。

根据苍蝇楫翅的导航原理,研制成功了一种新型振动陀螺仪。它的主要部件像一只音叉,是通过一个中柱固定在基座上的。装在音叉两臂四周的电磁铁使音叉产生固定振幅和频率的振动,就像苍蝇振翅的振动那样。

“蝇眼照相机”的秘密

科学家通过对苍蝇眼睛的研究发现:蝇眼十分特殊,从外面看上去,蝇眼表面(角膜)是光滑平整的,如果把它放在显微镜下,人们就会发现,蝇眼是由许多个小六角形的结构拼成的。每个小六角形都是一只小眼睛,科学家把它们叫做小眼。在一只蝇眼里,有3000多只小眼,一双蝇眼就有6000多只小眼。这样由许多小眼构成的眼睛,叫做复眼。

而且令人惊奇的是这众多的小眼都自成体系,有独立的光学系统和通向大脑的神经,这些小眼的视觉神经都能互相配合,既能协调一致又能独立工作。因此,蝇眼不仅有速度、高度的分辨能力,并且能从不同的方位感受视像,这也就是人们用蝇拍从背后打它也易被发现的原因。这种复眼具有很高的时间分辨率,它能把运动的物体分成连续的单个镜头,并由各个小眼轮流“值班”,不停的工作。

蝇眼的特殊构造和功能使科学家受到启发,研制出蝇眼透镜,把它安装在照相机上,制成了“蝇眼照相机”。这种奇特的照相机分辨率很高,每厘米的分辨率达400条线,可以用来复制计算机的显微电路,它一次就能拍摄出千余张相同或不相同的照片,科学研究和军事上也有特殊的用途。

蝙蝠与雷达

神奇的雷达

第二次世界大战期间,德军制定了一个叫“海狮行动”的军事计划,动用大约2000架飞机突然袭击伦敦,企图一举摧毁英国。为了保证这次空袭成功,德国军事指挥机构事先派遣了一个特工小组潜入英国,准备破坏英国雷达网中心。在这个危急时刻,英国反间谍人员及时破获了这个特工小组,使英国能够以1000架战斗机在雷达的配合下,击退了当时不可一世的德国空军。这次战役,英军能够以少胜多,当然少不了英国空军的英勇奋战,但是,雷达在其中显示的威力也起着很大的作用。

雷达和声纳都是人为的监测设备。雷达是用电磁波的反射发现目标并测定其位置的电子设备。远在人类利用雷达以前,在自然界,就有不少动物,如蝙蝠、海豚等早已在应用它们自身的声纳系统来定位、捕食、绕过障碍和逃避敌害。而且精致的结构、灵敏的效果等很多方面都是现代人工雷达和声纳系统还办不到的。虽然人为的雷达和声纳是对一些动物回声定位的一种迟到的仿生,但是,这还是远远不够的,进一步深入研究一些动物的回声定位,势必会给完善人为的雷达和声纳系统带来许多有益的借鉴。

神奇的蝙蝠

蝙蝠的视力很弱,但是听觉和触觉却很灵敏。科学家通过一些实验证明,蝙蝠主要靠听觉来发现昆虫。蝙蝠在飞行的时候,喉内能够产生超声波,超声波通过口腔发射出来。当超声波遇到昆虫或障碍物而反射回来时,蝙蝠能够用耳朵接受,并能准确判断探测目标是昆虫还是障碍物,以及距离的长短。人们通常把蝙蝠的这种探测目标的方式,叫做“回声定位”。

蝙蝠在寻食、定向和飞行时发出的信号是由类似语言音素的超声波音素组成。蝙蝠不仅能调制声波的振幅,改变声音的强度,也能调制频率。一只蝙蝠飞行中每秒重复它的叫声20次,但是当收到有用的回波后,立即会兴奋起来,发出每秒200次以上的脉冲,进行确切地探测。

蝙蝠必须在收到回声并分析出这种回声的振幅、频率、信号间隔等的声音特征后,才能决定下一步采取什么行动。

靠回声测距和定位的蝙蝠只发出一个简单的声音信号,这种信号通常是由一个或两个音素按一定规律反复地出现而组成。当蝙蝠在飞行时,发出的信号被物体弹回,形成了根据物体性质不同而有不同声音特征的回声。然后蝙蝠在分析回声的频率、音调和声音间隔等声音特征后,决定物体的性质和位置。

蝙蝠的高精度识别与定位能力

蝙蝠大脑的不同部分能截获回声信号的不同成分。蝙蝠大脑中某些神经元对回声频率敏感,而另一些则对两个连续声音之间的时间间隔敏感。大脑各部分的共同协作使蝙蝠作出对反射物体性状的判断。蝙蝠用回声定位来捕捉昆虫的灵活性和准确性,是非常惊人的。

有人曾经统计过,蝙蝠在几秒钟内就能捕捉到一只昆虫,一分钟可以捕捉十几只昆虫。同时,蝙蝠还有惊人的抗干扰能力,能从杂乱无章的充满噪声的回声中检测出某一特殊的声音,然后很快地分析和辨别这种声音,以区别反射音波的物体是昆虫还是石块,或者更精确地决定是可食昆虫,还是不可食昆虫。

当两万只蝙蝠生活在同一个洞穴里时,也不会因为空间的超声波太多而互相干扰。蝙蝠回声定位的精确性和抗干扰能力,对于人们研究提高雷达的灵敏度和抗干扰能力,有重要的参考价值。

雷达的工作原理

雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达是受蝙蝠的超声波定位原理的启发而发明的。雷达通过发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率或径向速度、方位、高度等信息。

雷达所起的作用同眼睛和耳朵相似。当然,它不再是大自然的杰作,同时,它的信息载体是无线电波。事实上,不论是可见光或是无线电波,在本质上是同一种东西,那就是电磁波,它们传播的速度都是光速,差别在于它们各自占据的频率和波长不同。

雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向,处在此方向上的物体反射碰到电磁波,雷达天线接收此反射波,送至接收设备进行处理,提取有关该物体的某些信息,包括目标物体至雷达的距离、距离变化率或径向速度、方位、高度等。

雷达测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差,因电磁波以光速传播,据此就能换算成目标的精确距离。

电子蛙眼是电子眼的一种,它的前部其实就是一个摄像头,成像之后通过光缆传输到电脑设备显示和保存,它的探测范围呈扇状且能转动,类似蛙类的眼睛。

青蛙与电子蛙眼

青蛙的视觉原理

一个飞机场内,机场指挥人员正在指挥塔上指挥飞机降落,他们每次都能指挥得准确无误,没有丝毫差距,使飞机准确降落。为什么指挥人员能指挥得这么准确?原来,是人们从青蛙身上得到了一些启示。

很早以前,科学家发现青蛙的眼睛有些特殊,他们发现青蛙的眼睛和其他动物的不一样,他的眼睛比较突出,于是,他们就对青蛙有了浓厚的兴趣。科学家发现青蛙对活动的东西非常敏锐,但却对静止的东西“视而不见”,而且一遇到光就不能动了,这到底是为什么?科学家经过多次的试验,反复研究,终于发现了青蛙眼睛的奥秘。

科学家们发现青蛙的眼睛里有四种神经细胞,也就是四种“检测器”:

第一种神经细胞叫“反差检测器”,它能感觉运动目标暗色前后缘;

第二种叫“运动凸边检测器”,它对有轮廓的暗颜色目标的凸边产生反应;

第三种叫“边缘检测器”,对静止和运动物体的边缘感觉最灵敏;

第四种叫“变暗检测器”,只要光的强度减弱了,就立刻反应。

在这四种神经细胞的作用下,能把一个复杂图像分解成几种容易辨别的特征,然后传送到大脑的视觉中心,经过综合,就能看到原来的完整图像。因此,青蛙的眼睛对活动的东西非常敏锐,对静止的东西却“视而不见”。

电子蛙眼

科学家们根据青蛙的视觉原理,已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样,准确无误地识别出特定形状的物体。

电子蛙眼由7个代替感光细胞的光电管和一个人造神经元组成。其中一个光电管位于中央,并与人造神经元的抑制性输入端相接。6个光电管以等距离排列在四周,并与人造神经元的兴奋性输入端相接。当7个光电管都受到光照射时,人造神经元输出为零。若一个不透光的运动物体的阴影挡住外周的任意一个光电管时,人造神经元输出为负,当运动物体移入中心,遮住中心光电管时,使抑制性输入为零,而6个光电管的兴奋性输入之和为正,人造神经元立即有信号传出。这架电子模型具有感受边缘、运动和光的强弱等能力。把电子蛙眼装入雷达系统后,雷达抗干扰能力提高。因此,机场指挥人员就能够准确无误的指挥飞机降落了。

在美国科幻电视剧《无敌金刚》中,科学家利用仿生科技将一名重伤飞行员的手脚换上了价值600万美元的电子假肢,使其可以通过意念控制,结果让他拥有了超强的能力。殊不知,真实版智能仿生假肢,正在将科学幻想故事逐渐变成现实。

跑得最快的无腿人

南非小伙皮斯托瑞斯生下来就缺少腓骨和运会踝骨,生下来11个月的时候,膝盖以下的部位就做了截肢手术。然而,他凭借顽强的毅力,经过艰苦的训练,2008年北京残奥会上,他以10秒91的成绩获得冠军,只比奥运冠军“飞人”博尔特的慢了一秒,被称为世界上跑得最快的无腿人。

除了天才、勤奋之外,带给他如此惊人成绩的是他那对只有不到4千克重的高科技碳纤维假肢。皮斯托瑞斯奔跑时使用的运动假肢,是在冰岛一家全球著名的运动假肢生产商那里定做的。

仿生学的诞生

随着社会的前进和科学技术的不断发展,从上个世纪50年代以来,科学家们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一,把研究生物作为各种技术思想、设计原理和创造发明的依据。在生物学家们的配合下从化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入细致的研究,让幻想变为现实。

现在生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列,而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一起,互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学。

在20世纪60年代初诞生,当时美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地召开了第一次仿生学会议。讨论了由生物系统所得到的概念能否应用于人工制造的信息加工系统的问题,即生物学能否与技术工程科学相结合的问题,并把这一新学科命名为“Bionics”。1963年,中国将“Bionics”译为“仿生学”。

什么是生物燃料

生物燃料泛指由生物质组成或萃取的固体、液体或气体燃料。可以替代由石油制取的汽油和柴油,是可再生能源开发利用的重要方向。所谓的生物质是指利用大气、水、土地等通过光合作用而产生的各种有机体,即一切有生命的可以生长的有机物质,它包括动物和微生物。生物燃料不同于石油、煤炭、核能等传统燃料,这种新型的燃料是可再生燃料。

生物燃料的发展

在传统的煤、石油等能源日益枯竭以及人类面临的环境污染日益加重的情况下,世界各国都在积极寻求发展可再生能源。生物能源,是一种取之不尽、用之不竭的,可以再生的新型能源。

生物质能的原始能量来源于太阳,所以从广义上讲,生物质能是太阳能的一种表现形式。目前,很多国家都在积极研究和开发利用生物质能。生物质能蕴藏在植物、动物和微生物等可以生长的有机物中,它是由太阳能转化而来的。有机物中除矿物燃料以外的所有来源于动植物的能源物质均属于生物质能,通常包括木材及森林废弃物、农业废弃物、水生植物、油料植物、城市和工业有机废弃物、动物粪便等。地球上的生物质能资源较为丰富,而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨,其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍,但目前的利用率不到3%。所以说生物能源的发展前景是很大的。

生物燃料的特点

可再生性生物质能属可再生资源,生物质能由于通过植物的光合作用可以再生,与风能、太阳能等同属可再生能源,资源丰富,可保证能源的永续利用;

低污染性生物质的硫含量、氮含量低、燃烧过程中产生的废弃物少,因而对大气的二氧化碳净排放量近似于零,可有效地减轻温室效应;

总量丰富根据生物学家估算,地球光是陆地每年生产1000~1250亿吨生物质,可以满足全世界对能源需求量。

利用高新技术手段开发生物能源,已成为当今世界发达国家能源战略的重要内容。沼气是一种可再生的洁净的生物能源,开发和使用生物能源,符合可持续的科学发展观和循环经济的理念。

沼气的产生

沼气是由意大利物理学家沃尔塔于1776年在沼泽地偶然发现的。

沼气简单地说就是沼泽、污泥中产生的一种可燃性气体。沼气是各种有机物质在厌氧条件下,并在适宜的温度、湿度下,经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。

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