追隨昆蟲的腳步 ——昆蟲與仿生發(fā)表于 2013-01-08 18:19 | 作者：瀚海藍(lán)月
人類自詡為地球上唯一擁有高級(jí)智慧的生物，在與自然進(jìn)行生存斗爭的時(shí)創(chuàng)建了文明、發(fā)展了科技。各種技術(shù)和發(fā)明彌補(bǔ)了人類的不足，但人類仍然不斷遇到難題。而在億萬年的進(jìn)化中，生物經(jīng)過無數(shù)次失敗和犧牲已完美的解決了這其中的很多問題。有時(shí)候，人類不妨師法自然，從中汲取靈感。
昆蟲最遲在約4億年前演化出現(xiàn)，截至2005年，全球共記錄約92萬5000種，是生命演化歷史上種類最為繁多的動(dòng)物類群。它們遍布包括南極洲在內(nèi)的各個(gè)大陸，它們的總重量超過了其它所有動(dòng)物（包括人類）的總和，它們具有改變地球面貌的力量，是陸地生息繁衍的霸主。如此興盛的生物類群，理所當(dāng)然的成為人類的老師，而我們也正在追隨昆蟲演化的腳步，一點(diǎn)一點(diǎn)完善科技和發(fā)明。
昆蟲的感官仿生
蜻蜓的復(fù)眼，作者: Nitin Jawale
復(fù)眼是昆蟲最重要的視覺器官，它由多個(gè)小眼組成，小眼呈正六邊形，小眼的邊緣重疊，組成正六邊形陣列。每一個(gè)小眼的視野都很小，但很多小眼組成的復(fù)眼其視野就很大了。一些昆蟲的水平視野可以達(dá)到240度，而垂直視野范圍可達(dá)360度；而人的視野范圍只有180度。
昆蟲的復(fù)眼對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體很敏感，以蜜蜂為例，其對(duì)突然出現(xiàn)的物體反應(yīng)時(shí)間為0.01秒，而人卻需要0.05秒。而且這種復(fù)眼系統(tǒng)對(duì)于測量距離和估算運(yùn)動(dòng)速度具有良好的能力。因此，昆蟲的視覺系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)過程中可以發(fā)揮出卓越的性能，它也就成為了現(xiàn)代飛行設(shè)備的重要仿生對(duì)象。早在1980年，美國的科學(xué)家就試圖將昆蟲復(fù)眼的原理應(yīng)用于空對(duì)地導(dǎo)彈的制導(dǎo)研究并制成了工程模型；現(xiàn)在，人們則傾向于將其作為機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)，以提高機(jī)器人的自主功能水平?；趶?fù)眼原理的各種測速和測距儀也已經(jīng)開始應(yīng)用。不僅如此，人們還研制出了一次能拍攝1329張高清照片的蠅眼照相機(jī)，廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)學(xué)、航天等領(lǐng)域。
昆蟲的觸角是嗅覺器官，在很多昆蟲中還能起到味覺和聽覺的作用。在昆蟲的觸角上有很多毛狀感受器，它們可以感受到環(huán)境的刺激并將這些刺激轉(zhuǎn)化成神經(jīng)信號(hào)傳導(dǎo)到腦。以蜜蜂為例，其觸角上的嗅覺感受器就多達(dá)3000-30000個(gè)，而一些蛾子則更多，它們甚至能對(duì)周圍個(gè)位數(shù)的氣體分子做出反應(yīng)。再如雄蚊可以通過雌蚊飛行聲音的頻率尋找配偶，即使相隔數(shù)十米，周圍噪聲如雷，它依然可以準(zhǔn)確找到目標(biāo)。這種靈敏度和抗干擾力讓人嘆為觀止。目前在這方面的仿生已經(jīng)取得一些成績，如仿蒼蠅嗅覺器制成的靈敏度很高的氣體分析儀，已被用于分析宇宙飛船座艙中的氣體。此外，各種類似原理的嗅敏儀也在礦井瓦斯監(jiān)測和火警報(bào)警中得以應(yīng)用。
昆蟲形態(tài)和結(jié)構(gòu)仿生
蚊子口器，圖片來自faculty.ksu.edu.sa
很多人打針怕痛，確實(shí)，打針的滋味并不舒服。但是，很多蚊子在吸血時(shí)你卻毫無感覺。研究表明，那些咬人不痛的蚊子的口器結(jié)構(gòu)很特殊：它吸血時(shí)，帶有尖銳鋸齒的口器像精巧的手術(shù)刀一樣切入皮膚，然后把里面的針器推進(jìn)去，只造成很小的切口。與光滑的注射器針頭相比，鋸齒形邊緣減少了對(duì)人體神經(jīng)的刺激，降低了疼痛感。日本科學(xué)家就模仿蚊子的口器試制了無痛注射器，但是針管易折斷，因此仍需要進(jìn)一步改進(jìn)。我國科學(xué)家也在這方面進(jìn)行了理論研究。
昆蟲的足是另一個(gè)讓人感興趣的地方——它們表現(xiàn)出了卓越和吸附和攀爬能力。一些昆蟲在光滑的表面能夠抵抗超過自身重量100倍的分離力，而且還能在這些表面上自由行走！昆蟲的足底非常復(fù)雜，有些是剛毛（昆蟲體表一種細(xì)長的毛發(fā)，長度在幾十到幾百微米，粗細(xì)一般在幾微米）的吸附作用，有些則是能夠伸縮的類似吸盤的結(jié)構(gòu)，而且有證據(jù)表面昆蟲的足底存在吸附分泌物來增加粘性。科學(xué)家們希望通過這種仿生增強(qiáng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力。凱斯西部保留地大學(xué)的研究人員就制成了一種帶有吸附足的小爬壁機(jī)器人，能在垂直壁面行走并且能越過凹凸不平的表面。
水黽則是另一類讓人著迷的昆蟲，因?yàn)樗軌蛟谒嫔闲凶撸覀兘?jīng)常會(huì)在清澈的池塘看到它們。2004年，
中國學(xué)者在著名學(xué)術(shù)雜志《自然》上發(fā)表文章指出，水黽腿部表面附有數(shù)千根按同一方向排列的剛毛，這些剛毛表面存在特殊結(jié)構(gòu)，使不刺破水面而能產(chǎn)生極大的表面張力，于是它就可以踩在水面上行走了。目前國際上已經(jīng)展開了仿生水黽的水面行走機(jī)器人的研發(fā)，美國的卡耐基—梅隆大學(xué)、中國清華大學(xué)以及日本一些學(xué)者均有相關(guān)研究報(bào)道。相信水面行走機(jī)器人的面世只是一個(gè)時(shí)間問題了。
昆蟲的運(yùn)動(dòng)仿生
現(xiàn)在人類的飛行器主要有固定翼飛行器和旋翼飛行器（直升機(jī)）兩種，雖說人們已經(jīng)圓了飛天夢(mèng)，但這兩種飛行器的靈活性依然很差。特別是早期固定翼飛行器，飛快了機(jī)翼就會(huì)不停振動(dòng)，多虧了工程師向蜻蜓學(xué)習(xí)，給飛機(jī)翅膀兩端增加了配重才解決問題。自然界的鳥兒和昆蟲飛行更加靈活，而它們顯然既非固定翼也非旋翼，它們是扇動(dòng)翅膀的！于是人們就想到了一種概念飛行器：撲翼飛行器，這種飛行器能夠像鳥兒和昆蟲一樣拍打機(jī)翼（撲翼）飛行。各國科學(xué)家已經(jīng)對(duì)昆蟲和鳥類的飛行運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了多年研究，揭開了一些原理，但目前開發(fā)大型載人撲翼還不現(xiàn)實(shí)，而且也無法保證在飛行過程中機(jī)身不會(huì)上下顛簸。現(xiàn)在主要的開發(fā)項(xiàng)目都集中在小型無人撲翼飛行機(jī)器人上。即使如此，它仍擁有比其它飛行機(jī)器人更為靈巧快速的飛行能力，對(duì)惡劣天氣的適應(yīng)性更強(qiáng)，同時(shí)也具有較好的偽裝能力，未來，這種撲翼飛行機(jī)器人在測繪、勘察和偵察等領(lǐng)域?qū)?huì)大顯身手。
過去，人類進(jìn)行太空探測的月球車和火星車都是輪式的，但是，輪式探測車的表現(xiàn)并不好，它們的車輪時(shí)而會(huì)被石塊卡住，時(shí)而又會(huì)被軟沙地陷住，搞得遠(yuǎn)在地球的監(jiān)控人員滿頭大汗。這時(shí)，有人看中了到處都行走如飛的昆蟲。昆蟲有六條腿，別看行走飛快，它們始終有三條腿踩在地面上形成穩(wěn)定的三腳架。美國加州大學(xué)的研究者們?cè)谡J(rèn)真研究了昆蟲爬行的每一個(gè)細(xì)節(jié)后制作出了一只機(jī)器蟲，它能在凹凸不平的路面上輕松行走，即使是被觸碰后仍能保持穩(wěn)定，甚至還能夠在被掀翻的情況下翻轉(zhuǎn)回來。這是輪式機(jī)器人完全無法比擬的，這種適應(yīng)能力更適合在無人的星球或者海底進(jìn)行探測，相信不久它們就會(huì)發(fā)揮出作用。
昆蟲其它特異能力仿生
很多昆蟲還有自己獨(dú)特的看門絕技，往往也是值得我們學(xué)習(xí)的。比如螢火蟲這樣的發(fā)光昆蟲在能夠?qū)Ⅲw內(nèi)的能量轉(zhuǎn)化為光能，轉(zhuǎn)化效率達(dá)到接近100%，這是目前常見的燈具無法企及的，普通的白熾燈泡轉(zhuǎn)化率則更是可憐，只有6%。模仿螢火蟲發(fā)光的冷光源發(fā)光效率提高了十?dāng)?shù)倍，大大提高了能量的利用率。
螞蟻這樣的社會(huì)生物，每天都忙忙碌碌，將巢穴內(nèi)的垃圾丟棄到巢外，將外面的食物搬運(yùn)到巢內(nèi)，整個(gè)巢穴就如同一個(gè)物流網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)沒有人發(fā)號(hào)施令協(xié)調(diào)交通，但卻有條不紊，很少發(fā)生擁堵。有科學(xué)家在研究了螞蟻運(yùn)動(dòng)以后，構(gòu)建出了“蟻群算法”數(shù)學(xué)模型，用來指揮交通和物流，大大提高了運(yùn)輸效率。
炮彈蟲是一類甲蟲，又叫屁步甲，可以向敵人噴射灼熱的有毒液體，被稱為最不可能進(jìn)化成功的昆蟲之一。研究發(fā)現(xiàn)，炮彈蟲將兩種危險(xiǎn)的化學(xué)物質(zhì)儲(chǔ)存在不同的“罐子”里，當(dāng)需要的時(shí)候才混合到一起，兩種物質(zhì)一旦混合，在酶的作用下就會(huì)迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)——沸騰、噴發(fā)。美國軍事專家借此研制出了非常先進(jìn)的二元化學(xué)武器：將化學(xué)物質(zhì)存放在相互隔開的容器中，一旦炮彈發(fā)射，隔膜破裂，在彈體飛行的幾秒鐘內(nèi)混合反應(yīng)，最終達(dá)到殺傷敵人的作用——雖然這也算得上仿生學(xué)的成功案例，但還是希望仿生學(xué)能夠更多地為人類造福，而不是為戰(zhàn)爭服務(wù)。
Pheropsophus occipitalis ，來自http://gaga.biodiv.tw
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