A. 湘潭大學和東北林大排名
——走進湘潭大學能源工程學院
(《中國煤炭報》2010年4月23日第三版)
報記者 周黎明
湘潭大學能源工程學院是湘潭大學22個學院(教學部)之一。據了解,該學院的前身是原湖南工業學校,1958年9月在湖南省資興三都鎮創辦。2002年1月,湖南工業學校實質性並入湘潭大學,組建了湘潭大學職業技術學院。2008年9月10日,湘潭大學能源工程學院正式掛牌成立,由此實現了由中專到大專,由大專到本科的跨越。
由於該學院為社會輸送了大批技術和管理骨幹,因此被稱為煤炭行業的「黃埔軍校」。目前,該學院在職職工176人,專任教師88人,其中副高以上職稱41人;教師中博士1人,在讀博士3人,碩士33人,獲全國優秀教師稱號3人,獲省級、部級優秀教師稱號12人,擔任全國、省專業學會或學科研究會理事以上職務31人;在校學生2400餘人。
該學院積極引導和激勵教師職工投身科研。截至2009年11月底,該學院獲得省廳級科研課題13項,校級教改課題3項,橫向課題2項,發表有較高價值的論文55篇。
目前,該學院設有資源與環境工程、機電與電子工程、工程管理、計算機、基礎教學、職業技能鑒定與培訓6個系(部),開設采礦工程、測繪工程、電子信息科學與技術(礦山機電方向)及安全工程4個本科專業和煤礦開采技術、煤礦通風與安全、煤礦測量與地質、礦山機電、機電一體化技術、應用電子技術、檢測技術及應用、供熱通風與空調工程、商務英語、導游、會計電算化、文秘、計算機應用技術、計算機信息管理、計算機網路技術、建築工程技術、工程測量技術17個專科專業。
同時,該學院還開辦了采礦工程專業函授本科,煤礦開采技術專業函授專科,文化產業、商貿英語、會計電算化自考本科。
該學院實驗樓總面積約6000平方米,擁有「采礦工程與安全技術實踐教學中心」和「電子信息科學與技術實踐教學中心」。2009年,該學院投資100餘萬元,興建了現代化綜合模擬通風安全系統實驗室和現代化礦井模型實驗室。
2006年以來,該學院先後開辦了煤礦開采技術、礦山機電,地質與測量、煤礦機電運輸等9期培訓班,培訓學員700餘人。
2007年以來,湘潭大學與湘煤集團簽署了聯合培養礦山急需人才的協議,聯合培養了煤礦開采技術、煤礦通風與安全、煤礦測量與地質、礦山機電4個專業的學生800餘人,形成了多層次、多形式辦學格局。
2009年9月,該學院與湘煤集團下轄的周源山煤礦、唐煤公司、紅衛礦業公司等7家單位建立了礦業類專業實習基地。
B. 結構模型實驗和地質力學模型實驗的異同
結構模型實驗和地質力學模型實驗的異同:
1 . 結構模型實驗
①是研究彈性范圍內線彈性應力模型,與研究超出彈性范圍直至破壞的彈塑性模型試驗,根據相似理論在模擬結構原型的模型上進行的力學試驗。
②將作用在原型水工建築上的力學現象,按一定的相似關系縮小,重演到模型上,從模型演示的與原型相似的力學現象中,採用電測技術量測應變和位移,以確定其應力、位移和安全度,再通過相似關系換算到原型,從而與設計成果分析對比,驗證設計方案的合理性、計算數據的可靠性。
2 .地質力學模型實驗
①是地力學模型試驗門或岩石力學模型試驗,用於研究地基本身及其對上部建築的影響。
②是基於一定的相似原理對某一工程地質構造進行縮尺研究的一種物理模擬方法。
地質力學模型實驗介紹:
地質力學模型試驗又稱地力學模型試驗門或岩石力學模型試驗。
地質力學模型實驗應用范圍:
近代由於生產建設及科學技術的發展越來越多的建築物需要修建在具有復雜地質構造的岩基上或岩體內,如大壩、廠房、隧洞、地下電站、地下油庫、礦井等等。這類建築物的抗沿滑穩定性、基礎變形對建築物結構的影響、地下結構的圍岩穩定和襯助壓力、岩體高邊坡的穩定問題等,都是地質力學模型試驗的研究內容。而且,近年來隨著試驗量測技術的提高,地質力學模型試驗中的一些研究課題,已由定性分析階段進入定量分析階段。
C. 老師要求我們從一些小動物身上得到啟示發明一種東西,誰能幫幫我.(自己發明)
蝙蝠-雷達
小鳥-飛機
青蛙-電子蛙眼
鯊魚-潛水艇
變色龍-便衣
鯨魚-提高輪船速度
蜻蜓-讓飛機的機翼不會破碎
長頸鹿-抗荷服
海母-暴雨檢查器
螢火蟲-人工冷光
龍蝦-氣味探測儀
1。由令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,准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准確地識別出特定形狀的飛機、艦船和導彈等。特別是能夠區別真假導彈,防止以假亂真。
電子蛙眼還廣泛應用在機場及交通要道上。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。現代起重機的掛鉤起源於許多動物的爪子。
10。屋頂瓦楞模仿動物的鱗甲。
11。船槳模仿的是魚的鰭。
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。嗅覺靈敏的龍蝦為人們製造氣味探測儀提供了思路。
15。壁虎腳趾對製造能反復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。
有名的例子很多,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,現在蜘蛛沒有肌肉為什麼會走路?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,從自然界得到啟迪, 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.另一方面,我們還可以從自然的規律中得到啟迪,利用其原理進行設計(包括設計演算法),這就是智能計算的思想
鳥類對仿生學的貢獻
從始祖鳥的出現到現在,在這億萬年的漫長進化過程中,鳥類形成了許多卓有成效的導航、識別、計算、能量轉換等系統,其靈敏性、高效性、准確性、抗乾旱性都另人驚嘆不已。人們研究這些結構和功能原理並加以模擬,用來改善現有的或創造新的機械、儀器、工藝,這就是仿生學研究的一項重要內容。
鳥類有高超的飛行本領,當然現代的飛機在很多性能上都遠遠超過鳥類,可是在節約能源上,在靈巧性上就相形見絀了。如一隻鳥連續在海洋上空飛行4000多公里,體重減輕0.06公斤;小巧的蜂鳥不僅能垂直起落,而且在吮吸花蜜時能取直立姿勢,懸在空中進退自如,靈活異常。對這些特殊功能的研究利用,將會使飛機的性能進一步得到改進。
如野鴨能悠然自得地飛行在9500米的半高空,而人在登上4500米時呼吸已經感到很困難了。研究鳥為什麼會在空氣稀薄的條件下腦血管依然暢通,可對人類在供氧不足的環境中正常生活和延長生命有重要意義。
鴿子在仿生學方面有很大的貢獻。它的腿上有一個小巧而靈敏的感受地震的特殊結構,人們根據它的原理仿製出一種新的地震儀,使地震預報更加准確。它的眼睛有著特殊的識別本領,這是由於它的視網膜上有6種功能專一的神經節細胞:葉亮度檢測器、普通邊檢測器、凸邊檢測器、方向檢測器、垂直邊檢測器、水平檢測器,人們模仿它視網膜上的細胞結構製成的鴿眼電子模型,雖結構還不及它的復雜和完善,但安裝在警戒雷達上、應用於電子計算機處理有關數據方面已有廣闊的前景。
地球上海水占總水量的97%。而海水的人工淡化器目前設備龐大、結構復雜、耗能量高。但海鷗、信天翁這些海鳥卻可以通過眼睛附近一條鹽腺把喝下去的海水中的鹽分排出,一旦完成這個功能的模擬,人類利用海洋的前景將會更加廣闊。
此外,人們根據鷹眼的結構正在研製鷹眼系統導彈,這種導彈在飛臨打擊目標上空時就能自動尋找、識別目標而跟蹤攻擊。
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,為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偽裝缺乏認識的情況,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偽裝。因此,盡管德軍費盡心機,但列寧格勒的軍事基地仍安然無惹,為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,大大減少了戰斗中的傷亡。
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、三網路,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啟發,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
屁步甲炮蟲自衛時,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,瞬間就成為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,德國納粹為了戰爭的需要,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,安裝在飛航式導彈上,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啟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秒內混合並發生反應,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/h。此外,蜻蜒的飛行行為簡單,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,即使是飛機在最復雜的急轉彎時也萬無一失。 蒼蠅的復眼包含4000個可獨立成像的單眼,能看清幾乎360°范圍內的物體。在蠅眼的啟示下,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沖的方式,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、生產的安全系數更為准確、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,令許多專家贊嘆不止。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,是建築及製造太空梭、宇宙飛船、人造衛星等的理想材料。蜜蜂復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,可利用太陽准確定位。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大量研究,英國一飛機製造公司從其垂直起跳的方式受到啟發,成功製造出了一種幾乎能垂直起落的鷂式飛機。現代電視技術根據昆蟲單復眼的構造特點,造出了大屏幕彩電,又可將一台台小彩電熒光屏組成一個大畫面,且可在同一屏幕上任意位置框出某幾個特定的小畫面,既可播映相同的畫面,又可播映不同的畫面。科學家根據昆蟲復眼的結構特點研製成功的多孔徑光學系統裝置,更易於搜索到目標,已在國外一些重要武器系統中應用。根據某些水生昆蟲的組成復眼的單眼之間相互抑制的原理,製成的側抑制電子模型,用於各類攝影系統,拍出的照片可增強圖像邊緣反差和突出輪廓,還可用來提高雷達的顯示靈敏度,也可用於文字和圖片識別系統的預處理工作。美國利用昆蟲復眼加工信息及定向導航原理,研製了具有很大實用價值的仿昆蟲復眼尋的末制導導引頭的工程模型。日本利用昆蟲形態及特性開發研製了六足機器人等工學機器和建築物的新構造方式。
-- 未來展望
昆蟲在億萬年的進化過程中,隨著環境的變遷而逐漸進化,都在不同程度地發展著各自的生存本領。隨著社會的發展,人們對昆蟲的各種生命活動掌握得越來越多,越來越意識到昆蟲對人類的重要性,再加上信息技術特別是計算機新一代生物電子技術在昆蟲學上的應用,模擬昆蟲的感應能力而研製的檢測物質種類和濃度的生物感測器,參照昆蟲神經結構開發的能夠模仿大腦活動的計算機等等一系列的生物技術工程,將會由科學家的設想變為現實,並進入各個領域,昆蟲將會為人類做出更大的貢獻。
-- 昆蟲知多少
對人類危害最大的昆蟲是蚊子,它們每年使300萬人死於其傳染的瘧疾、黃熱病、登革熱等疾病。
螞蟻是力氣最大的昆蟲,它可支撐其體重300倍的重物。
跳蚤是跳高冠軍,它一跳就是其體長的200倍。這相當於人跳400m高。
蝗蟲是飛行能力最強的昆蟲,它可以連續不停地飛行9個小時。
食量最大的天蛾幼蟲,它在出生一個月內可吃掉比其體重重80000倍的東西。
一頭桑蠶可紡出長達一公里多長的單條纖維。
移動最快的昆蟲是熱帶蟑螂,每秒鍾可移動40~43倍體長的距離,相當於人每秒前進130m。
小蚋是翅振速率最快的昆蟲,每秒鍾可拍打60000萬次。
反差最大的昆蟲是產於非洲的一種鳳蝶,美不勝收,但其臭無比,而且有劇毒。
天蛾是嗅覺歸靈敏的昆蟲,其雄蛾可以在十幾公里以外嗅到雌蛾散發出的氣味。雖然雌蛾釋放的信息素只有0.0001mg。
眼睛最多的昆蟲是晴蜓,它的一隻復眼由28000個單眼組成。
最勤勞的昆蟲是蜜蜂,它一生不辭勞苦地到處尋覓花粉、花蜜,直到死亡。
蜂巢中,由40g蠟築出的蜜室可以承載2kg重蜂蜜。
蜜蜂要採集2000朵花的花蜜才能生產出一茶匙的蜂蜜。
螢火蟲是光能轉換率最好的昆蟲,它們可將90%的能量轉換成光能。我們平時用的燈泡能量轉換率只有5.5%。
最小的昆蟲是北美的一種小蟲,身長僅0.25mm,可直接穿過一個針眼。
最大的昆蟲是產於印度尼西亞的大竹節蟲,其翼間寬33cm,另一種印度大蠶蛾,翅展開寬度亦有30cm。
外表形態最原始的昆蟲是蟑螂,2.5億年來它們幾乎完全沒變。
白蟻含有60%的蛋白質,而牛排只含15%,所以以昆蟲作食物的人越來越多,可以預料白蟻將是人類未來重要的蛋白質來源之一。
最美麗的昆蟲是鞘翅目中的一種花金龜,其鞘翅上有金色、寶藍、煙黑、檸檬黃、桃紅和豆綠等色,還有發亮的紫色觸角,而且極協調。據說每隻可售到五萬美元。
種類最多的昆蟲是鞘翅目昆蟲,科學家預計地球上可能有三百萬種以上,而目前有記錄的已近五十萬種,幾乎占已知動物總類的30%和昆蟲種類的一半。
從仿生學角度來看,被人類研究得最多的昆蟲是蒼蠅,其眼、足、平衡棒、舐吸式口器、免疫能力、飛行技巧等諸多方面的仿生成果以應用到人類生活的許多方面。
炮蟲(步甲科屁步甲屬)會自行噴出溫度約100℃、由過氧化氫和氫醌混合腐蝕性氣體來驅趕進犯者。它像槍一樣地連續射20次,射程為5cm,為其體長的4倍。這種甲蟲不會受熱或腐蝕性氣體的傷害。
智商最高的昆蟲是蜜蜂,一美科學家在按1、2、4、8、16、32……的規律往地上白方塊上加糖,在其加完32正准備到64位方塊時,那兒已經有許多蜜蜂在等候了,該科學家沮喪地說:「也不知是我在拿它們做試驗,還是它們在拿我在做試驗!」。這一發現證明了有些動物也有抽象思維能力。
昆蟲中最殘酷且規模最大的戰爭發生在螞蟻中,本人曾親睹過這樣一件事。在一近一平方米的范圍內全是我們常見的螞蟻,它們在激戰,死傷無數。據說南美的蟻戰規模還有大得多。這種戰爭場面不太容易看得到。
-- 昆蟲與仿生學
被稱為「仿生蒼蠅」的一種機器人可能會引起戰場外科的一場革命。它將是第一種在戰場上那能被帶領到負傷軍人那裡和給他們作緊急處理的機器人,在那裡,由外科醫生操作太危險了。
以前的外科醫生機器人局限性很大,因為它們依靠受傷的軍人攜帶。
「仿生蒼蠅」找到傷員後,就展開它的馬達驅動的手臂,執行外科手術,由可能在數百英里遠的醫生來引導。這種新的機器人是第一次使用兩只手臂來進行遙控外科操作。
這種機器人將於本周稍後在海牙的國際醫學模擬和教育會議上展示。
遠程外科醫生用視頻照相機, 3D視頻圖像,立體聲和遠程工具和力量反饋來控制機器人。當外科醫生移動工具,仿生蒼蠅的手臂就進行模仿。當機器人碰到軟組織,外科醫生就通過力量反饋感到有阻力。
它已經被美國軍醫使用,作為訓練幫助,並且在動物身上進行一些復雜的操作。
-- 蜜 蜂
蜂有許多種。有些蜂生活在由12隻左右的蜂組成的群體之中,還有些則獨居。最具有社會性的是蜜蜂,在一個蜂巢內可以有多達8萬只的蜜蜂。
蜂巢最具特色的地方在於蜂室,許多蜂室連在一起形成蜂房。每個蜂室都呈六角形,這是一種結構堅固的形狀。與建造其他形狀相比,它既省蠟又省力。
一部分蜂室用來貯藏食物,即蜜蜂從花中採集來的那些花粉和花蜜。花蜜會在蜂室中變成蜂蜜。所有的卵都是由蜂後產下的,它在每個蜂室中產下一隻卵。接下來,這些卵將由雌性工蜂來照料。
每個蜂室都是由蜜蜂體內分泌出的蠟製成的。蜜蜂會用嘴和前腿把蠟揉軟以便加工。
當一隻工蜂在花間飛來飛去時,它會把採集到的花粉貯藏在後腿的花粉藍中。
一間蜂房有許多蜂室,其牆的厚度都是相同的。建造蜂房的工蜂會用它們的觸角刺牆,看究竟刺進去多少,以此來判斷牆的厚度。
-- 發現螞蟻「吸血鬼」 解開螞蟻進化之謎
在馬達加斯加發現了一種食肉蟻群落。據科學家周二的介紹說,螞蟻是這個世界上進化得最成功的昆蟲物種,而這次發現的食肉蟻對於解開螞蟻進化之謎將起到非常重要的作用。
這種螞蟻長相非常可怕,發現它的人給它取名為「Dracula」蟻,它們在飢餓時會吸取它們自己幼蟲體內的汁液來補充營養,這種行為被認為是螞蟻與黃蜂之間在數百萬年前進行的一種進化行為。
來自美國加州科學院的布來恩-費舍(Brian Fisher)在馬達加斯加首都安塔那那利弗(Antananarivo)郊外55英里處的一個爛樹樁內發現了這些食肉螞蟻。
在人類已經了解的昆蟲種類中,螞蟻雖然很弱小,但它們在地球上分布最廣,並且在數量上超過地球上任何種類的生物。研究人員想知道到底是什因素使螞蟻進化得如此成功。
馬達加斯加,是非洲東南部海域的一個島國,由於其相對與世隔絕的生態環境,缺少新物種的競爭,部分較老或者可以說是「遺跡「物種在這里能夠倖存下來,所以這個島國已經被人們看成是一塊富有生物信息的珍寶之地。
「Dracula」蟻是1993年首次在馬達加斯加發現的,但這次費舍的發現是首次對這種螞蟻生活群落的發現。這將允許科學家們了解到更多的螞蟻進化細節。費舍認為「Dracula」蟻與早期的黃蜂之間有些必然聯系。
在這種螞蟻群落中,蟻後和工蟻在飢餓的時候,會到洞內的幼蟻室,在它們的幼蟲身上打出一個洞,吸取它們的體液,獲取養料。
費舍解釋說,這就是為什麼他會給這種螞蟻起名為「Dracula」的原因,「Dracula」指的一種吸血鬼。他說:「我們認為這是一種非常殘忍的自相殘殺行為。」
他認為,以後對於「Dracula」蟻的研究可以使科學家們掌握更多螞蟻行為的發展線索。最終使科學家可以重新考慮他們對於螞蟻進化過程的所有設想。「這些最初的發現告訴我們,目前人們對螞蟻進化過程的設想是不準確的。這次發現,最重要的事情不是我們找到了一個新物種,而是它對於幫助我們解開生命進化之謎非常重要。」
-- 從蝴蝶翅膀到防偽紙幣
在一般人看來,蝴蝶翅膀與防偽紙幣或防偽信用卡本是南其轅北其轍互不著邊的兩個事物,根本沒有什麼聯系,可是,只要你耐心讀完這不到千字的小文,你就會明白這其中確有某些因緣,而且,你還會看到仿生學這個學科的又一個妙用。請繼續往下讀!
所謂仿生學,它是研究如何模仿生物的結構和功能,來製造設備或物件以造福人類的學科。日前發表在英國《自然》雜志上的關於一種生活在印度尼西亞的蝴蝶翅膀的顏色的形成問題的報告,不僅向我們展示了大自然的奧妙,也為我們研製更新的、壞人再也無法偽造的防偽紙幣打開了一條仿生學的思路。
英國埃克塞特(Exeter)大學薄膜光子實驗室的物理學家烏維西克(Vuvisic)和另外兩名同事,由於一個偶然的機遇,在幾年前開始研究一種名叫大鳳蝶的蝴蝶翅膀,這個蝴蝶的翅膀顏色本來是有黃有藍,但是在人眼裡就成為閃閃發光的綠色。他們用顯微鏡觀察大鳳蝶翅膀發現,蝴蝶翅膀上竟然布滿了下凹的小坑,這些小坑太小,尺寸只有大約萬分之四厘米,小坑底是黃色,而坑的斜坡是蘭色的。烏維西克用如下方式來解釋為什麼在人看來大鳳蝶的翅膀是綠色的:當光線照射到坑底時,它被反射而呈黃色,而照射到小坑一個斜坡的光線也被反射,但此反射光線又入射到另一斜坡再被反射,此時,由於小坑太小,人眼無法將從坑底反射的黃色光與周圍兩次反射的蘭色光區分開來,從而感覺到的是綠色。另外,他們還發現,這兩次反射也改變了光的極化方向,人眼無法區別這一改變,但是蜜蜂等昆蟲卻能察覺。要解釋光的極化方向還真需要點專門知識,淺顯但不太精確的解釋就是光子在電磁場中振動的方向。
換了我們常人,發現這些奧妙,大概也無非是擊掌贊嘆造化的神奇,此外就不在做什麼了。然而烏維西克等人卻想到假幣。他們目前正在研究如何仿照大鳳蝶翅膀的結構,在紙幣或信用卡上也不滿小坑,這樣無論製造偽鈔者將假幣印製得在外表上多麼與真幣相似,他們絕沒有技術也在假幣上布滿分布和大小都與真幣一樣的小坑,只要用專門的光學設備發出極化光一照,看看反射光的極化方向,就會真假立現,我們辛辛苦苦掙來的那點血汗錢也就再不會被騙子騙走了。你看,蝴蝶翅膀與防偽紙幣有沒有關系?
-- 蠶:未來理想的「昆蟲工廠」
蠶,原產地在中國,它產下的蠶絲是最好的天然纖維,用其生產出的絲綢為美化人類生活作出了不可磨滅的貢獻。隨著生物技術的高度發展,它有可能在21世紀成為生產高級醫葯品等有用物質的「昆蟲工廠」,為人類再立新功。
日本農林省建在築波科學城內的蠶絲和昆蟲農業技術研究所,正在從事利用蠶建立「昆蟲工廠」的研究。這里的科學家以家蠶為對象,已基本上開發出「昆蟲工廠」所必需的各種「設備」和工藝,如生產有用物質的轉基因蠶、自動化養蠶系統及凍結融解體液採取法等。
例如,該所田村俊樹領導的遺傳工程研究室通過植入DNA(脫氧核糖核酸),把水母的綠色熒光蛋白質基因作為標記植入家蠶染色體中,已成功培育出了發光蠶。該成果意味著,如果把綠色熒光蛋白質基因置換為其它有用物質的基因,那麼,蠶將能夠成為這種物質的「製造廠」。
作為生產高級醫葯品等的「昆蟲工廠」,轉基因蠶的飼養環境必須保持高度清潔。為此,該所開發出了一套全自動飼料製造和供給系統。它由人工飼料製造裝置、多級循環型轉基因蠶飼養裝置和飼料供給裝置等構成。全部過程也都由電腦控制,電腦可對室內的溫度、濕度和空氣等進行自動調節。由於實現了無人化操作,外界的雜物、細菌和病毒等都不會進入室內。這套自動化系統可飼養2萬條蠶,「昆蟲工廠」的生產規模相當可觀。
與大腸桿菌、螞蟻等相比,家蠶體積相對龐大。但它畢竟是一種昆蟲,一隻蠶所能生產的有用物質是極少量的。怎樣高效地從轉基因蠶體內把有用物質提取出來,也成為 「昆蟲工廠」技術開發的課題之一。科學家宮澤光博利用凍結的幼蟲(主要是鱗翅目昆蟲)溶解後體積收縮的現象,開發成功了「凍結溶解體液採取法」。該方法是把處於麻醉狀態的轉基因蠶放在濃度為70%的乙醇里,在零下30攝氏度下加以凍結。在這種狀態下把蠶的腹腳切除,然後移至置有防黑色素化劑的緩沖液中進行融解,有用體液就會由於融解過程中產生的收縮而從被切除腹腳的地方直接流出。這一方法優點是不需專用設備,也不要繁雜的程序,而且冷凍能把所產的有用物質長期保存在蠶體內。這位科學家曾用該方法從500條蠶體內抽取了370毫升的體液,效率頗高。他的這個液體採集法已申請了國際專利。
該所負責人、農學博士北村實彬告訴記者,「利用昆蟲功能」是該所的主要研究領域之一,各科室正在對大約50種昆蟲,如蜻蜓、螞蟻、蝗蟲、椿象、蜜蜂、白薯天蛾、獨角仙、美洲大蠊和斜紋夜蛾等進行研究,目的是利用它們特有的組織結構與腦神經系統、生殖功能和運動功能等製造新材料(如氨基酸分離膜、人工皮膚、抗血凝材料、骨結合材料、抗菌性蛋白質、抗血栓葯物、免疫活性物質等)和發展仿生技術(如製造生物感測器、生物晶元、微型機械以及害蟲、家畜、漁類的行為控制技術等)。使用蠶建立「昆蟲工廠」,是其中的重點之一。
北村認為,蠶非常適合用做 「昆蟲工廠」。理由是蠶體格較大,並有大量製造蛋白質的器官——絹絲腺。迄今,科學家們已從生理學、生化學和遺傳學等各個角度對蠶進行了研究,因此技術開發比較容易。另外,家蠶不會飛,容易進行隔離和管理,安全性高。到目前為止,世界上還沒有應用轉基因技術對蠶進行技術改造和利用的先例,日本科學家的研究是開創性的。 魚鰓=水下呼吸機=水藤(諾莫瑞根 水元素出)
鳥翅膀=滑翔機=降落傘披風(工程學圖紙)
獵豹加速能力=渦輪壓縮機=地精火箭靴(工程學圖紙)
D. 小學生從動物身上得到啟示從而得到的發明
現代的雷達——一種無線電定位和測距裝置:科學家研究發現蝙蝠不是靠眼睛,而是靠嘴、喉和耳朵組成的回聲定位系統。因為蝙蝠在飛行時發出超聲波,又能覺察出障礙物反射回來的超聲波。科學家據此設計出了現代的雷達——一種無線電定位和測距裝置
科學家通過對海豚游泳阻力小的研究發明了能提高魚雷航速的人工海豚皮;以及模仿袋鼠在沙漠運動形式的無輪汽車(跳躍機)等。
前蘇聯科學院動物研究所的科學家在企鵝的啟示下,他們設計了一種新型汽車--「企鵝」牌極地越野汽車。這種汽車的寬闊的底部,直接貼在雪面上,用輪勺撐動著前進,行駛速度可達50公里/小時。
科學家模仿昆蟲製造了太空機器人。
澳大利亞國立大學的一個科研小組通過對幾種昆蟲的研究,已經研製出一個小型的導航和飛行控制裝置。這種裝置可以用來裝備用於火星考察的小型飛行器。
英國科學家在仿生學啟發下,正在研製一種可以靠尾鰭擺動以S形「游水」的潛艇新式潛艇的主要創新之處是使用了被稱為「象鼻致動器」的裝置。「象鼻」由一組用薄而柔軟的材料做成的軟管組成,模仿肌肉活動,推動鰭的運動。這種新式潛艇可以充當水底掃雷潛艇,用來對付最輕微的聲響或干擾便會引爆的水雷。
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系起來了。
蒼蠅是聲名狼藉的「逐臭之夫」,凡是腥臭污穢的地方,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。
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沖,送往大腦。大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈沖的不同,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。
仿生學家由此得到啟發,根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能,仿製成功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
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,所以又被稱為「冷光」。
在眾多的發光動物中,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。
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,它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。在熒光酶的作用下,熒光素在細胞內水分的參與下,與氧化合便發出熒光。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熒光素,後來又分離出了熒光酶,接著,又用化學方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、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,作為安全照明用。
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,統稱為「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、電鯰和電鰻。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;非洲電鯰能產生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。
電魚放電的奧秘究竟在哪裡?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。電鰻的發電器呈棱形,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;電鯰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,以電魚發電器官為模型,設計出世界上最早的伏打電池。因為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,還給人們這樣的啟示: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
「燕子低飛行將雨,蟬鳴雨中天放晴。」生物的行為與天氣的變化有一定關系。沿海漁民都知道,生活在沿岸的魚和水母成批地游向大海,就預示著風暴即將來臨。
水母,又叫海蜇,是一種古老的腔腸動物,早在5億年前,它就漂浮在海洋里了。這種低等動物有預測風暴的本能,每當風暴來臨前,它就游向大海避難去了。
仿生學舉15個例子:
1。由令人討厭的蒼蠅,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,准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准確地識別出特定形狀的飛機、艦船和導彈等。特別是能夠區別真假導彈,防止以假亂真。
電子蛙眼還廣泛應用在機場及交通要道上。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。現代起重機的掛鉤起源於許多動物的爪子。
10。屋頂瓦楞模仿動物的鱗甲。
11。船槳模仿的是魚的鰭。
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。嗅覺靈敏的龍蝦為人們製造氣味探測儀提供了思路。
15。壁虎腳趾對製造能反復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。 25
E. 大自然給我們的啟示的作文(從動植物身上發明了什麼)400字5小結
自古以來,自然界就是人類各種科學技術原理及重大發明的源泉。生物界有著種類繁多的動植物及物質存在,它們在漫長的進化過程中,為了求得生存與發展,逐漸具備了適應自然界變化的本領。人類生活在自然界中,與周圍的生物作「鄰居」,這些生物各種各樣的奇異本領,吸引著人們去想像和模仿。人類運用其觀察、思維和設計能力,開始了對生物的模仿,並通過創造性的勞動,製造出簡單的工具,增強了自己與自然界斗爭的本領和能力。
人類最初使用的工具——木棒和石斧,無疑是使用的天然木你從哪些動植物身上得到的啟發,你想發明什麼東西
要沒發明過的,例如:從變色龍身上得到啟發發明變色燈,從蜻蜓發明一種可觀察四周情況的眼鏡專用於偵察......
棒和天然石塊;骨針的使用,無疑是魚刺的模仿……所有這些工具的創造、生活方式的選擇都不能說是人類憑空想像出來的,只能說是對自然中存在的物質及某種構成方式的直接模擬,是人類初級創造階段,也可以說是仿生設計的起源和雛形,它們雖然是比較粗糙的、表面的,但卻是我們今天得以發展的基礎。
在我國,早就有著模仿生物的事例。相傳在公元前三千多年,我們的祖先有巢氏模仿鳥類在樹上營巢,以防禦猛獸的傷害;四千多年前,我們的祖先「見飛蓬轉而知為車」,即見到隨風旋轉的飛蓬草而發明輪子,做有裝成輪子的車。古代廟宇中大殿之前的山門的建造,就其建築結構來看,頗有點像大象的架勢,柱子又圓又粗,彷彿像大象的腿。
我國古代勤勞勇敢的勞動人民對於絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想。根據秦漢時期史書記載,兩千多年前,我國人民就發明了風箏,並且應用於軍事聯絡。春秋戰國時代,魯國匠人魯班,本名公輸般,首先開始研製能飛的木鳥;並且他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉得到啟示而發明了鋸子。據《杜陽雜編》記載,唐朝有個韓志和,「善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀,飲啄動靜與真無異,以關戾置於腹內,發之則凌雲奮飛,可高達三丈至一二百步外,始卻下。」西漢時期,有人用鳥的羽毛做成翅膀,從高台上飛下來,企圖模仿鳥的飛行。以上幾例,足以說明我國古代勞動人民對鳥類的撲翼和飛行,進行了細致的觀察和研究,這也是最早的仿生設計活動之一。明代發明的一種火箭武器「神火飛鴉」,也反映了人們向鳥類借鑒的願望。
我國古代勞動人民對水生動物——魚類的模仿也卓有成效。通過對水中生活的魚類的模仿,古人伐木鑿船,用木材做成魚形的船體,仿照魚的胸鰭和尾鰭製成雙槳和單櫓,由此取得水上運輸的自由。後來隨製作水平提高而出現的龍船,多少受到了不少動物外形的影響。古代水戰中使用的火箭武器 「火龍出水」,多少有點模仿動物的意思。以上事例說明,我國古代勞動人民早期的仿生設計活動,為開發我國光輝燦爛的古代文明,創造了非凡的業績。
外國的文明史上,大致也經歷了相似的過程。在包含了豐富生產知識的古希臘神話中,有人用羽毛和蠟做成翅膀,逃出迷宮;還有泰爾發明了鋸子,傳說這是從魚背骨和蛇的齶骨的形狀受到啟示而創造出來的。十五世紀時,德國的天文學家米勒製造了一隻鐵蒼蠅和一隻機械鷹,並進行了飛行表演。
一八ОΟ年左右,英國科學家、空氣動力學的創始人之一—凱利,模仿鱒魚和山鷸的紡錘形,找到阻力小的流線型結構。凱利還模仿鳥翅設計了一種機翼曲線,對航空技術的誕生起了很大的促進作用。同一時期,法國生理學家馬雷,對鳥的飛行進行了仔細的研究,在他的著作《動物的機器》一書中,介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關系。德國人亥姆霍茲也從研究飛行動物中,發現飛行動物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。人們通過對鳥類飛行器官的詳細研究和認真的模仿,根據鳥類飛行機構的原理,終於製造了能夠載人飛行的滑翔機。
後來,設計師又根據鶴的體態設計出了掘土機的懸臂,在一戰期間,人們從毒氣戰倖存的野豬身上中獲得啟示,模仿野豬的鼻子設計出了防毒面具。在海洋中浮沉靈活的潛水艇又是運用了哪些原理?雖然我們無據考察潛艇設計師在設計潛艇時是否請教了生物界,但是不難設想,設計師一定懂得魚鰾是魚類用來改變身體同水的比重,使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陸兩棲動物,體育工作者就是認真研究了青蛙在水中的運動姿勢,總結出一套既省力、又快速的游泳動作——蛙泳。另外,為潛水員製作的蹼,幾乎完全按照青蛙的後肢形狀做成,這就大大提高了潛水員在水中的活動能力。
二、仿生設計的歷史
自古以來,自然界就是人類各種科學技術原理及重大發明的源泉。生物界有著種類繁多的動植物及物質存在,它們在漫長的進化過程中,為了求得生存與發展,逐漸具備了適應自然界變化的本領。人類生活在自然界中,與周圍的生物作「鄰居」,這些生物各種各樣的奇異本領,吸引著人們去想像和模仿。人類運用其觀察、思維和設計能力,開始了對生物的模仿,並通過創造性的勞動,製造出簡單的工具,增強了自己與自然界斗爭的本領和能力。
人類最初使用的工具——木棒和石斧,無疑是使用的天然木棒和天然石塊;骨針的使用,無疑是魚刺的模仿……所有這些工具的創造、生活方式的選擇都不能說是人類憑空想像出來的,只能說是對自然中存在的物質及某種構成方式的直接模擬,是人類初級創造階段,也可以說是仿生設計的起源和雛形,它們雖然是比較粗糙的、表面的,但卻是我們今天得以發展的基礎。
在我國,早就有著模仿生物的事例。相傳在公元前三千多年,我們的祖先有巢氏模仿鳥類在樹上營巢,以防禦猛獸的傷害;四千多年前,我們的祖先「見飛蓬轉而知為車」,即見到隨風旋轉的飛蓬草而發明輪子,做有裝成輪子的車。古代廟宇中大殿之前的山門的建造,就其建築結構來看,頗有點像大象的架勢,柱子又圓又粗,彷彿像大象的腿。
我國古代勤勞勇敢的勞動人民對於絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想。根據秦漢時期史書記載,兩千多年前,我國人民就發明了風箏,並且應用於軍事聯絡。春秋戰國時代,魯國匠人魯班,本名公輸般,首先開始研製能飛的木鳥;並且他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉得到啟示而發明了鋸子。據《杜陽雜編》記載,唐朝有個韓志和,「善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀,飲啄動靜與真無異,以關戾置於腹內,發之則凌雲奮飛,可高達三丈至一二百步外,始卻下。」西漢時期,有人用鳥的羽毛做成翅膀,從高台上飛下來,企圖模仿鳥的飛行。以上幾例,足以說明我國古代勞動人民對鳥類的撲翼和飛行,進行了細致的觀察和研究,這也是最早的仿生設計活動之一。明代發明的一種火箭武器「神火飛鴉」,也反映了人們向鳥類借鑒的願望。
我國古代勞動人民對水生動物——魚類的模仿也卓有成效。通過對水中生活的魚類的模仿,古人伐木鑿船,用木材做成魚形的船體,仿照魚的胸鰭和尾鰭製成雙槳和單櫓,由此取得水上運輸的自由。後來隨製作水平提高而出現的龍船,多少受到了不少動物外形的影響。古代水戰中使用的火箭武器 「火龍出水」,多少有點模仿動物的意思。以上事例說明,我國古代勞動人民早期的仿生設計活動,為開發我國光輝燦爛的古代文明,創造了非凡的業績。
外國的文明史上,大致也經歷了相似的過程。在包含了豐富生產知識的古希臘神話中,有人用羽毛和蠟做成翅膀,逃出迷宮;還有泰爾發明了鋸子,傳說這是從魚背骨和蛇的齶骨的形狀受到啟示而創造出來的。十五世紀時,德國的天文學家米勒製造了一隻鐵蒼蠅和一隻機械鷹,並進行了飛行表演。
一八ОΟ年左右,英國科學家、空氣動力學的創始人之一—凱利,模仿鱒魚和山鷸的紡錘形,找到阻力小的流線型結構。凱利還模仿鳥翅設計了一種機翼曲線,對航空技術的誕生起了很大的促進作用。同一時期,法國生理學家馬雷,對鳥的飛行進行了仔細的研究,在他的著作《動物的機器》一書中,介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關系。德國人亥姆霍茲也從研究飛行動物中,發現飛行動物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。人們通過對鳥類飛行器官的詳細研究和認真的模仿,根據鳥類飛行機構的原理,終於製造了能夠載人飛行的滑翔機。
後來,設計師又根據鶴的體態設計出了掘土機的懸臂,在一戰期間,人們從毒氣戰倖存的野豬身上中獲得啟示,模仿野豬的鼻子設計出了防毒面具。在海洋中浮沉靈活的潛水艇又是運用了哪些原理?雖然我們無據考察潛艇設計師在設計潛艇時是否請教了生物界,但是不難設想,設計師一定懂得魚鰾是魚類用來改變身體同水的比重,使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陸兩棲動物,體育工作者就是認真研究了青蛙在水中的運動姿勢,總結出一套既省力、又快速的游泳動作——蛙泳。另外,為潛水員製作的蹼,幾乎完全按照青蛙的後肢形狀做成,這就大大提高了潛水員在水中的活動能力。
三、仿生設計的發展
到了近代,生物學、電子學、動力學等學科的發展亦促進了仿生設計學的發展。以飛機的產生為例:
在經過無數次模仿鳥類的飛行失敗後,人們通過不泄的努力,終於找到了鳥類能夠飛行的原因:鳥的翅膀上彎下平,飛行時,上面的氣流比下面的快,由此形成下面的壓力比上面的大,於是翅膀就產生了垂直向上的升力,飛的越快,升力越大。
1852年,法國人季法兒發明了氣球飛船;1870年,德國人奧托.利連塔爾製造了第一架滑翔機。利連塔爾是十九世紀末的一位具有大無畏冒險精神的人,他望著家鄉波美拉尼亞的鸛用笨拙的翅膀從他房頂上飛過,他堅信人能飛行。1891年,他開始研製一種弧形肋狀蝙蝠翅膀式的單翼滑翔機,自己還進行試飛;此後五年,他進行了2000多次滑翔飛行,並同鳥類進行了對比研究,提供了很有價值的資料。資料證明:氣流流經機翼上部曲面所走路程,比氣流流經機翼下平直表面距離較長,因而也較快,這樣才能保證氣流在機翼的後緣點匯合;上部氣流由於走的較快,它就較為稀薄,從而產生強大吸力,約占機翼升力的三分之二大小;其餘的升力來自翼下氣流對機翼的壓力。
19世紀末,內燃機的出現,給了人類有史以來一直夢寐以求的東西:翅膀。不用說這種翅膀是笨拙的、原始的和不可靠的,然而這卻是使人類能隨風伴鳥一起飛翔的翅膀。
萊特兄弟發明了真正意義上的飛機。在飛機的設計製作過程中,怎樣使飛機拐彎和怎樣使它穩定一直困繞著他們。為此,萊特兄弟又研究了鳥的飛行。例如,他們研究鶙鵳怎樣使一隻翅膀下落,靠轉動這只下落的翅膀保持平衡;這只翅膀上增大的壓力怎樣使鶙鵳保持穩定和平衡。這兩個人給他們的滑翔機裝上翼梢副翼進行這些實驗,由地面上的人用繩控制,使之能轉動或彎翹。他們的第二個成功的實驗是用操縱飛機後部一個可轉動的方向舵來控制飛機的方向,通過方向舵使飛機向左或向右轉彎。
後來,隨著飛機的不斷發展,它們逐漸失去了原來那些笨重而難看的體形,它們變的更簡單,更加實用。機身和單曲面機翼都呈現出象海貝、魚和受波浪沖洗的石頭所具有的自然線條。飛機的效率增加了,比以前飛的更快,飛的更高。到了現代,科學高度發展但環境破*、生態失衡、能源枯竭,人類意識到了重新認識自然,探討與自然更加和諧的生存方式的高度緊迫感,亦認識到仿生設計學對人類未來發展的重要性。特別是一九六Ο年秋,在美國俄亥俄州召開了第一次仿生學討論會,成為仿生學的正式誕生之日。
此後,仿生技術取得了飛躍的發展,並獲得了廣泛的應用。仿生設計亦隨之獲得突飛猛進的發展,一大批仿生設計作品如智能機器人、雷達、聲納、人工臟器、自動控制器、自動導航器等等應運而生。
近代,科學家根據青蛙眼睛的特殊構造研製了電子蛙眼,用於監視飛機的起落和跟蹤人造衛星;根據空氣動力學原理仿照鴨子頭形狀而設計的高速列車;模仿某些魚類所喜歡的聲音來誘捕魚的電子誘魚器;通過對螢火蟲和海蠅地發光原理的研究,獲得了化學能轉化為光能的新方法,從而研製出化學熒光燈等等。
目前,仿生設計學在對生物體幾何尺寸及其外形的模仿同時,還通過研究生物系統的結構、功能、能量轉換、信息傳遞等各種優異特徵,並把它運用到技術系統中,改善已有的工程設備,並創造出新的工藝、自動化裝置、特種技術元件等技術系統;同時仿生設計學為創造新的科學技術裝備、建築結構和新工藝提供原理、設計思想或規劃藍圖,亦為現代設計的發展提供了新的方向,並充當了人類社會與自然界溝通信息的「紐帶」。
對人腦的探索,可以展望未來的電子計算機有可能具有生物原理的功能。同它相比,現在的電子計算機只能作為算盤。
對植物光合作用的研究,將為延長人類的壽命、治療疾病提供一個嶄新的醫學發展途徑。
對生物體結構和形態的研究,有可能使未來的建築、產品改變模樣。使人們從「城市」這個人造物理環境中重新回歸「自然」。
信天翁是一種海鳥,它具有淡化海水的器官——「去鹽器」。對其「去鹽器」的結構及其工作原理的研究,可以啟發人們去改善舊的或創造出新的海水淡化裝置。
白蟻能把吃下去的木質轉化為脂肪和蛋白質,對其機理的研究,將會對人工合成這些物質有所啟發。
同時仿生設計亦可對人類的生命和健康造成巨大的影響。例如人們可以通過仿生技術,設計製造製造出人造器官,如血管、腎、骨膜、關節、食道、氣管、尿道、心臟、肝臟、血液、子宮、肺、胰、眼、耳以及人工細胞。專家預測,在本世紀中後期,除腦以外人的所有器官都可以用人工器官代替。例如,模擬血液的功能,可以製造、傳遞養料及廢物,並能與氧氣及二氧化碳自動結合並分離的液態碳氫化合物人工血;模擬腎功能,用多孔纖維增透膜製成血液過濾器,也就是人工腎;模擬肝臟,根據活性碳或離子交換樹脂吸附過濾有毒物質,製成人工肝解毒器;模擬心臟功能,用血液和單向導通驅動裝置,組成人工心臟自動循環器。
隨著對宇宙的開發、認識,又將使人類不但認識宇宙中新形式的生命,而且將為人類提供嶄新的設計,創造出地球上前所未有的新的裝置……
仿生設計學的特點與研究內容
仿生設計學是仿生學與設計學互相交叉滲透而結合成的一門的邊緣學科,其研究范圍非常廣泛,研究內容豐富多彩,特別是由於仿生學和設計學涉及到自然科學和社會科學的許多學科,因此也就很難對仿生設計學的研究內容進行劃分。這里,我們是基於對所模擬生物系統在設計中的不同應用而分門別類的。歸納起來,仿生設計學的研究內容主要有:
1、形態仿生設計學研究的是生物體(包括動物、植物、微生物、人類)和自然界物質存在(如日、月、風、雲、山、川、雷、電等)的外部形態及其象徵寓意,以及如何通過相應的藝術處理手法將之應用與設計之中。
2、功能仿生設計學主要研究生物體和自然界物質存在的功能原理,並用這些原理去改進現有的或建造新的技術系統,以促進產品的更新換代或新產品的開發。
3、視覺仿生設計學研究生物體的視覺器官對圖象的識別、對視覺信號的分析與處理,以及相應的視覺流程;他廣泛應用與產品設計、視覺傳達設計和環境設計之中。
4、結構仿生設計學主要研究生物體和自然界物質存在的內部結構原理在設計中的應用問題,適用與產品設計和建築設計。研究最多的是植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、骨骼的結構。
從國內外仿生設計學的發展情況來看,形態仿生設計學和功能仿生設計學是目前研究的重點。在本文中,還將著重介紹形態仿生學和功能仿生設計學的一些情況。
作為一門新興的邊緣交叉學科,仿生設計學具有某些設計學和仿生學的特點,但他又有別與這兩門學科。具體說來,仿生設計學具有如下特點:
1、 藝術科學性
仿生設計學是現代設計學的一個分支、一個補充。同其它設計學科一樣,仿生設計學亦具有它們的共同特性——藝術性。鑒於仿生設計學是以一定的設計原理為基礎、以一定的仿生學理論和研究成果為依據,因此具有很嚴謹的科學性。
2、 商業性
仿生設計學為設計服務,為消費者服務,同時優秀的仿生設計作品亦可刺激消費、引導消費、創造消費。
3、 無限可逆性
以仿生設計學為理論依據的仿生設計作品都可以在自然界中找到設計的原型,該作品在設計、投產、銷售過程中所遇到的各種問題又可以促進仿生設計學的研究與發展。仿生學的研究對象是無限的,仿生設計學的研究對象亦是無限的;同理,仿生設計的原型也是無限的,只要潛心研究大自然,我們永遠不會有江郎才盡的一天。
4、 學科知識的綜合性
要熟悉和運用仿生設計學,必須具備一定的數學、生物學、電子學、物理學、控制論、資訊理論、人機學、心理學、材料學、機械學、動力學、工程學、經濟學、色彩學、美學、傳播學、倫理學等相關學科的基本知識。
5、 學科的交叉性
要深入研究和了解仿生設計學,必須在設計學的基礎上,既要了解生物學、社會科學的基礎知識,又要對當前仿生學的研究成果有清晰的認識。它是產生於幾個學科交叉點上的一種新型交叉學科。
五、仿生設計學的研究方法
仿生設計學的研究方法主要為「模型分析法」:
1、創造生物模型和技術模型
首先從自然中選取研究對象,然後依此對象建立各種實體模型或虛擬模型,用各種技術手段(包括材料、工藝、計算機等)對它們進行研究,做出定量的數學依據;通過對生物體和模型定性的、定量的分析,把生物體的形態、結構轉化為可以利用在技術領域的抽象功能,並考慮用不同的物質材料和工藝手段創造新的形態和結構。
① 從功能出發、研究生物體結構形態——製造生物模型。
找到研究對象的生物原理,通過對生物的感知,形成對生物體的感性認識。從功能出發,研究生物的結構形態,在感性認識的基礎上,除去無關因素,並加以簡化,提出一個生物模型。對照生物原型進行定性的分析,用模型模擬生物結構原理。目的是研究生物體本身的結構原理。
② 從結構形態出發,達到抽象功能——製造技術模型
根據對生物體的分析,做出定量的數學依據,用各種技術手段(包括材料、工藝等)製造出可以在產品上進行實驗的技術模型。牢牢掌握量的尺度,從具象的形態和結構中,抽象出功能原理。目的是研究和發展技術模型本身。
2、可行性分析與研究
建立好模型後,開始對它們進行各種可行性的分析與研究:
① 功能性分析
找到研究對象的生物原理,通過對生物的感知,形成對生物體的感性認識。從功能出發,對照生物原型進行定性的分析。
② 外部形態分析
對生物體的外部形態分析,可以是抽象的,也可以是具象的。在此過程中重點考慮的是人機工學、寓意、材料與加工工藝等方面的問題。
③ 色彩分析
進行色彩的分析同時,亦要對生物的生活環境進行分析,要研究為什麼是這種色彩?在這一環境下這種色彩有什麼功能?
④ 內部結構分析
研究生物的結構形態,在感性認識的基礎上,除去無關因素,並加以簡化,通過分析,找出其在設計中值得借鑒合利用的地方。
⑤ 運動規律分析
利用現有的高科技手段,對生物體的運動規律進行研究,找出其運動的原理,針對性的解決設計工程中的問題。
當然,我們還可以就生物體的其它方面進行各種可行性分析
F. 求一篇關於 平面度誤差的測量和評定 相關的外文翻譯,字數在兩千字左右,若符合要求,給五十分。
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[]MES功能及MRP到MES的數據流
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[]RFID對企業價值在離散製造業中的供應鏈案例研究(譯文附英文原文或原文出處)
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岩石感應爆破的數字模擬[]
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一種利用等效模型與遺傳演算法的動態有限元模型修正方法
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一種新型機械反饋的液壓伺服缸的開發[]
一種新型綜合的多軸配置並聯運動學機構第1部分.關於製作的運動學設計
一種新型高效率多軸數控機床誤差補償系統
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一種汽車座椅機構失效型式的有效預測方法[]
一種測試不同車輛發出雜訊聲功率的新型方法[]
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三輥圓柱軋機頂輥位置的分析模型和經驗模型及其實驗證明[]
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世界城市及其腹地:香港轉型作為貿易及物流樞紐(譯文附英文原文或原文出處[])
業務流程再造(BPR)在新加坡實踐的調查和研究(譯文附英文原文或原文出處)[]
兩級陽極氧化處理的最終結果對鋁表面的影響[]
中國電動自行車市場上的鉛酸電池和鋰離子電池對今後技術發展的影響(譯文附英文原文或原文出處)[]
中國連桿鍛造技術發展回顧[]
中小型公司的人力資源管理自相矛盾的條款(譯文附英文原文或原文出處)[]
為應力分析創建體網格[]
為提高冷擠壓凸模的質量及使用壽命進行的失效分析[]
為改良能量存儲對飛輪的幾何設計進行有限元分析[]
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人工神經網路
人工神經網路在半主動減振器座椅減振中的應用[]
人工神經網路技術
人工髖關節三維外形優化設計的動靜態疲勞特性有限元分析
以項目為中心的企業數據模型在物流服務中的優勢-----基於一個案例研究[]
傘齒輪閉式模鍛工藝設計的有限元分析[]
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你將創造和分析什麼
使數控機床更開放、可互操作性、智能檢測的技術
使用低損耗單轉換三相ACDC轉換器的高精密恆流源[]
使用光學凝聚X線體層照相術的激光加工處理的三維無損光學評估
先進製造技術項目的發展[]
先進製造技術,產品的質量和技術水平:重慶實證分析[]
先進封裝後端工序:引線接合[]
全員生產維修對製造業績的影響(譯文附英文原文或原文出處)[]
全球物流管理中的一種選擇模型的混合模糊分析方法(譯文附英文原文或原文出處)[]
全面生產維護: 一個取決於上下層的看法(譯文附英文原文或原文出處)[]
關於304型不銹鋼板的延性極限的實驗和理論分析
關於復雜的轉子軸承系統的穩定和振動分析[]
關於鋼絲繩疲勞強度的實驗研究[]
關於鞋楦大規模定製生產的理念[]
關鍵性能指標在生產管理中的使用[]
具有最少自由度的機器人爬坡和操縱在建設和服務中應用的設計與原型[]
具有柔性吊臂的運動的起重機的傾覆載荷
內燃機復雜零部件計算機輔助建模應用技術[]
軍事後勤:企業物流的洞察力(譯文附英文原文或原文出處)[]
冷軋機的可逆設計方法[]
冷軋輥成型的金屬板材[]
冷連軋機軋制工藝的最優化
分布式容錯控制系統的分層設計[]
分布式計算系統在研究動態負載平衡問題中所做的貢獻
切削刀具磨損的評估[]
列車走行下的單軌鐵路鋼橋的動態響應
利用參數化﹑正則化的試驗測試數據修正有限元模型[]
利用雙譜的旋轉機械振動性分析[]
利用機器視覺實現刀面磨損的自動化測量[]
利用直接的轉換方法對旋轉式起重機位移的建模和優化控制
利用超聲波增強高壓水射流效果[]
利用逆向工程方法進行產品的快速開發
利用非圓形齒輪進行無級變速傳動的研究[]
利用非熱平衡等離子體技術還原NOx(譯文附英文原文或原文出處)[]
製造一台數控鑽床[]
製造業公司的人力資源外包與組織績效(節選)(譯文附英文原文或原文出處)[]
製造工藝選擇的計算機輔助設計[]
製造流程優化中的進化演算法新發展[]
加工高精度滾珠絲桿的一種新研磨方法--在自動研磨加工過程中對一種新型研磨工具的可行性研究[]
卡盤操作[]
壓電陶瓷驅動比例鼓式制動器的設計[]
壓鑄模具設計系統的開發[]
雙晶體管電荷分離分析的理論與應用[]
雙汽缸液壓電梯的電液比例控制
雙離合器傳動(美國專利)(譯文附英文原文或原文出處)[]
雙線性故障檢測系統應用於液壓系統[]
雙螺桿多相泵輪廓生成的解決方案
發展契約製造信息化門戶的框架[]
取力器事故中受害者的營救
變胞機構與變胞方式的本質和特徵[]
變角速度下的促動彈簧高速凸輪機構設計
變速風力發電機的一種新型的功率分配傳動裝置
可變鄰域搜索技術的原理及應用[]
可擴展分布式資料庫系統
可持續發展戰略的蔚山工業園區,南韓-從自發演進到系統性工業共生的擴張(譯文附英文原文或原文出處)[]
可控氣氛對熔化極電弧焊焊接特性的影響[]
可維修系統的實用可靠性分析[]
可編程式控制制器與PC過程式控制制[]
可記錄數字通用光碟的殘余應力
各向同性圓柱螺旋彈簧的有限元法應力分析
合作性分布式製造管理系統
合金元素對鎂合金阻燃性能的影響[]
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噴墨列印機印刷頭在非藝術圖型應用中的外觀和性能設計[]
國家點火裝置
國家點火裝置在線可替換單元
國際機械傳動學術會議報告選摘(Ⅰ)[]
在ITER 抗電子干擾措施上發射操縱機構中關鍵部件的設計[]
在一個復雜信息環境下的MES敏捷調度[]
在冷軋薄帶鋼過程中的接觸力學和工作輥磨損
在動態和隨機交通網路期待的最短路徑(譯文附英文原文或原文出處)[]
在小、微型企業中發展邁向更清潔的技術:針對印度鑄造業的一個基於過程的個案研究[]
在工業鍋爐管與管板焊接中,殘余應力及其消除的實驗研究[]
在報紙行業中關於整合多品種生產和配送的研究[]
在橋式和龍門式起重機中一個控制器精確定位和減小振動的方法
在歐洲東南部,物流信息系統和供應鏈管理的現狀與發展方向(譯文附英文原文或原文出處)[]
在注塑成型中的流動優化[]
在線實時採集的瞬態溫度在吹塑中的應用[]
在陰極鞘層的形成期間在預電離高氣壓輝光放電時的光發射[]
地鐵安全門對環境控制系統的能源消耗的影響
垂直離心機中的模具填充模擬實驗[]
城市輕軌[]
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基於DSP的FFT分析儀在旋轉機械故障診斷振動分析中的應用[]
基於EPGA數控機床鞋楦加工刀具軌跡計算[]
基於GA的地鐵轉向架綜合測試台載入系統的控制
基於LABVIEW環境的遠程過程監測[]
基於PC的開放式結構數控軟體系統開發[]
基於USB的虛擬示波器的實現[]
基於全息譜技術和遺傳演算法一個新領域平衡法的轉子系統
基於嵌入式實時操作系統(RTOS)的建築機械智能顯示儀器的研究[]
基於巨磁電阻(GMR)的角度感測器
基於提高生產效率的304L不銹鋼TIG焊的二氧化硅塗層的優化設計[]
基於旋轉機械故障診斷的人工神經網路利用小波變換作為預處理[]
基於有限元方法的板料成形模具可靠性設計[]
基於有限元法的鋼連接件的可靠性分析
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基於結構方法的消聲器邊界元分析[]
基於聯動機制理論的自動組合夾具規劃[]
基於自聯想神經網路和小波變換的旋轉機械故障診斷
基於草圖的概念機設計綜合與建模方法及其實現[]
基於觀測器適應控制機械人:模糊系統方法
基於遺傳演算法的一個二維切割問題的多目標優化[]
基於風洞測試方法的塔式起重機暴風非工作狀態性能研究
塔式起重機在建築工地作業的三維可視化和模擬模擬[]
復合材料體:從CAD表達到快速原型中的數據格式[]
多尺度信號自動處理, 車輛噪音和振動質量分析
大型數控機床的系列化設計
天然纖維復合材料窗框的注射成型模擬分析[]
安全車門的控制系統在城市輕軌過境線的能源優化設計
定製鞋楦的數控銑削加工[]
實時檢測電阻焊在金屬薄板生產中的焊點質量[]
實時穩健夾物檢測演算法在汽車中的應用[]
實現人人共享的操作模式
寬幅印刷系統的動態調定線[]
密封熔煉爐中HFC-134a氣體對合金AZ91D保護效果的研究[]
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濾波器組的動態時程分析和小波變換[]
激光焊接和時效處理6061和6013鋁合金的顯微結構的研究[]
靈活回報政策下三級供應鏈的協調策略[]
熱帶軋機工作輥的膨脹控制[]
熱帶軋機的模擬模擬[]
熱軋中的數據採集和監控[]
熱軋帶鋼精軋機控制器的設計[]
熱軋帶鋼軋機中具有軋輥力的寬度自動控制和精整垂直軋機的寬度自動控制的寬度控制系統[]
焊接工藝對鋼制壓力容器等級趾裂紋性質的影響
燃氣輪機葉片多工步鍛造過程的三維有限元模擬[]
燃燒室形狀為凹腔的汽車發動機的熱湍流數值分析[]
物流信息標准化 現代物流的基礎[]
牽引電機絕緣試驗的驗證[]
現代軋制設備[]
現代齒輪計算
現有塔式起重機的自動化 經濟和科技的可行性
球墨鑄鐵在輪式裝載機鏟斗頂端的使用
生產的新趨勢[]
生成鞋楦的變螺距螺旋刀具軌跡演算法[]
用GT-Power進行生物柴油發動機燃燒建模[]
用三維有限元的方法預測沒有平均流量的消聲器的傳遞損失[]
用二自由度H∞控制器進行張力控制的卷取系統[]
用於建築和服務行業的最小自由度混合式爬竿與操作機器人的設計與樣機研究[]
用於旋轉軸的非接觸電容式感測器[]
用於液壓馬達的新型連續變位移機構
用於電阻抗斷層成像的精密恆流源[]
用於逆向工程和探傷的自動激光掃描系統
用於高精度定位控制系統的高性能可變PI-P結構[]
用新的互動式的和豐富的媒體教學環境轉變學習-虛擬實驗室的案例研究報告[]
用最優化觀點模型化工藝規程問題[]
用有限元力分析患狹窄症的血管[]
用比較法測量聲功率的B型不確定度
用液壓成形方法生產汽車車身的實驗和數字分析[]
用神經網路預測行駛車速[]
用計算機輔助方法開發新的焊接材料[]
用邊界元分析直通管式復合型消聲器[]
由於使用潤滑油不當引起的直升機主旋翼驅動板組件中螺栓的失效
電控變速器( ESG)—雙離合器變速器在輕度混合動力系統中的持續發展[]
電氣光催化在自我組織TiO2納米管[]
電液伺服系統的映射控制
電源特性對短路過渡CO2焊的影響作用[]
電阻點焊焊接時間對汽車板材機械性能的影響[]
電阻點焊焊接電流通電時間長短對汽車薄板機械性能的影響[]
電阻點焊系統的先進控制方法
盤式制動器[]
相乾性和基於強度的方法識別雜訊源
相比AZ80稀土鎂合金ZE41、 QE22、EV31A應力腐蝕開裂性能[]
真空中向玻璃纖維樹脂纖維中加入碳纖維讓其能夠抵抗霉變的方法[]
知識模型在夾具設計過程中的應用[]
礦井提升機繩索的失效分析[]
礦井提升機:控制系統的研究
礦井提升繩的失效分析
砂帶磨削表面結構的效率及對接觸和磨料磨損的建模[]
砂帶磨削進行曲面加工時解決Signorini問題的一種有效的方法
砂輪磨料的固化過程對砂輪的影響[]
離心鑄造技術生產鋁硅合金結構件的優勢G Chirita,D.Soares,F.S.Silva[]
離心鑄造鈦鋁合金排氣閥門[]
移動供給鏈管理:實施的難題[]
空間摩擦學手冊(1.6節、1.7節)
空間摩擦學手冊:接觸表面[]
粗糙表面的彈性接觸大小波長粗糙峰的影響
精確多軸運動控制系統的設計[]
索道運輸系統中的非線性結構模型[]
綠色製造的工藝規劃支持系統及其應用[]
網路有限元分析系統對齒輪傳動的研究[]
網路機械信息系統快速調節:快速部署式電纜機器人[]
網路經濟與中國航空業[]
美國國家標准化組織[]
考慮單迴路定向流動模式的柔性系統的布置設計
考慮液壓系統調制誤差的自動變速器的二自由度轉速控制的研究
膠粘劑對單節點懸臂梁橫向自由振動的影響[]
能量回收混合制動系統
腦力負荷的動態模型和人類在復雜系統中的效率[]
自動化導引車的調度[]
自動導引車的調度
自動概念模型的優化及客車的穩健性設計[]
自由落體運動范圍的檢測平台[]
自適應控制的一類非線性系統的一種未知的反彈樣磁滯[]
自適應脈沖控制的電子節氣門[]
獲得綜合平順性和操縱性能的多目標優化懸架控制
蒸汽管道法蘭盤螺栓失效分析
虛擬儀器在測試系統開發中的應用[]
螺旋壓力機[]
螺桿真空泵的性能預測的研究
觀察控制加熱火爐溫度的混合方法[]
觸筆數字轉換器的工作原理[]
計算機圖形學中OpenGL的詮釋
計算機輔助夾具設計驗證
計算流體力學方法分析液壓滑閥的壓力損失
設備管理系統[]
設計和開發的一個液壓機械手
設計配置的汽車儀錶板的液晶顯示器[]
設計階段機械產品的維修性和安全性指標[]
評價一款客車對於年輕乘客的吸引力的衡量尺度[]
評估ERP的成功:從關鍵用戶的角度得到組織中一個切實可行的IS[]
調整比率KGEN–LP=HGEN抑制渦輪葉片的振動
G. 科學家從什麼得到啟示發明了什麼
鳥和飛機
魚和潛水艇
蝙蝠和雷達
海豚和聲納
下面是我查到的資料
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在我國,早就有著模仿生物的事例。相傳在公元前三千多年,我們的祖先有巢氏模仿鳥類在樹上營巢,以防禦猛獸的傷害;四千多年前,我們的祖先「見飛蓬轉而知為車」,即見到隨風旋轉的飛蓬草而發明輪子,做有裝成輪子的車。古代廟宇中大殿之前的山門的建造,就其建築結構來看,頗有點像大象的架勢,柱子又圓又粗,彷彿像大象的腿。
我國古代勤勞勇敢的勞動人民對於絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想。根據秦漢時期史書記載,兩千多年前,我國人民就發明了風箏,並且應用於軍事聯絡。春秋戰國時代,魯國匠人魯班,本名公輸般,首先開始研製能飛的木鳥;並且他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉得到啟示而發明了鋸子。據《杜陽雜編》記載,唐朝有個韓志和,「善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀,飲啄動靜與真無異,以關戾置於腹內,發之則凌雲奮飛,可高達三丈至一二百步外,始卻下。」西漢時期,有人用鳥的羽毛做成翅膀,從高台上飛下來,企圖模仿鳥的飛行。以上幾例,足以說明我國古代勞動人民對鳥類的撲翼和飛行,進行了細致的觀察和研究,這也是最早的仿生設計活動之一。明代發明的一種火箭武器「神火飛鴉」,也反映了人們向鳥類借鑒的願望。
我國古代勞動人民對水生動物——魚類的模仿也卓有成效。通過對水中生活的魚類的模仿,古人伐木鑿船,用木材做成魚形的船體,仿照魚的胸鰭和尾鰭製成雙槳和單櫓,由此取得水上運輸的自由。後來隨製作水平提高而出現的龍船,多少受到了不少動物外形的影響。古代水戰中使用的火箭武器 「火龍出水」,多少有點模仿動物的意思。以上事例說明,我國古代勞動人民早期的仿生設計活動,為開發我國光輝燦爛的古代文明,創造了非凡的業績。
外國的文明史上,大致也經歷了相似的過程。在包含了豐富生產知識的古希臘神話中,有人用羽毛和蠟做成翅膀,逃出迷宮;還有泰爾發明了鋸子,傳說這是從魚背骨和蛇的齶骨的形狀受到啟示而創造出來的。十五世紀時,德國的天文學家米勒製造了一隻鐵蒼蠅和一隻機械鷹,並進行了飛行表演。
一八ОΟ年左右,英國科學家、空氣動力學的創始人之一—凱利,模仿鱒魚和山鷸的紡錘形,找到阻力小的流線型結構。凱利還模仿鳥翅設計了一種機翼曲線,對航空技術的誕生起了很大的促進作用。同一時期,法國生理學家馬雷,對鳥的飛行進行了仔細的研究,在他的著作《動物的機器》一書中,介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關系。德國人亥姆霍茲也從研究飛行動物中,發現飛行動物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。人們通過對鳥類飛行器官的詳細研究和認真的模仿,根據鳥類飛行機構的原理,終於製造了能夠載人飛行的滑翔機。
後來,設計師又根據鶴的體態設計出了掘土機的懸臂,在一戰期間,人們從毒氣戰倖存的野豬身上中獲得啟示,模仿野豬的鼻子設計出了防毒面具。在海洋中浮沉靈活的潛水艇又是運用了哪些原理?雖然我們無據考察潛艇設計師在設計潛艇時是否請教了生物界,但是不難設想,設計師一定懂得魚鰾是魚類用來改變身體同水的比重,使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陸兩棲動物,體育工作者就是認真研究了青蛙在水中的運動姿勢,總結出一套既省力、又快速的游泳動作——蛙泳。另外,為潛水員製作的蹼,幾乎完全按照青蛙的後肢形狀做成,這就大大提高了潛水員在水中的活動能力
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系起來了。
蒼蠅是聲名狼藉的「逐臭之夫」,凡是腥臭污穢的地方,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。
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沖,送往大腦。大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈沖的不同,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。
仿生學家由此得到啟發,根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能,仿製成功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
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,所以又被稱為「冷光」。
在眾多的發光動物中,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。
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,它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。在熒光酶的作用下,熒光素在細胞內水分的參與下,與氧化合便發出熒光。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熒光素,後來又分離出了熒光酶,接著,又用化學方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、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,作為安全照明用。
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,統稱為「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、電鯰和電鰻。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;非洲電鯰能產生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。
電魚放電的奧秘究竟在哪裡?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。電鰻的發電器呈棱形,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;電鯰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,以電魚發電器官為模型,設計出世界上最早的伏打電池。因為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,還給人們這樣的啟示: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
「燕子低飛行將雨,蟬鳴雨中天放晴。」生物的行為與天氣的變化有一定關系。沿海漁民都知道,生活在沿岸的魚和水母成批地游向大海,就預示著風暴即將來臨。
水母,又叫海蜇,是一種古老的腔腸動物,早在5億年前,它就漂浮在海洋里了。這種低等動物有預測風暴的本能,每當風暴來臨前,它就游向大海避難去了。
原來,在藍色的海洋上,由空氣和波浪摩擦而產生的次聲波 (頻率為每秒8—13次),總是風暴來臨的前奏曲。這種次聲波人耳無法聽到,小小的水母卻很敏感。仿生學家發現,水母的耳朵的共振腔里長著一個細柄,柄上有個小球,球內有塊小小的聽石,當風暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時,聽石就剌激球壁上的神經感受器,於是水母就聽到了正在來臨的風暴的隆隆聲。
仿生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。把這種儀器安裝在艦船的前甲板上,當接受到風暴的次聲波時,可令旋轉360°的喇叭自行停止旋轉,它所指的方向,就是風暴前進的方向;指示器上的讀數即可告知風暴的強度。這種預測儀能提前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。
蝙蝠的超聲波,發明雷達
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范圍越來越廣泛,特別是仿生學方面的任何成就,都來自生物的某種特性。
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,為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偽裝缺乏認識的情況,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偽裝。因此,盡管德軍費盡心機,但列寧格勒的軍事基地仍安然無惹,為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,大大減少了戰斗中的傷亡。
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、三網路,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啟發,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
屁步甲炮蟲自衛時,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,瞬間就成為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,德國納粹為了戰爭的需要,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,安裝在飛航式導彈上,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啟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秒內混合並發生反應,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,並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,蜻蜒的飛行行為簡單,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。
為了研究滑翔飛行和碰撞的空氣動力學以及其飛行的效率,一個四葉驅動,用遠程水平儀控制的機動機翼(翅膀)模型被研製,並第一次在風洞內測試了各項飛行參數。
第二個模型試圖安裝一個以更快頻率飛行的翅膀,達到每秒18次震動的速度。有特色的是,這個模型採用了可變可調節前後兩對機翼之間相差的裝置。
研究的中心和長遠目標,是要研究使用「翅膀」驅動的飛機表現,以及與傳統的螺旋推動器驅動的飛機效率的比較等等。
蒼蠅與仿生
家蠅的特別之處在於它的快速的飛行技術,這使得它很難被人類抓住。即使在它的後面也很難接近它。它設想到了每一種情況,非常小心,並能快速移動。那麼,它是怎麼做到的呢?
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,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,即使是飛機在最復雜的急轉彎時也萬無一失。蒼蠅的復眼包含4000個可獨立成像的單眼,能看清幾乎360。范圍內的物體。在蠅眼的啟示下,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沖的方式,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、生產的安全系數更為准確、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,令許多專家贊嘆不止。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,是建築及製造太空梭、宇宙飛船、人造衛星等的理想材料。蜜蜂復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,可利用太陽准確定位。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大量研究,英國一飛機製造公司從其垂直起跳的方式受到啟發,成功製造出了一種幾乎能垂直起落的鷂式飛機。現代電視技術根據昆蟲單復眼的構造特點,造出了大屏幕彩電,又可將一台台小彩電熒光屏組成一個大畫面,且可在同一屏幕上任意位置框出某幾個特定的小畫面,既可播映相同的畫面,又可播映不同的畫面。科學家根據昆蟲復眼的結構特點研製成功的多孔徑光學系統裝置,更易於搜索到目標,已在國外一些重要武器系統中應用。根據某些水生昆蟲的組成復眼的單眼之間相互抑制的原理,製成的側抑制電子模型,用於各類攝影系統,拍出的照片可增強圖像邊緣反差和突出輪廓,還可用來提高雷達的顯示靈敏度,也可用於文字和圖片識別系統的預處理工作。美國利用昆蟲復眼加工信息及定向導航原理,研製了具有很大實用價值的仿昆蟲復眼尋的末制導導引頭的工程模型。日本利用昆蟲形態及特性開發研製了六足機器人等工學機器和建築物的新構造方式。
未來展望
昆蟲在億萬年的進化過程中,隨著環境的變遷而逐漸進化,都在不同程度地發展著各自的生存本領。隨著社會的發展,人們對昆蟲的各種生命活動掌握得越來越多,越來越意識到昆蟲對人類的重要性,再加上信息技術特別是計算機新一代生物電子技術在昆蟲學上的應用,模擬昆蟲的感應能力而研製的檢測物質種類和濃度的生物感測器,參照昆蟲神經結構開發的能夠模仿大腦活動的計算機等等一系列的生物技術工程,將會由科學家的設想變為現實,並進入各個領域,昆蟲將會為人類做出更大的貢獻
H. 下列情況下,使托里拆利實驗測得數值減小的是( )
A
托里拆利實驗是一個測定大氣壓的實驗。使托里拆利實驗測得數值減小,即要使大氣壓減小。我們知道自然條件下大氣壓只與海拔高度有關,且海拔越低,氣壓越低,故選A
下面是該實驗方法,參考一下會有一點用處。
1.一隻手握住玻璃管中部,在管內灌滿水銀,排除空氣,用另一隻手的食指緊緊堵住玻璃管開口端把玻璃管小心地倒插在盛有水銀的槽里待開口端全部浸入水銀槽內時放開手指,將管子豎直固定當管內外汞液液面的高度差約為760mm時,它就停止下降,讀出水銀柱的豎直高度。 2.逐漸傾斜玻璃管,管內水銀柱的豎直高度不變。 3.繼續傾斜玻璃管,當傾斜到一定程度,管內充滿水銀,說明管內確實沒有空氣,而管外液面上受到的大氣壓強,正是大氣壓強支持著管內760mm高的汞柱,也就是大氣壓跟760mm高的汞柱產生的壓強相等。 4.用內徑不同的玻璃管和長短不同的玻璃管重做這個實驗(或同時做,把它們並列在一起對比),可以發現水銀柱的豎直高度不變。說明大氣壓強與玻璃管的粗細、長短無關。 5.將長玻璃管一端用橡皮塞塞緊封閉,往管中注滿紅色水,用手指堵住另一端,把玻璃管倒插在水中,松開手指。觀察現象並提問學生:「如把頂端橡皮塞拔去,在外部大氣壓強作用下,水柱會不會從管頂噴出?」然後演示驗證,從而消除一些片面認識,加深理解。 6.通常人們把高760毫米汞柱所產生的壓強,作為1個標准大氣壓符號為1atm(atm為壓強的非法定單位),1atm的值約為1.013×10^5Pa
I. 仿生學的發明
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「復眼」,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復制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,給了人類哪些啟發?模仿這些本領,人類又可以造出什麼樣的機器?這里要介紹的一門新興科學——仿生學。
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·芬奇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,可以認為是人類仿生的先驅,也是仿生學的萌芽。
【發人深省的對比】
人類仿生的行為雖然早有雛型,但是在20世紀40年代以前,人們並沒有自覺地把生物作為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啟示。
首先是對生物原型的研究。根據生產實際提出的具體課題,將研究所得的生物資料予以簡化,吸收對技術要求有益的內容,取消與生產技術要求無關的因素,得到一個生物模型;第二階段是將生物模型提供的資料進行數學分析,並使其內在的聯系抽象化,用數學的語言把生物模型「翻譯」成具有一定意義的數學模型;最後數學模型製造出可在工程技術上進行實驗的實物模型。當然在生物的模擬過程中,不僅僅是簡單的仿生,更重要的是在仿生中有創新。經過實踐——認識——再實踐的多次重復,才能使模擬出來的東西越來越符合生產的需要。這樣模擬的結果,使最終建成的機器設備將與生物原型不同,在某些方面甚上超過生物原型的能力。例如今天的飛機在許多方面都超過了鳥類的飛行能力,電子計算機在復雜的計算中要比人的計算能力迅速而可靠。
仿生學的基本研究方法使它在生物學的研究中表現出一個突出的特點,就是整體性。從仿生學的整體來看,它把生物看成是一個能與內外環境進行聯系和控制的復雜系統。它的任務就是研究復雜系統內各部分之間的相互關系以及整個系統的行為和狀態。生物最基本的特徵就是生物的自我更新和自我復制,它們與外界的聯系是密不可分的。生物從環境中獲得物質和能量,才能進行生長和繁殖;生物從環境中接受信息,不斷地調整和綜合,才能適應和進化。長期的進化過程使生物獲得結構和功能的統一,局部與整體的協調與統一。仿生學要研究生物體與外界刺激(輸入信息)之間的定量關系,即著重於數量關系的統一性,才能進行模擬。為達到此目的,採用任何局部的方法都不能獲得滿意的效果。因此,仿生學的研究方法必須著重於整體。
仿生學的研究內容是極其豐富多彩的,因為生物界本身就包含著成千上萬的種類,它們具有各種優異的結構和功能供各行業來研究。自從仿生學問世以來的二十幾年內,仿生學的研究得到迅速的發展,且取得了很大的成果。就其研究范圍可包括電子仿生、機械仿生、建築仿生、化學仿生等。隨著現代工程技術的發展,學科分支繁多,在仿生學中相應地開展對口的技術仿生研究。例如:航海部門對水生動物運動的流體力學的研究;航空部門對鳥類、昆蟲飛行的模擬、動物的定位與導航;工程建築對生物力學的模擬;無線電技術部門對於人神經細胞、感覺器宮和神經網路的模擬;計算機技術對於腦的模擬似及人工智慧的研究等。在第一屆仿生學會議上發表的比較典型的課題有:「人造神經元有什麼特點」、「設計生物計算機中的問題」、「用機器識別圖像」、「學習的機器」等。從中可以看出以電子仿生的研究比較廣泛。仿生學的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究,即動物的感覺器官、神經元、神經系統的整體作用。以後在機械仿生和化學仿生方面的研究也隨之開展起來,近些年又出現新的分支,如人體的仿生學、分子仿生學和宇宙仿生學等。
總之,仿生學的研究內容,從模擬微觀世界的分子仿生學到宏觀的宇宙仿生學包括了更為廣泛的內容。而當今的科學技術正是處於一個各種自然科學高度綜合和互相交叉、滲透的新時代,仿生學通過模擬的方法把對生命的研究和實踐結合起來,同時對生物學的發展也起了極大的促進作用。在其它學科的滲透和影響下,使生物科學的研究在方法上發生了根本的轉變;在內容上也從描述和分析的水平向著精確和定量的方向深化。生物科學的發展又是以仿生學為渠道向各種自然科學和技術科學輸送寶貴的資料和豐富的營養,加速科學的發展。閃此,仿生學的科研顯示出無窮的生命力,它的發展和成就將為促進世界整體科學技術的發展做出巨大的貢獻。
【仿生學的研究范圍】
仿生學的研究范圍主要包括:力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。
◇力學仿生,是研究並模仿生物體大體結構與精細結構的靜力學性質,以及生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環境中運動的動力學性質。例如,建築上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建築,模仿股骨結構建造的立柱,既消除應力特別集中的區域,又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結構,把人工海豚皮包敷在船艦外殼上,可減少航行揣流,提高航速;
◇分子仿生,是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。例如,在搞清森林害蟲舞毒蛾性引誘激素的化學結構後,合成了一種類似有機化合物,在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克,便可誘殺雄蟲;
◇能量仿生,是研究與模仿生物電器官生物發光、肌肉直接把化學能轉換成機械能等生物體中的能量轉換過程;
◇信息與控制仿生,是研究與模擬感覺器官、神經元與神經網路、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。例如,根據象鼻蟲視動反應製成的「自相關測速儀」可測定飛機著陸速度。根據鱟復眼視網膜側抑制網路的工作原理,研製成功可增強圖像輪廓、提高反差、從而有助於模糊目標檢測的—些裝置。已建立的神經元模型達100種以上,並在此基礎上構造出新型計算機。
模仿人類學習過程,製造出一種稱為「感知機」的機器,它可以通過訓練,改變元件之間聯系的權重來進行學習,從而能實現模式識別。此外,它還研究與模擬體內穩態,運動控制、動物的定向與導航等生物系統中的控制機制,以及人-機系統的仿生學方面。
某些文獻中,把分子仿生與能量仿生的部分內容稱為化學仿生,而把信息和控制仿生的部分內容稱為神經仿生。
仿生學的范圍很廣,信息與控制仿生是一個主要領域。一方面由於自動化向智能控制發展的需要,另一方面是由於生物科學已發展到這樣一個階段,使研究大腦已成為對神經科學最大的挑戰。人工智慧和智能機器人研究的仿生學方面——生物模式識別的研究,大腦學習記憶和思維過程的研究與模擬,生物體中控制的可靠性和協調問題等——是仿生學研究的主攻方面。
控制與信息仿生和生物控制論關系密切。兩者都研究生物系統中的控制和信息過程,都運用生物系統的模型。但前者的目的主要是構造實用人造硬體系統;而生物控制論則從控制論的一般原理,從技術科學的理論出發,為生物行為尋求解釋。
最廣泛地運用類比、模擬和模型方法是仿生學研究方法的突出特點。其目的不在於直接復制每一個細節,而是要理解生物系統的工作原理,以實現特定功能為中心目的。—般認為,在仿生學研究中存在下列三個相關的方面:生物原型、數學模型和硬體模型。前者是基礎,後者是目的,而數學模型則是兩者之間必不可少的橋梁。
由於生物系統的復雜性,搞清某種生物系統的機制需要相當長的研究周期,而且解決實際問題需要多學科長時間的密切協作,這是限制仿生學發展速度的主要原因。
【仿生學的現象】
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系起來了。
蒼蠅是聲名狼藉的「逐臭之夫」,凡是腥臭污穢的地方,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。
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沖,送往大腦。大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈沖的不同,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。
仿生學家由此得到啟發,根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能,仿製成功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
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,所以又被稱為「冷光」。
在眾多的發光動物中,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。
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,它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。在熒光酶的作用下,熒光素在細胞內水分的參與下,與氧化合便發出熒光。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熒光素,後來又分離出了熒光酶,接著,又用化學方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、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,作為安全照明用。
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,統稱為「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、電鯰和電鰻。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;非洲電鯰能產生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。
電魚放電的奧秘究竟在哪裡?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。電鰻的發電器呈棱形,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;電鯰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,以電魚發電器官為模型,設計出世界上最早的伏打電池。因為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,還給人們這樣的啟示: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
「燕子低飛行將雨,蟬鳴雨中天放晴。」生物的行為與天氣的變化有一定關系。沿海漁民都知道,生活在沿岸的魚和水母成批地游向大海,就預示著風暴即將來臨。
水母,又叫海蜇,是一種古老的腔腸動物,早在5億年前,它就漂浮在海洋里了。這種低等動物有預測風暴的本能,每當風暴來臨前,它就游向大海避難去了。
原來,在藍色的海洋上,由空氣和波浪摩擦而產生的次聲波 (頻率為每秒8—13次),總是風暴來臨的前奏曲。這種次聲波人耳無法聽到,小小的水母卻很敏感。仿生學家發現,水母的耳朵的共振腔里長著一個細柄,柄上有個小球,球內有塊小小的聽石,當風暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時,聽石就剌激球壁上的神經感受器,於是水母就聽到了正在來臨的風暴的隆隆聲。
仿生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。把這種儀器安裝在艦船的前甲板上,當接受到風暴的次聲波時,可令旋轉360°的喇叭自行停止旋轉,它所指的方向,就是風暴前進的方向;指示器上的讀數即可告知風暴的強度。這種預測儀能提前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。
開放分類:
生物、自然科學、自然、仿生學、學科