从萤火虫到人工冷光

1、仿生学从萤火虫到人工冷光自从人类发明了电灯，生活变得方便、丰富多了。但 电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光，其余大部分都以热能的形式浪费 掉了，而且电灯的热射线有害于人眼。那么，有没有只发光不发热的光源呢?人类又把目光投向了大自然。在自然界中，有许多生物都能发光，如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲 壳动物、昆虫和鱼类等，而且这些动物发出的光都不产生热，所以又被称为 “冷 光。 ”在众多的发光动物中，萤火虫是其中的一类。萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色，光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅 具有很高的发光效率，而且发出的冷光一般都很柔和，很适合人类的眼睛，光 的强度

2、也比较高。因此，生物光是一种人类理想的光。科学家研究发现，萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明 层和反射层三部分组成。发光层拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧 光酶两种物质。在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合 便发出荧光。萤火虫的发光，实质上是把化学能转变成光能的过程。早在 40 年代，人们根据对萤火虫的研究，创造了日光灯，使人类的照明光 源发生了很大变化。近年来，科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光 素，后来又分离出了荧光酶，接着，又用化学方法人工合成了荧光素。由荧光 素、荧光酶、ATP三磷酸腺苷）和水混合而成的生物光源，可在充满爆炸性瓦斯的 矿井

3、中当闪光灯。由于这种光没有电源，不会产生磁场，因而可以在生物光源 的照明下，做清除磁性水雷等工作。现在，人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光，作为 安全照明用。电鱼与 xx 电池自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有 500 余种。人们将这些 能放电的鱼，统称为 “电鱼”。各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。中 等大小的电鳐能产生 70伏左右的电压 ,而非洲电鳐能产生的电压高达 220 伏；非 洲电鲶能产生 350 伏的电压；电鳗能产生 500 伏的电压，有一种南美洲电鳗竟 能产生高达 880 伏的电压，称得上电击冠军 ,据说它能击毙像马那样的大

4、动物。电鱼放电的奥秘究竟在哪里 ?经过对电鱼的解剖研究，终于发现在电鱼体内 有一种奇特的发电器官。这些发电器官是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形 细胞构成的。由于电鱼的种类不同，所以发电器的形状、位置、电板数都不一 样。电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的发电器形似扁 平的肾脏，排列在身体中线两侧，共有 200万块电板 ;电鲶的发电器起源于某种 腺体，位于皮肤与肌肉之间 ,约有 500 万块电板。单个电板产生的电压很微弱， 但由于电板很多，产生的电压就很大了。电鱼这种非凡的本领，引起了人们极大的兴趣。 19 世纪初，意大利物理学 家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的

5、伏特电池。因为这种电 池是根据电鱼的天然发电器设计的 ,所以把它叫做 “人造电器官 ”。对电鱼的研 究，还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便 能得到很好的解决。水母的顺风耳在自然界中，水母，早在 5 亿多年前，它们就已经在海水里生活了。 “但 是，水母跟顺风耳又有什么关系呢？ ”人们肯定会问这样一个问题。因为，水母 在风暴来临之前，就会成群结队地游向大海，就预示风暴即将来临。但是，这 又与“顺风耳 ”有什么关系呢？原来，在蓝色的海洋上，由空气和波浪摩擦而产 生的次声波（频率为813赫兹），是风暴来临之前的预告。这种次声波，人 耳是听不到的，而对水

6、母来说却是易如反掌。科学家经过研究发现，水母的耳 朵里长着一个细柄，柄上有个小球，球内有块小小的听石。科学家仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，相当精确 地模拟了水母感受次声波的器官。技能训练长颈鹿与宇航员失重现像长颈鹿之所以能将血液通过长长的颈输送到头部，是由于长颈鹿的血压很 高。据测定，长颈鹿的血压比人的正常血压高出 2 倍。这样高的血压为什么不 会导致长颈鹿患脑溢血而死亡呢？这和长颈鹿身体的结构有关。首先，长颈鹿 血管周围的肌肉非常发达，能压缩血管，控制血流量；同时长颈鹿腿部及全身 的皮肤和筋膜绷得很紧，利于下肢的血液向上回流。科学家由此受到启示，在 训练宇航员对，设置一种

7、特殊器械，让宇航员利用这种器械每天锻炼几小时， 以防止宇航员血管周围肌肉退化；在宇宙飞船升空时，科学家根据长颈鹿利用 紧绷的皮肤可控制血管压力的原理，研制了飞行服 “抗荷服 ”。抗荷服上安有 充气装置，随着飞船速度的增高，抗荷服可以充入一定量的气体，从而对血管 产生一定的压力，使宇航员的血压保持正常。同时，宇航员腹部以下部位是套 入抽去空气的密封装置中的，这样可以减小宇航员腿部的血压，利于身体上部 的血液向下肢输送。蛋壳与薄壳建筑蛋壳呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有 2 mm的厚度，但 使用铁锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑 有许多优点：用料少，跨度大

8、，坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼 歌剧院则像一组泊港的群帆。结构构件对于构件，在截面面积相同的情况下，把材料尽可能放到远离中和轴的位 置上，是有效的截面形状。有趣的是，在自然界许多动植物的组织中也体现了 这个结论。例如：“疾风知劲草 ”，许多能承受狂风的植物的茎部是维管状结构，其截面是空 心的。支持人承重和运动的骨骼，其截面上密实的骨质分布在四周，而柔软的 骨髓充满内腔。在建筑结构中常被采用的空心楼板、箱形大梁、工形截面钣梁 以及折板结构、空间薄壁结构等都是根据这条结论得来的。斑马斑马生活在非洲大陆，外形与一般的马没有什么两样，它们身上的条纹是 为适应生存环境而衍化出来的保护

9、色。在所有斑马中，细斑马长得最大最美。 它的肩高 140-160 厘米，耳朵又圆又大，条纹细密且多。斑马常与草原上的牛 羚、旋角大羚羊、瞪羚及鸵鸟等共外，以抵御天敌。人类将斑马条纹应用到军 事上是一个是很成功仿生学例子。昆虫与仿生昆虫个体小，种类和数量庞大，占现存动物的 75%以上，遍布全世界。它 们有各自的生存绝技，有些技能连人类也自叹不如。人们对自然资源的利用范 围越来越广泛，特别是仿生学方面的任何成就，都来自生物的某种特性，本文 简要介绍昆虫与仿生学。蝴蝶与仿生五彩的蝴蝶锦色粲然，如重月纹凤蝶，褐脉金斑蝶等，尤其是萤光翼凤 蝶，其后翅在阳光下时而金黄，时而翠绿，有时还由紫变蓝。科学家通过

10、对蝴 蝶色彩的研究，为军事防御带来了极大的裨益。在二战期间，德军包围了列宁 格勒，企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。苏联昆虫学家施万维奇 根据当时人们对伪装缺乏认识的情况，提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发 现的道理，在军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装。因此，尽管德军费尽心机， 但列宁格勒的军事基地仍安然无惹，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。根 据同样的原理，后来人们还生产出了迷彩服，大大减少了战斗中的伤亡。人造 卫星在太空中由于位置的不断变化可引起温度骤然变化，有时温差可高达两、 三百度，严重影响许多仪器的正常工作。科学家们受蝴蝶身上的鳞片会随阳光 的照射方向自动变换角度而调节体温的

11、启发，将人造卫星的控温系统制成了叶 片正反两面辐射、散热能力相差很大的百叶窗样式，在每扇窗的转动位置安装 有对温度敏感的金属丝，随温度变化可调节窗的开合，从而保持了人造卫星内 部温度的恒定，解决了航天事业中的一大难题。甲虫与仿生气步甲炮虫自卫时，可喷射出具有恶臭的高温液体 “炮弹 ”，以迷惑、刺激 和惊吓敌害。科学家将其解剖后发现甲虫体内有 3 个小室，分别储有二元酚溶液、双氧 水和生物酶。二元酚和双氧水流到第三小室与生物酶混合发生化学反应，瞬间 就成为100C的毒液，并迅速射出。这种原理目前已应用于军事技术中。二战期 间，德国纳粹为了战争的需要，据此机理制造出了一种功率极大且性能安全可 靠的

12、新型发动机，安装在飞航式导弹上，使之飞行速度加快，安全稳定，命中 率提高，英国伦敦在受其轰炸时损失惨重。美国军事专家受甲虫喷射原理的启 发研制出了先进的二元化武器。这种武器将两种或多种能产生毒剂的化学物质 分装在两个隔开的容器中，炮弹发射后隔膜破裂，两种毒剂中间体在弹体飞行 的 810 秒内混合并发生反应，在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌 人。它们易于生产、储存、运输，安全且不易失效。萤火虫可将化学能直接转 变成光能，且转化效率达 100%，而普通电灯的发光效率只有 6%。人们模仿萤 火虫的发光原理制成的冷光源可将发光效率提高十几倍，大大节约了能量。另 外，根据甲虫的视动反应机制研制成功

13、的空对地速度计已成功地应用于航空事 业中。生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线，抗撕断裂降落伞与临时吊桥 用的高强度缆索。船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿。响尾蛇导弹等就是 科学家模仿蛇的 “热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感 知能力的原理，研制开发出来的现代化武器。火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。科研人员通过研究变色龙的变色本领，为部队研制出了不少军事伪装装 备。科学家研究青蛙的眼睛，发明了电子蛙眼。白蚁不仅使用胶粘剂建筑它们的土堆，还可以通过头部的小管向敌人喷射 胶粘剂。于是人们按照同样的原理制造了工作的武器 快干胶炮弹。美国空军通过毒蛇的 “热眼”功能，研究开

14、发出了微型热传感器。我国纺织科技人员利用仿生学原理，借鉴陆地动物的皮毛结构，设计出一种KEG保温面料，并具有防风和导湿的功能。根据响尾蛇的颊窝能感觉到0.001 C的温度变化的原理，人类发明了跟踪追 击的响尾蛇导弹。人类还利用蛙跳的原理设计了蛤蟆夯。人类模仿警犬的高灵 敏嗅觉制成了用于侦缉的 “电子警犬 ”。科学家根据野猪的鼻子测毒的奇特本领 制成了世界上第一批防毒面具。仿生学是人类一直使用的方法，如模仿海豚皮 而构造的 “海豚皮游泳衣 ”、科学家研究鲸鱼的皮肤时，发现其上有沟漕的结 构，于是有个科学家就依照鲸鱼皮构造，造成一个薄膜蒙在飞机的表面，据实 验可节约能源 3%，若全国的飞机都蒙上这

15、样的表面，每年可节约几十亿。又如有科学家研究蜘蛛，发现蜘蛛的腿上没有肌肉，有脚的动物会走，主 要是靠肌肉的收缩。经研究蜘蛛不是靠肌肉的收缩进行走路的，而是靠其中的 “液压”的结构进 行走路，据此人们发明了液压步行机 , 总之,从自然界得到启迪 ,模仿其结构进行 发明创造.这就是仿生学 .这是我们向自然界学习的一个方面。编辑本段仿生学现象简表1.从令人讨厌的苍蝇身上，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经 被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。 2.从萤火虫到人工冷 光；3.电鱼与 xx 电池；4. 水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪， 能提前 15小

16、时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。5. 人们根据蛙眼的视觉原理，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。把电子蛙眼装入雷达系统 后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状 的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞 与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥 车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。6. 根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的 “探路仪 ”。这种探路 仪内装一个超声波发射器，盲人

17、带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如 今，有类似作用的 “超声眼镜 ”也已制成。7. 模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量 的氢气。8. 根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器步行机。9. 现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。10. 屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。11. 船桨模仿的是鸭的蹼。12. 锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。13. 苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。14. 嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。15. 壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。16. 贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手 术的缝合补船等一切事情上。17. 树叶的排列和 xx 大剧院的建设。18. 潜水艇和鱼的沉浮。19. 响尾蛇能感知附近动物的体温而准确捕获猎物和红外制导空对空响尾蛇 导弹。20.人们根据 xx 发明烟雾弹。21. 根据蛋壳发现拱形的承受力量。22. 飞机飞行