仿生类比
我们不再对周围的生命感到惊讶了,觉得一切都那么理所当然。
但是,鸽子、猎豹、蜜蜂、苍蝇、毛毛虫……它们真的像我们想象的那么简单吗?为什么鸟儿的身体具有如此完美的曲线?为什么蜘蛛能编织出经纬度恰到好处的网?为什么蝙蝠能在夜间自由飞翔?
这些神奇的生物引起了科学家的兴趣。在20世纪60年代出现了仿生学这门科学,这是专门研究如何在工程上应用生物功能的学科。仿生类比思考法就是对仿生学的应用,旨在把生物的结构和功能应用在机械设计、工程原理等方面,从而产生新的功能和技术,创造出新的发明。比如,雷达是以蝙蝠为原型发明的。此外,人们还以人类的手臂为原型制作了机械手,以蜻蜓的翅膀为为原型开发出了一种超轻的高强度材料……
一些我们平日里毫不在意的小生物,也许能给我们带来重大的启发。
苍蝇是细菌的传播者,是人类最深恶痛绝的害虫之一。但是我们应用形象思考之后,可以把苍蝇身体的独特的结构和功能应用起来。
苍蝇的楫翅是“天然导航仪”,人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器安装在火箭和高速飞机上,可以实现自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”,由3000多只小眼组成,人们模仿复眼制成了由上千块小透镜组成的“蝇眼透镜”。蝇眼透镜作为一种新型的光学元件,在很多领域都有价值。比如用“蝇眼透镜”做镜头可以制成“蝇眼照相机”,一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路等方面,大大提高了工作效率。
其实人类很早就向动物学习了,比如向鸟学习筑巢,向青蛙学习游泳。但是直到20世纪60年代,人们才开始有意识地研究生物的构造、行为和习性,把其中的自然原理利用起来。
在进行仿生类比思维训练的时候,我们可以从生物的构造、行为和习性三方面着手来发现生物中对我们有价值的地方:以生物的构造为出发点进行类比思考,人们模仿蜂巢结构建造的墙壁,大大减轻了建筑物的自重;以生物的行为出发点进行类比思考,医学专家通过研究袋鼠的育儿行为,研制出模仿袋鼠育儿袋的装置,拯救了很多早产的婴儿;以生物的习性为出发点进行类比思考,英国的一位人类学家从猩猩每天要吃的阿斯辟里亚灌木的树叶中提炼出高效杀菌剂。
此外,根据萤火虫发明日光灯也是对仿生类比思考法的一次典型的运用。
在众多的发光动物中,萤火虫发出冷光(发出的光不产生热)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,光的强度也比较高。科学家研究发现,萤火虫的发光器位于腹部,由发光层、透明层和反射层3部分组成。发光层拥有几千个发光细胞,细胞中含有荧光素和荧光酶两种物质。在荧光酶的作用下,荧光素与细胞内的水分和氧气化合便发出荧光。萤火虫之所以能发光,实质上是它把化学能转变成了光能。随后,人们根据对萤火虫的研究发明了日光灯,其发光原理是通电后灯丝发热,使灯管中的水银蒸发成气体释放出大量电子,电子的高速撞击产生紫外线,紫外线作用于灯管内壁的荧光粉则会发出自然而柔和的灯光。
尽管人类自称为万物之灵,使自然界发生了翻天覆地的变化,制造了很多巧夺天工的物品,但是在大自然面前我们不得不承认,生物具有的功能比迄今人类制造的任何一种机械都要完美。因此人们为了提高各种仪器、装置和机械的性能不得不向生物学习。
仿生学也是与控制论有密切关系的一门学科,而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较,进行研究和解释的一门学科。生物体的结构与功能在机械设计方面给了人类很大启发,把两者进行类比,我们可以得到改进机械设计的新思路。我们可以把生物的感觉功能与信息接受系统进行类比,把生物的神经功能与信息传递系统进行类比,把生物的造型与机械的结构进行类比等等。比如,将海豚的体形或皮肤结构应用到潜水艇的设计原理上,可以使潜水艇在水底行驶的时候避免产生紊流。
仿生学问世的时间虽然不长,但是已经带给人类客观的研究成果,大大开阔了人类的思维广度。把生物的功能与机械设计和工程原理进行类比,为我们开辟了独特的技术发展的道路。
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