大自然的啟示——有趣的仿生學(xué)

教師簡(jiǎn)介

張芳

蘇州市吳江區(qū)七都小學(xué)科學(xué)教師、江蘇省優(yōu)秀科技輔導(dǎo)員、吳江區(qū)科學(xué)學(xué)科帶頭人。每年組織和開(kāi)展各項(xiàng)科技社團(tuán)活動(dòng)，輔導(dǎo)學(xué)生參加江蘇省金鑰匙科技競(jìng)賽、航模賽等多次獲獎(jiǎng)。

在四年級(jí)科學(xué)下冊(cè)第二單元《新的生命》第六課《動(dòng)物的卵》中，

同學(xué)們已經(jīng)學(xué)習(xí)了雞蛋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也了解了雞蛋外部結(jié)構(gòu)的作用。也許大家會(huì)問(wèn)：雞蛋那么薄、那么脆，為什么不容易被捏碎呢？我們學(xué)習(xí)了六年級(jí)科學(xué)上冊(cè)第二單元《形狀與結(jié)構(gòu)》第三課《拱形的力量》后，知道了這與它特有的蛋形曲線和科學(xué)的結(jié)構(gòu)是分不開(kāi)的，它能夠把受到的壓力均勻地分散到蛋殼的各個(gè)部分。

人類正是根據(jù)雞蛋的這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，現(xiàn)在像雞蛋那樣的仿蛋建筑已經(jīng)很普遍了。本期，我們就跟隨蘇州市吳江區(qū)七都小學(xué)的張芳老師，一起走進(jìn)有趣的仿生學(xué)！

仿生學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科，它是以自然界萬(wàn)事萬(wàn)物的形、色、音、功能、結(jié)構(gòu)等為研究對(duì)象，有選擇地在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用這些特征、原理，創(chuàng)造出適用于學(xué)習(xí)、生產(chǎn)和生活的先進(jìn)技術(shù)。它誕生不過(guò)40多年，就已經(jīng)揭示出生物的許多奧秘，并模仿生物的特性制造了許多具有特殊性能的新設(shè)備、新工具。

今天，仿生學(xué)已成為當(dāng)代最引人注意的尖端科學(xué)之一，軍事仿生、交通仿生、建筑仿生、農(nóng)業(yè)仿生、醫(yī)學(xué)仿生及智能機(jī)器仿生等各個(gè)領(lǐng)域的新成果不斷涌現(xiàn)，我們一起來(lái)了解一下吧！

我國(guó)最早的仿生大師——魯班

據(jù)傳，我國(guó)古代杰出的建筑大師魯班在一次上山砍伐途中，手被鋸齒草的邊緣齒劃破了。他好奇地摘下草葉仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)葉子邊緣有兩排鋒利的鋸齒，于是受此啟發(fā)，并經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐，制成了人類史上第一架帶有鋸齒的木工鋸。魯班的發(fā)明和創(chuàng)造故事，實(shí)際上是中國(guó)古代勞動(dòng)人民發(fā)明創(chuàng)造的故事。

動(dòng)物仿生學(xué)

1鱷魚(yú)“流淚”的啟示

兇殘的鱷魚(yú)在吞食獵物時(shí)，總是流著“悲傷”的眼淚，其實(shí)它們是在排泄體內(nèi)多余的鹽分。生活在咸水或海水中的動(dòng)物，體內(nèi)都有一種特殊的結(jié)構(gòu)——鹽腺，各種鹽腺的構(gòu)造基本一樣：中間是一根導(dǎo)管，并向四周輻射出幾千根細(xì)管，跟血管交織在一起，把血液中多余的鹽分離析出來(lái)，再通過(guò)中央的導(dǎo)管排泄到體外。

鹽腺是動(dòng)物天然的“咸水淡化器”?？茖W(xué)家從鱷魚(yú)“流淚”中得到啟示，模仿鹽腺的構(gòu)造原理，研制出一種體積小、質(zhì)量輕、效率高、價(jià)格低的仿生海水淡化器，解決了海水淡化的難題。

2電子蛙眼

科學(xué)家在一百多年前做過(guò)兩次青蛙實(shí)驗(yàn)。一次是把一只青蛙放在籠子里，又把幾只活蒼蠅放了進(jìn)去。過(guò)了幾天，他們?nèi)タ辞嗤?，發(fā)現(xiàn)青蛙還活著，蒼蠅卻一只也不剩了。另一次還是把一只青蛙放進(jìn)籠子里，又放進(jìn)幾只死蒼蠅。過(guò)了幾天，他們發(fā)現(xiàn)青蛙竟然被餓死了，蒼蠅一只也沒(méi)少。兩次不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，青蛙的眼睛看活動(dòng)的東西特別敏銳，對(duì)靜止的東西卻視而不見(jiàn)。科學(xué)家根據(jù)青蛙的眼睛能夠敏捷地發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)著的目標(biāo)，迅速判斷目標(biāo)的位置、運(yùn)動(dòng)方向以及速度的特性，發(fā)明了電子蛙眼。

電子蛙眼廣泛運(yùn)用在機(jī)場(chǎng)以及交通要道上。在機(jī)場(chǎng)里，它若監(jiān)控到飛機(jī)要發(fā)生碰撞，會(huì)立刻發(fā)出警告。在交通要道上，它還會(huì)指揮車輛的行駛，防止車輛碰撞事故的發(fā)生。

青蛙的眼睛還有一種特殊的功能，可以識(shí)別不同的圖像?？茖W(xué)家經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，把電子蛙眼改裝成了商電子蛙眼場(chǎng)里的監(jiān)控器。監(jiān)控器通過(guò)光纜傳輸?shù)诫娔X設(shè)備上顯示和保存，可以清楚地看到每個(gè)人在商場(chǎng)里的一舉一動(dòng)，還能記錄下小偷偷東西的全過(guò)程。

3從螢火蟲(chóng)到人工冷光

自從人類發(fā)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(zhuǎn)變成可見(jiàn)光，其余大部分都以熱能的形式浪費(fèi)掉了，而且電燈的熱射線對(duì)人眼有害。那么，有沒(méi)有只發(fā)光、不發(fā)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(fā)光，如細(xì)菌、真菌、蠕蟲(chóng)、軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物、昆蟲(chóng)和魚(yú)類等，而且這些動(dòng)物發(fā)出的光都不產(chǎn)生熱，所以又被稱為“冷光”。在眾多的發(fā)光動(dòng)物中，螢火蟲(chóng)是其中的一類。它們發(fā)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(chóng)不僅具有很高的發(fā)光效率，而且發(fā)出的冷光一般都很柔和，很適合人類的眼睛，光的強(qiáng)度也比較高。于是，科學(xué)家從螢火蟲(chóng)的發(fā)光器中分離出了純熒光素和熒光酶，又用化學(xué)方法人工合成了熒光素。

植物仿生學(xué)

1源于花的靈感

向日葵的最大特點(diǎn)是向陽(yáng)而生，以便吸收到盡可能多的陽(yáng)光。德國(guó)建筑學(xué)家從向日葵中獲得靈感，建成了一幢能隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的向日葵旋轉(zhuǎn)房屋。它裝有如同雷達(dá)一樣的紅外線跟蹤器，只要天一亮，房屋上的馬達(dá)就開(kāi)始啟動(dòng)，使房屋迎著太陽(yáng)緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，始終與太陽(yáng)保持最佳角度，使陽(yáng)光最大限度地照進(jìn)屋內(nèi);夜間，房屋又在不知不覺(jué)中慢慢復(fù)位。這種建筑能夠充分利用太陽(yáng)能，保證房屋的日常供熱和用電，又能將光能儲(chǔ)存起來(lái)，供陰雨天和夜晚使用。

2源于莖的靈感

竹子的竹節(jié)處有橫隔相連，與竹身構(gòu)成一個(gè)整體，這對(duì)中空、細(xì)長(zhǎng)的竹竿的剛度和穩(wěn)定性很有意義，可以協(xié)調(diào)變形，共同參與抗彎作用。受到植物莖節(jié)生長(zhǎng)的啟發(fā)，人們發(fā)明了“春筍建筑法”，把每一層墻板從高度上分成三四段預(yù)制好，然后用液壓千斤頂以1米的行程，反復(fù)頂升，可以很快“長(zhǎng)”成設(shè)計(jì)的建筑。

自行車車架“空心管”的設(shè)計(jì)靈感正來(lái)自麥稈，借鑒其“空心”結(jié)構(gòu)，卻支持比它重幾倍的麥穗力學(xué)原理。制成的自行車既有足夠的強(qiáng)度，又減輕了車身的質(zhì)量。

3源于果實(shí)的靈感

尼龍搭扣的誕生是從果實(shí)中受到啟發(fā)的經(jīng)典案例。瑞士工程師喬治·德·梅斯特拉爾經(jīng)常帶著自己的愛(ài)犬到森林中漫步，每次返回時(shí)，他都發(fā)現(xiàn)褲子和狗身上掛滿了蒼耳、牛蒡等刺果。受好奇心的驅(qū)使，喬治用顯微鏡觀察刺果，發(fā)現(xiàn)無(wú)數(shù)的小鉤子在有毛圈結(jié)構(gòu)的褲料上不會(huì)輕易脫落。經(jīng)過(guò)8年的實(shí)驗(yàn)，他終于發(fā)明了既容易系上又容易解開(kāi)的尼龍搭扣。

大自然的神奇與美麗給我們留下了無(wú)限的遐想。從水母的順風(fēng)耳到風(fēng)暴預(yù)測(cè)儀，從長(zhǎng)頸鹿的身體結(jié)構(gòu)到抗荷飛行服，從五彩斑斕的蝴蝶到迷彩服，從蝙蝠超聲定位器到探路儀，從蚊子呈鋸狀的口器到無(wú)痛針頭......大自然是人類最好的老師，萬(wàn)事萬(wàn)物都能帶給我們啟示。只要留心觀察，善于發(fā)現(xiàn)，就會(huì)有所發(fā)明，有所創(chuàng)造。同學(xué)們，讓我們一起攜手走進(jìn)神圣的科學(xué)殿堂，探索大自然的奧秘吧！