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第14章 生物仿生的故事(4)

在20世纪30年代出现的直升机,由于不需要跑道就能在很小范围内,由地面垂直升起和垂直降落地面,并能将机身悬空定身,因此,它起到了其他飞机所不能起到的作用。例如,野外工作人员在森林、山谷或海面出事,需要急救,这时直升机就可迅速飞到出事地点,降落或悬空放下吊梯,送去医生和药品或将受伤者接去医院急救。直升机主要由旋翼、机身、发动机、升降器和操纵系统等部分组成。用旋翼转动产生升力,不需跑道就能升降,这种本领在鸟类中的蜂鸟早就具有。

蜂鸟是一种纤细的小鸟,最小的蜂鸟比黄蜂还小,主要分布在南美洲和中美洲热带地区。蜂鸟羽色十分艳丽。嘴细长呈管状,舌能自由伸出,有些蜂鸟的舌端呈毛刷状,食花蜜和花上的小虫,常飞行于花丛间,飞行时双翼拍动得很快,每秒能达70次。蜂鸟的飞翔与直升机相同,不但能向前飞、倒退飞和向两侧飞,还能悬空定身飞。蜂鸟的双翼结构与大多数鸟类不同,它们的腕和肘关节几乎不能动,整只翼几乎直挺的由一个转轴关节连接在肩上。通过高速摄影可以看出蜂鸟的飞翔动作与直升机非常相像,所不同的是直升机的旋翼是转圆圈,而蜂鸟的翼是前后划动的。直升机在空中定身不进时,由发动机带动旋翼所成的平面与地面平行旋转,产生升力,升力大于机体体重,机体就上升;小于机体就下降;等于机体就悬停在半空。蜂鸟展开双翼所成平面与地面平行拍动,产生升力,使升力等于蜂鸟体重,就将身体悬停空中。鸟翼向前划时翼缘稍稍倾斜,形成一个上迎角,产生升力,而无前冲力;向后划时,整只翼在肩部作180°转向,使前缘转向后方,于是得到相同的上升力而无推前作用,故使鸟体悬在空中不进不退。直升机利用旋翼向所飞方向倾斜,机身就能向前、后、左、右或任何方向推进或后退。蜂鸟的翼也是如此,蜂鸟也能由地面直接升起。

喷气式飞机是一种高速飞机,到20世纪70年代,涡轮喷气式飞机的最大平飞速度已达音速的3倍以上,飞行高度达3万米。喷气式飞机装配有喷气式航空发动机,主要有涡轮喷气、冲压喷气和脉动喷气三种。利用发动机向后喷气给空气一个作用力,空气也给机身一个大小相等、方向相反的反作用力,推动机身前进,从而提高了飞行速度。“喷气推进”的原理在鸟类尚未发现,但在鱼类、柔鱼和头足类乌贼早就在应用了,不过不是喷气,而是喷水推进。鱼的运动有三种方式:一是肌肉交替收缩和舒张,使鱼左右摆动;二是鳍的摆动;三是鳃孔的向后喷水,使鱼体向前疾进,这是一种重要的运动方式,鱼张口吸水,然后闭嘴使水从鳃孔喷出,借助水给予的反作用力推动躯体前进,这与喷气式飞机喷气推进道理一样。高速运动的鱼类,喷水时,正在鱼体弯曲以后向前推进的一刹那,喷水效果也最大。此外,鱼开始运动时,喷水力量也最大。如果鱼类将一侧鳃盖闭合,使水全部由另一侧鳃盖裂孔中喷出,就可辅助胸鳍使鱼体做急速转弯。虽然人们在制造喷气式飞机时,未必从鱼的喷水推进中得到什么启发,但是,鱼的一侧喷水急转弯这一招是否能给喷气式飞机急速转弯一点启示呢?柔鱼和乌贼一直在应用喷射推进作高速运动,它们身体背侧的皮肤褶襞向下伸展形成外套膜,包围着一个空腔,叫外套腔。在口的周围有10条腕足,足的基部形成一个漏斗,是外套腔通向外界的孔口。漏斗与外套膜以软骨形成的闭锁器相连,水流经过漏斗进入外套腔。当乌贼和柔鱼快速运动时,外套膜肌肉用力收缩,使外套腔内的水急剧由漏斗喷出,身体就借水的反作用而急速游进,可使它的运动速度高达每秒15米。我国造船工业科技人员模拟乌贼的喷水器制成用于浅水航行的喷水拖船。

蛙眼和电子检测器

17世纪初期,一位耶稣教会修士史钦纳将眼球后面逐层剥离。当他将不透明的层剥清后,竟发现在视网膜上显示出一幅那位死者临终前一瞬间所见到的事物的印象。以后直到19世纪末期,人们能用化学物品把视网膜上的印象固定下来,事物通过透镜成像在视网膜上这一见解才被人们公认。最近,俄罗斯破获了一件前苏联遗留下来的骇人听闻的凶杀案,一个灭绝人性的杀人狂在过去19年中,极其残忍地杀害了数十名无辜的妇女和少年,由于凶手过于狡猾,得以长期逍遥法外。破案后,侦破组负责人答记者问时谈及:他们发现被害者的尸体都有一个共同点,就是双眼都被挖去,这一点引起侦破人员的注意,经过仔细分析,认为可能是凶手怕自己的形象在作案时被留在受害人的视网膜上。如果这个分析是正确的话,那么按此推理,凶手具有一定的文化知识,在日常生活中,一定会避免与人正视,同人交往,不敢与人目光对视,并且外出经常戴墨镜等。侦破人员以此线索作为突破点,深入调查,解开一个个疑点,终于挖出凶手。这个凶残而又狡黠的杀人狂害怕视网膜成像留下罪证,企图挖眼毁证,逃避法网,没料到天网恢恢,聪明的俄罗斯侦破员正是根据他的这一行为才打开僵局,最终将他送上审判台。

人们对自己和别的动物的视网膜所知不多。也许永远不能了解客观世界究竟在动物眼内是什么样子,因为在研究和分析中难免不带主观性。通过研究,发现一些动物所见到的世界同人们所见到的并不一样。人的眼睛大体上可说是动物界中最复杂和最完备的了,但是人眼不能感觉到昆虫能感觉到的紫外光,而有些动物不能辨别颜色,蛙眼则对不动的物体没有反应。然而,人们就是根据已知不多的有关视网膜的认识,设计出一批视网膜机能电子模型,并收到很好的应用效果。蛙眼的模拟就是一个较成功的事例。

莱特文和马图兰把微电极插入青蛙视神经上,并接到一台示波器和扬声器上。这样,当青蛙视网膜上感光细胞受到光刺激后产生的电脉冲就会在示波器上显示波形,并在扬声器上发出噼啪声来。

蛙类视网膜上的神经细胞分布在三个层次上:第一层是感光细胞,约有100万个。第二层是双极细胞、无轴突细胞和水平连接细胞,约有300万个。第三层是神经节细胞,约有50万个。它们发出神经纤维组成视神经与大脑相接,神经节细胞根据其输出纤维连接场所的不同,分成五种类型。他们把微电极插到青蛙视网膜上的各种细胞上进行试验,给青蛙看黑色的各种几何形状的物质,看黑色和白色的图像,包括青蛙在自然环境中可能见过的景色彩照。给青蛙看灯光、熄灯和灯光由亮变暗等各种刺激,再观察示波器上显示的波形和扬声器上发出的声音的变化。发现这五种类型的细胞各自起着不同的作用。

第一类细胞最小,只能感觉到物体的边缘轮廓,故称轮廓检测器。第二类细胞较大,只对那些比背景暗的并向视野中心移动的小凸体发生反应,称为昆虫检测器,也就是说青蛙对静止的物体不感兴趣,青蛙注意的目标主要是其共性,而目标的个性是次要的。第三类细胞对时间上的亮度变化,如目标的移动起反应,叫活动边缘检测器。第四类细胞只对光从强到弱,如发生阴影起反应,叫转阴检测器。第五类细胞只对一种“水蓝色”的色调起反应,叫颜色检测器。

五种神经节细胞接受从感光细胞传来的信息,各按自己的方式去进行分析,差不多十分之九的信息都在视网膜处立即处理,最后通过神经传入大脑去作综合,形成一个崭新的组合图像,就像书刊上的彩色图版由各种颜色套印而成一样。处理过的信息随即送往大脑的一个反射中枢,及时发出应作出相应动作的命令,因此,蛙眼看到的只是对其生存有关的事物,此外什么也置之不顾。在自然环境中生活的蛙类,通常也不食死物。当一只飞虫进入它的视野时,青蛙立即会张口将其吞下,动作之敏捷,令人叫绝。有人曾将一只死虫抛向青蛙,它一张口就将其吞下。又将一只烟蒂抛向青蛙,它照样将其吞入口中,反应之快,如同吞食一只活的飞虫一样,但它很快又将烟蒂吐出。可见青蛙不是不食死物,而是对不动的物体无反应。相反,只要是运动着的如同飞虫一样大小的物体都能使其作出捕食反应。这主要是边缘检测器和昆虫检测器所起的作用。漫步在水池边,当你走近时,潜伏在草丛中的青蛙它会立即跳入水中躲避。这主要是转暗检测器所起的作用。蛙眼五种类型的神经细胞综合作用,保证了蛙的生存。

科学家们模拟蛙视网膜,设计出蛙眼电子模型——电子检测器,由7个代替感光细胞的光电管和一个人造神经元组成。其中一个光电管位于中央,并与人造神经元的抑制性输入端相接。6个光电管以等距离排列在四周,并与人造神经元的兴奋性输入端相接。当7个光电管都受到光照射时,人造神经元输出为零。若一个不透光的运动物体的阴影挡住外周的任意一个光电管时,人造神经元输出为负,当运动物体移入中心,遮住中心光电管时,使抑制性输入为零,而6个光电管的兴奋性输入之和为正,人造神经元立即有信号传出。这架电子模型具有感受边缘、运动、“昆虫”和光强减弱等能力。根据这个模型研究图像识别,已设计出有效的雷达跟踪系统,提高了雷达的辨别性能,只检出转向雷达飞来的飞机,并立即告知监视人员。然而,这架当时造价20万美元的模型,重500磅,体积近2立方米,与两只春雨蛙相比,人们又会发出什么感叹呢?另外,蛙类不消三个月就能自行将被切断的视神经纤维一一连接起来,使视觉恢复正常。这种令人难以想象的“自修复”功能,也值得研究“自修复”结构的人员去模拟的。

热感受器和热传感导弹

夏天的夜晚,甲乙两人同睡在一间房内,灯刚关掉,讨厌的蚊虫就嗡嗡地在人耳边侵扰。一只蚊虫刚停落在甲的脸颊上,甲觉得被叮了一下,立即用手打去,将蚊虫打死,甲高兴地喊道:”哈!我打死了一只雌蚊虫”。乙听罢,不能理解,认为房间内是黑暗的,伸手不见五指,又怎能看清蚊虫的雌雄,甲说打死一只雌蚊虫,纯粹是胡乱瞎猜,便嘲笑甲道:“老兄的眼睛真行,竟然能在黑暗中看清蚊虫的雌雄!”事实上,甲打死的确实是只雌蚊虫,不过甲不是用眼去看清,而是用他掌握的知识去作出的正确判断,因为只有雌蚊虫才吸血,而雄蚊虫只是吸吮植物的汁液。在黑暗中甲是看不见蚊虫的,他所以能发觉有蚊虫,首先是蚊虫发出的嗡嗡声,然后是脸上被蚊虫叮咬的感觉。蚊虫在黑暗中同样也看不见甲,然而蚊虫又是怎样会发觉甲的呢?不是甲发出的声音,也不是甲的气味,更不是蚊虫瞎碰乱撞,而是蚊虫对甲身上发出的热的感应。

人和所有温血动物一样,体温都是相对恒定的。也就是说机体所产生的热和散发的热基本相等,由于温血动物产热率相对稳定,因此有皮肤、汗腺和肺等散热调节与产热恒定相适应,从而使体温保持在相对恒定的、稍高于环境温度的水平,这是由于机体在冷环境温度下散热容易,在低于环境温度下生活,会引起“过热”而致死。人体散热主要是皮肤的辐射热和汗腺的蒸发热,其次是肺通过呼吸散发部分热。温血动物的辐射热其实是一种红外线,亦称红外光,在电磁波谱中,波长介于红光和微波间的电磁辐射,它是一种肉眼看不见的光,但是有显著的热效应,人们用特殊的灯照射物体,用滤镜挡住所有肉眼可见的光,只让红外线透出,通过红外线望远镜,如军用窥探望远镜和瞄准望远镜等才可看见。但是在自然界,有不少动物具有能接收红外线信息的结构。雌蚊虫的红外线探测器是它的触角,呈环毛状。雌蚊虫觅食时,不断地转动一对触角,当两条触角接收到的辐射热相同时,就知道可被吮血的温血动物应在正前方,雌蚊虫就朝目标飞去。根据离热源愈近,所接收到辐射热愈多的原理,就能准确地测知辐射热源的方位。

蛇类中有一些蛇,如产于美洲、尾端有角质环、摆时能作响声的响尾蛇,广布于我国的蝮蛇,吻鼻部向上翘起的五步蛇,美丽的竹叶青蛇和头似烙铁的烙铁头蛇等,在眼睛与鼻孔之间有一凹窝,叫颊窝,就具有极灵敏的红外线感受作用。将一条蒙住双眼的响尾蛇放在两只灯泡的下面,灯泡不亮时,响尾蛇毫无反应,显得很安静,当开亮其中一只灯泡时,响尾蛇立即昂首张口朝着它,显得异常兴奋,而对那只不亮的灯泡不予理睬。将颊窝神经暴露出来,插上微电极,将颊窝神经细胞的电变化引导出来,显示在示波器上,然后给颊窝加以化学、声音和机械等多种刺激,在示波器上没有显示出脉冲变化。但是,当用手或热的物体去靠近它时,示波器上立即显示出强烈的脉冲变化,表明它处于兴奋状态。颊窝能感受到千分之一度的温度升高,并在35毫秒内作出反应,而且具有极高的抗干扰能力和分辨能力,并能在环境温度下起作用。颊窝被一层薄膜分隔成内外两个小腔。内腔以小孔开口于皮肤,使口腔与环境的温度一致,并可调节内外腔间的压力。颊窝上密布有三叉神经末梢质体,为红外感受单位,包含有许多线粒体。颊窝膜表面每平方毫米约有1000个红外感受单位。外腔方向指向前方,当热量到达颊窝时,窝内的空气膨胀,颊窝膜两侧温度就不同,神经末梢便兴奋,刺激神经细胞,产生脉冲传给脑中枢,信息加工后,脑中枢便发出攻击猎物的命令。在电子显微镜下,可以见到神经末梢受到刺激后,线粒体的形态发生改变,线粒体可能构成初级红外感觉器。目前对颊窝的灵敏度已能测检,但对其机制还不完全了解,有颊窝的蛇靠它的颊窝感觉在黑夜中猎食,颊窝接受来自前方的辐射热,左右两个颊窝的感觉场是重叠的,并且有一定的感觉距离。通常蛇体盘起时比游动中感觉距离要远一些,只要感觉到有比环境温度稍有差异的物体都会引起蛇的注意。蟒蛇的红外感觉器在头的正面和唇边,叫唇窝。深海乌贼的红外感受器在尾部的下表面,叫热视眼。此外,鸡虱、臭虫、蚂蚁等动物都能感受红外辐射的能力。

人们已经制造出灵敏的量热、温度计和红外探测装置等。例如响尾蛇导弹,是一种空对空导弹,就是将红外探测器配备在歼击机的弹头上,它可以追踪敌机发动机散发的热和喷出废气时所发出的红外线而准确地击中敌机。