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1、昆虫（器官）和仿生学昆虫（器官）和仿生学1一、常见的昆虫感觉器官一、常见的昆虫感觉器官头部的主要感觉器官包括触角、头部的主要感觉器官包括触角、单眼和复眼。在口器各组成部分上也单眼和复眼。在口器各组成部分上也有感觉器。有感觉器。2鞭节鞭节flagellum：触角的端节，常分成：触角的端节，常分成若干亚节，此节在不同昆虫中变化很若干亚节，此节在不同昆虫中变化很大。大。触触角角及及其其构构造造：基基本本上由上由3节构成：节构成：柄柄节节scape：最最基基部部的的一节，常粗短一节，常粗短梗梗节节pedicel：触触角角的的第第2节，较小。节，较小。31、线线状状（丝丝状状）：触触角角细细长长，呈呈圆
2、圆筒筒形形。除除第第一一、二二节节稍稍大大外外，其其余余各各节节大大小小、形形状状相相似似，逐逐渐渐向向端端部变细。例如蝗虫、蟋蟀及一些蛾类等。部变细。例如蝗虫、蟋蟀及一些蛾类等。 （二）触角的类型（二）触角的类型42、念珠状：鞭节由、念珠状：鞭节由近似圆珠形的小节近似圆珠形的小节组成，大小一致，组成，大小一致，象一串念珠。例如象一串念珠。例如白蚁、褐蛉等。白蚁、褐蛉等。563、锯齿状：鞭、锯齿状：鞭节各亚节的端部节各亚节的端部向一边突出呈角向一边突出呈角状，触角看起来状，触角看起来象一个锯条。例象一个锯条。例如叩头虫、雌性如叩头虫、雌性绿豆象等。绿豆象等。74、栉齿状：鞭节、栉齿状：鞭节各亚
3、节向一边突各亚节向一边突出很长，形如梳出很长，形如梳子。例如雄性绿子。例如雄性绿豆象等。豆象等。8绿豆象绿豆象9antenna叩头甲叩头甲105、双栉齿状（羽、双栉齿状（羽状）：鞭节各亚状）：鞭节各亚节向两边突出成节向两边突出成细枝状，很象鸟细枝状，很象鸟的羽毛。例如雄的羽毛。例如雄性蚕蛾、毒蛾等。性蚕蛾、毒蛾等。11126、棒状（球杆状）：触角细长，近端、棒状（球杆状）：触角细长，近端部的数节膨大如椭圆球状。例如蝶类部的数节膨大如椭圆球状。例如蝶类（是鳞翅目中蝶与蛾的主要区别特征（是鳞翅目中蝶与蛾的主要区别特征之一）、蚁蛉等。之一）、蚁蛉等。13147、锤状：鞭节、锤状：鞭节端部数节突然端部
4、数节突然膨大，形状如膨大，形状如锤。例如瓢虫、锤。例如瓢虫、郭公虫等。郭公虫等。158、鳃叶状：端、鳃叶状：端部数节扩大成部数节扩大成片状，可以开片状，可以开合，状似鱼鳃。合，状似鱼鳃。这种触角为鞘这种触角为鞘翅目金龟子类翅目金龟子类所特有。所特有。16179、膝状（肘状）：、膝状（肘状）：柄节特别长，梗柄节特别长，梗节短小，鞭节由节短小，鞭节由大小相似的亚节大小相似的亚节组成，在柄节和组成，在柄节和梗节之间成肘状梗节之间成肘状或膝状弯曲。例或膝状弯曲。例如象鼻虫、蜜蜂、如象鼻虫、蜜蜂、小蜂等。小蜂等。1819211. 蜜蜂的触角；2. 第3节基部的感觉器2010、环毛状：除、环毛状：除基部两
5、节外，每基部两节外，每节具有一圈细毛，节具有一圈细毛，近基部的毛较长。近基部的毛较长。列如雄性的蚊、列如雄性的蚊、摇蚊等。摇蚊等。212211、刚毛状：触角很、刚毛状：触角很短，基部的一、二节短，基部的一、二节较大，其余的节突然较大，其余的节突然缩小，细似刚毛。例缩小，细似刚毛。例如蜻蜓、蝉、飞虱等。如蜻蜓、蝉、飞虱等。232412、具芒状：触角很短，、具芒状：触角很短，鞭节仅一节，较柄节和鞭节仅一节，较柄节和梗节粗大，其上有一根梗节粗大，其上有一根刚毛状或芒状构造，称刚毛状或芒状构造，称为触角芒。触角芒有的为触角芒。触角芒有的光滑，有的具毛或呈羽光滑，有的具毛或呈羽状。这类触角为双翅目状。这
6、类触角为双翅目蝇类所特有。蝇类所特有。2526蝴蝶的触角用来感觉味道27蚊子的触角可蚊子的触角可以听到声音。以听到声音。 28蚂蚁、蜜蜂见面后蚂蚁、蜜蜂见面后互相碰触角，传递互相碰触角，传递信息。信息。 29仰泳蝽靠触角使自己在游泳仰泳蝽靠触角使自己在游泳时保持身体的平衡。时保持身体的平衡。 30二、复二、复眼眼位置：颅位置：颅侧区，但侧区，但常有变化，常有变化，如突眼蝇、如突眼蝇、豉甲等。豉甲等。形状：多形状：多圆形、卵圆形、卵圆形。圆形。复眼由若复眼由若干大小不干大小不一致的小一致的小眼组成。眼组成。家蝇的复眼家蝇的复眼31用来辨别物体，特别是运动的物体，是最重要的视觉器官。 成虫和不全变
7、态类的若虫和稚虫，一般都有一对复眼。多数昆虫复眼能感受的光波波谱范围也比人眼宽广。但是，昆虫的视程远不及人类。 另外，绝大多数昆虫是色盲，如蜜蜂不能分辨出青色和绿色，也不能分辨出红色和黑色。 32牛虻的复眼牛虻的复眼33突眼蝇的复眼突眼蝇的复眼34天牛的复眼天牛的复眼35水栖的豉甲科昆水栖的豉甲科昆虫上、下分离的虫上、下分离的复眼使得它们能复眼使得它们能在水面游泳时能在水面游泳时能同时看清楚水表同时看清楚水表和水中的情况。和水中的情况。3637许多许多“点的影像点的影像”互相结合便组互相结合便组成整个物体成整个物体“镶嵌的影像镶嵌的影像” 38翅wing 3940鳞片41二、仿生学的基本内涵二
8、、仿生学的基本内涵仿生学仿生学(Bionics) 模仿生物系统的原理以建造技术系模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学特征或类似特征的科学仿生学仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合是一门建立在多学科边缘上的综合性学科，包括生理学、神经学、医学、化性学科，包括生理学、神经学、医学、化学、数学、电子学、信息学等学科。学、数学、电子学、信息学等学科。42前言生物体生物体生物模型生物模型数学模型数学模型技术模型技术模型技术装置技术装置仿生学的研究方法仿生学的研究方法43真正最高水平的仿生学应该是制造生命。真正最高水平的仿生
9、学应该是制造生命。（如用化学分子，或者用一个分子构筑具（如用化学分子，或者用一个分子构筑具有生理活性的物质，如牛胰岛素结晶。有有生理活性的物质，如牛胰岛素结晶。有争议的课题，涉及到伦理学，争议的课题，涉及到伦理学，）44l结晶牛胰岛素结晶牛胰岛素（crystallizedbovineinsulin）是）是牛的胰岛素结晶。牛胰岛素是牛胰脏中胰岛牛的胰岛素结晶。牛胰岛素是牛胰脏中胰岛细胞细胞所分泌的一种调节糖代谢的所分泌的一种调节糖代谢的蛋白质激素蛋白质激素。其一级结。其一级结构构1955年由英国桑格（年由英国桑格（S.Sanger）首先确定牛胰）首先确定牛胰岛素中氨基酸的组成和排列顺序。桑格也因
10、此荣获岛素中氨基酸的组成和排列顺序。桑格也因此荣获1958年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。l从从1958年开始，中国科学院年开始，中国科学院上海生物化学研究所、上海生物化学研究所、中国科学院上海有机化学研究所和北京大学生物系中国科学院上海有机化学研究所和北京大学生物系三个单位联合三个单位联合，以王应睐为首，由龚岳亭、邹承鲁、，以王应睐为首，由龚岳亭、邹承鲁、杜雨花、季爱雪、邢其毅、汪猷、徐杰诚等人共同杜雨花、季爱雪、邢其毅、汪猷、徐杰诚等人共同组成一个协作组，在前人对胰岛素结构和肽链合成组成一个协作组，在前人对胰岛素结构和肽链合成方法研究的基础上，开始探索用方法研究的基础上，开始探索用化学方法
11、化学方法合成胰岛合成胰岛素。素。45经过周密研究，他们确立了合成牛胰岛素的程序。合成工作是经过周密研究，他们确立了合成牛胰岛素的程序。合成工作是分三步完成的：分三步完成的：第一步，先把天然胰岛素拆成两条链，再把它们重新合成为胰第一步，先把天然胰岛素拆成两条链，再把它们重新合成为胰岛素，并于岛素，并于19591959年突破了这一难题，重新合成的胰岛素是同原年突破了这一难题，重新合成的胰岛素是同原来活力相同、形状一样的结晶。来活力相同、形状一样的结晶。第二步，在合成了胰岛素的两条链后，用人工合成的第二步，在合成了胰岛素的两条链后，用人工合成的B B链同天链同天然的然的A A链相连接。这种牛胰岛素的
12、半合成在链相连接。这种牛胰岛素的半合成在19641964年获得成功。年获得成功。第三步，把经过考验的半合成的第三步，把经过考验的半合成的A A链与链与B B链相结合。在链相结合。在19651965年年9 9月月1717日完成了结晶牛胰岛素的全合成。日完成了结晶牛胰岛素的全合成。经过严格鉴定，它的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形经过严格鉴定，它的结构、生物活力、物理化学性质、结晶形状都和天然的牛胰岛素完全一样。状都和天然的牛胰岛素完全一样。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。这项成果获这项成果获19821982年中国年中国自然科学一等奖。王应睐因此被著名英国学
13、者李约瑟（自然科学一等奖。王应睐因此被著名英国学者李约瑟（Joseph Joseph Needham,1900-1995)Needham,1900-1995)誉为誉为“中国生物化学的奠基人之一中国生物化学的奠基人之一”。46l蛋白质研究一直被喻为破解生命之谜的关节点。胰岛蛋白质研究一直被喻为破解生命之谜的关节点。胰岛素是蛋白质的一种。由此，胰岛素的人工合成，标志素是蛋白质的一种。由此，胰岛素的人工合成，标志着人类在揭开生命奥秘的道路上又迈出了一步。着人类在揭开生命奥秘的道路上又迈出了一步。l 和和“两弹一星两弹一星”一样，中国人在世界上第一次人工一样，中国人在世界上第一次人工合成胰岛素被负载了
14、很多意义：科研的，民族荣誉感合成胰岛素被负载了很多意义：科研的，民族荣誉感的。尤其让人们津津乐道的是，这是中国科学家与诺的。尤其让人们津津乐道的是，这是中国科学家与诺贝尔奖几乎是零距离的接触。直到这么久过去了，这贝尔奖几乎是零距离的接触。直到这么久过去了，这也是对中国在科学领域里做出世界上第一流成绩的一也是对中国在科学领域里做出世界上第一流成绩的一个最好证明。个最好证明。47l19661966年底，年底，A ATiseliusTiselius访问了中国，他当时是瑞典访问了中国，他当时是瑞典皇家科学院皇家科学院诺贝尔诺贝尔奖评审委员会化学组的主席，人们奖评审委员会化学组的主席，人们很自然地把他和
15、物色合适的诺贝尔奖候选人联系起来。很自然地把他和物色合适的诺贝尔奖候选人联系起来。l后来我得知后来我得知TiseliusTiselius对胰岛素全序列人工合成的评价对胰岛素全序列人工合成的评价很高。当被问及对中国第一颗原子弹爆炸的看法时，很高。当被问及对中国第一颗原子弹爆炸的看法时，他的回答却是：他的回答却是：l“你们能从书上学到原子弹的知识，但学你们能从书上学到原子弹的知识，但学不到人工合成胰岛素。不到人工合成胰岛素。”48仿枯叶蝶的迷彩服仿枯叶蝶的迷彩服三、与昆虫有关的仿生学研究三、与昆虫有关的仿生学研究49复眼与多屏幕电视墙复眼与多屏幕电视墙50l受蝇眼的启示发明了蝇眼受蝇眼的启示发明了
16、蝇眼摄像机，除获得理想的图摄像机，除获得理想的图片外，还发现许多常规手片外，还发现许多常规手段无法得到的细节。段无法得到的细节。 l苍蝇的复眼包含苍蝇的复眼包含40004000个可独立个可独立成像的单眼，能看清几乎成像的单眼，能看清几乎360360范围内的物体。范围内的物体。l在蝇眼的启示下，人们制成了在蝇眼的启示下，人们制成了由由13291329块小透镜组成的一次可块小透镜组成的一次可拍拍13291329张高分辨率照片的蝇眼张高分辨率照片的蝇眼照像机，在军事、医学、航空、照像机，在军事、医学、航空、航天上被广泛应用。航天上被广泛应用。 51基于苍蝇视觉系基于苍蝇视觉系统的新型摄像软统的新型摄
17、像软件能够拍摄普通件能够拍摄普通的图像（下）并的图像（下）并显示其中的重要显示其中的重要细节，例如房间细节，例如房间中的人像（中）中的人像（中）并突出细节（上）并突出细节（上）。52可用于超薄相机的可用于超薄相机的人造昆虫眼人造昆虫眼。使人造眼应用于微使人造眼应用于微型全方位监视设备，型全方位监视设备，超薄照相机以及高超薄照相机以及高速运动传感器上速运动传感器上。53l蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方向十分敏感的偏振片，可利用太阳准确定位。向十分敏感的偏振片，可利用太阳准确定位。l科学家据此原理研制成功了科学家据此原理研制成功了偏振光导航仪偏
18、振光导航仪，早已，早已广泛用于航海事业中。广泛用于航海事业中。 54l蝴蝶色彩与伪装蝴蝶色彩与伪装l在二战期间，德军包围了列宁格勒，企图用轰炸机在二战期间，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。摧毁其军事目标和其他防御设施。l苏联昆虫学家苏联昆虫学家施万维奇施万维奇根据当时人们对伪装缺乏认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。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因此，尽管德军费尽心机，但列宁格勒的军事基
19、地仍安然无惹，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。仍安然无惹，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。l根据同样的原理，后来人们还生产出了迷彩服，大根据同样的原理，后来人们还生产出了迷彩服，大大减少了战斗中的伤亡。大减少了战斗中的伤亡。 5556拟态与仿生拟态与仿生57拟态仿生拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装坦克的迷彩着装58三色迷彩的德国三色迷彩的德国“豹豹”I I坦克在电视成像下的效果坦克在电视成像下的效果拟态仿生拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装坦克的迷彩着装5960l蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变换角度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而调节体温l人造卫星在太空中由于位置
20、的不断变化可引起温度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。许多仪器的正常工作。l科学家们受此启发，将人造卫星的控温系统制成了科学家们受此启发，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卫星内部温
21、度的恒定，解决了航天事业中的一大难题。题。61鳞片6263l屁步甲炮虫自卫时，可喷射出屁步甲炮虫自卫时，可喷射出具有恶臭的高温液体具有恶臭的高温液体“炮弹炮弹”，以迷惑、刺激和惊吓敌害。，以迷惑、刺激和惊吓敌害。l解剖后发现甲虫体内有解剖后发现甲虫体内有3 3个小室，个小室，分别储有二元酚溶液、双氧水分别储有二元酚溶液、双氧水和生物酶。二元酚和双氧水流和生物酶。二元酚和双氧水流到第三小室与生物酶混合发生到第三小室与生物酶混合发生化学反应，瞬间就成为化学反应，瞬间就成为100100的的毒液，并迅速射出。毒液，并迅速射出。l二战期间，德国据此机理制造二战期间，德国据此机理制造出了一种功率极大且性能
22、安全出了一种功率极大且性能安全可靠的新型发动机，安装在飞可靠的新型发动机，安装在飞航式导弹上，使之飞行速度加航式导弹上，使之飞行速度加快，安全稳定，命中率提高，快，安全稳定，命中率提高，英国伦敦在受其轰炸时损失惨英国伦敦在受其轰炸时损失惨重。重。 64步步甲甲的的自自卫卫 放放屁屁御御敌敌65p美国军事专家受甲虫喷射原理的启发研制出了先进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。的二元化武器。p这种武器将两种或多种能产生毒剂的化学物质分装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
23、在弹体飞行的毒剂中间体在弹体飞行的8 81010秒内混合并发生反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。应，在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌人。p它们易于生产、储存、运输，安全且不易失效。它们易于生产、储存、运输，安全且不易失效。 66l萤火虫的发光器由发光层、透明层和反射层组成。萤火虫的发光器由发光层、透明层和反射层组成。发光层拥有几千个发光细胞，含有荧光素和荧光发光层拥有几千个发光细胞，含有荧光素和荧光酶。在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的酶。在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合发出荧光。参与下，与氧化合发出荧光。l萤火虫的发光，萤火虫的发
24、光，实质上是把化学能转变成光能的实质上是把化学能转变成光能的过程过程。萤火虫可将化学能直接转变成光能，且转。萤火虫可将化学能直接转变成光能，且转化效率达化效率达100%100%，67l昆虫学家研究发现，苍蝇的后昆虫学家研究发现，苍蝇的后翅退化成一对平衡棒。当它飞翅退化成一对平衡棒。当它飞行时，平衡棒以一定的频率进行时，平衡棒以一定的频率进行机械振动，可以调节翅膀的行机械振动，可以调节翅膀的运动方向，是保持苍蝇身体平运动方向，是保持苍蝇身体平衡的导航仪。衡的导航仪。l科学家据此原理研制成一代新科学家据此原理研制成一代新型导航仪型导航仪振动陀螺仪振动陀螺仪，大，大大改进了飞机的飞行性能，可大改进了
25、飞机的飞行性能，可使飞机自动停止危险的滚翻飞使飞机自动停止危险的滚翻飞行，在机体强烈倾斜时还能自行，在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡，即使是飞机在最动恢复平衡，即使是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失。复杂的急转弯时也万无一失。 68昆虫触角与仿生昆虫触角与仿生l一只雌舞毒蛾仅能分泌一只雌舞毒蛾仅能分泌0.10.1微克性引诱素，但微克性引诱素，但这已足够诱来这已足够诱来100100万只雄蛾。万只雄蛾。l3030个性引诱素分子便能促使一只雄美洲蟑螂产个性引诱素分子便能促使一只雄美洲蟑螂产生性兴奋生性兴奋。l雌松树锯蝇，其气味能招引约雌松树锯蝇，其气味能招引约1 1亿只雄蝇亿只雄蝇 。69l苍蝇的嗅
26、觉特别灵敏并能对数十种气味进行快速分析苍蝇的嗅觉特别灵敏并能对数十种气味进行快速分析且可立即作出反应。且可立即作出反应。l科学家根据苍蝇嗅觉器官的结构，把各种化学反应转科学家根据苍蝇嗅觉器官的结构，把各种化学反应转变成电脉冲的方式，制成了十分灵敏的变成电脉冲的方式，制成了十分灵敏的小型气体分析小型气体分析仪仪，目前已广泛应用于宇宙飞船、潜艇和矿井等场所，目前已广泛应用于宇宙飞船、潜艇和矿井等场所来检测气体成分，使科研、生产的安全系数更为准确、来检测气体成分，使科研、生产的安全系数更为准确、可靠。可靠。 70蜂巢与仿生蜂巢与仿生l蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，蜂巢由一个个排列整齐的六
27、棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由每个小蜂房的底部由3 3个相同的菱形组成，这些结个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家精确计算出来的构与近代数学家精确计算出来的菱形钝角菱形钝角1091092828，锐角，锐角70703232完全相同，是完全相同，是最节省材最节省材料的结构，且容量大、极坚固料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹，令许多专家赞叹不止。不止。l人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。造航天飞机、宇宙飞
28、船、人造卫星等的理想材料。 71l夏普夏普3232英寸以上的液晶电视都采用夏普自行生产英寸以上的液晶电视都采用夏普自行生产的第六代的第六代ASVASV仿生蜂巢设计仿生蜂巢设计, ,日本原装超黑低反射日本原装超黑低反射TFTTFT透射型超級广角液晶面板，使得屏幕的光反射透射型超級广角液晶面板，使得屏幕的光反射大大降低且黑色更加纯正大大降低且黑色更加纯正。 72蜂巢水果托盘蜂巢水果托盘73蜂巢式互联网蜂巢式互联网74巴塞罗那建筑史上最前卫、最疯狂的建筑艺术家，高迪。7576圣家教堂圣家教堂77l跳蚤的跳跃本领十分高强，航空专家对此进跳蚤的跳跃本领十分高强，航空专家对此进行了大量研究，英国一飞机制造
29、公司从其行了大量研究，英国一飞机制造公司从其垂直起跳的方式受到启发，成功制造出了垂直起跳的方式受到启发，成功制造出了一种几乎能垂直起落的鹞式飞机一种几乎能垂直起落的鹞式飞机 787980818283昆虫飞行器昆虫飞行器MicromechanicalFlyingInsect(MFI)Project（微型机械昆虫飞行项目）：根据（微型机械昆虫飞行项目）：根据丽蝇的飞行原理来设计的。丽蝇的飞行原理来设计的。Robofly84l科学时报科学时报讯讯( (记者记者 晓峰晓峰) ) 澳大利亚国立澳大利亚国立大学的科学家最近根据昆虫的仿生学原理大学的科学家最近根据昆虫的仿生学原理制造了一架新型飞行器，它会像
30、制造了一架新型飞行器，它会像蜜蜂蜜蜂一样一样观察周围的事物，能够像观察周围的事物，能够像蜻蜓蜻蜓一样自如地一样自如地飞行，而且它还能够在环境恶劣的火星表飞行，而且它还能够在环境恶劣的火星表面飞行，以代替行动迟缓的漫游者机器人，面飞行，以代替行动迟缓的漫游者机器人，从而改变人们探索火星的方式。（从而改变人们探索火星的方式。（20022002年）年） 85p月日，美国月日，美国华盛顿邮报华盛顿邮报刊出长篇调查报刊出长篇调查报道披露，美国军方和情报机构可能已成功拥有道披露，美国军方和情报机构可能已成功拥有半机半机械半昆虫械半昆虫的技术，从而在间谍情报、军事侦察和安的技术，从而在间谍情报、军事侦察和安
31、全保卫等领域产生革命性的影响。（全保卫等领域产生革命性的影响。（20072007年）年） 86p蜻蜓蜻蜓通过翅膀振动（拍打）使自己上升。向前飞行，通过翅膀振动（拍打）使自己上升。向前飞行，向后和左右两侧飞行，速度可达向后和左右两侧飞行，速度可达7272公里公里/ /小时。科学小时。科学家据此研制成功了家据此研制成功了直升飞机直升飞机。p又效仿蜻蜓的又效仿蜻蜓的翅痣翅痣在飞机的两翼加上了在飞机的两翼加上了平衡重锤平衡重锤，解，解决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题。决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题。8788899091尺蛾=尺蠖92BionicBugsTheDefenseDepa
32、rtmentsattemptstomergeinsectsandelectronicsarebenefitingsciencemorethanthemilitaryByFerrisJabr|PostedJanuary22,2010;Postedin:PhysicalScienceTags:animals,biology,biotechnology,insects93Agiantflowerbeetlewearsanelectronicbackpackthatallowsresearcherstowirelesslycontrolitsflight.94giantflowerbeetle95Ag
33、iantflowerbeetlefliesabout,veeringupanddown,leftandright.Buttheinsectisntapest,anditisntsteeringitsownpath.Animplantedreceiver,microcontroller,microbattery,andsixcarefullyplacedelectrodesapayloadsmallerthanadimeandweighinglessthanastickofgumallowanengineertocontrolthebugwirelessly.Histeampreviouslym
34、odifiedbeetlesduringthepupalstage,sothattheirimplantsareinvisibleinadulthoodavaluablepropertyiftheyaretobeusedincovertmissions.96AgiantflowerbeetleCool!AsayoungboyIdelightedinscaringmysisterwithainanimaterubbermouse.Inthefutureyoungboyswillhaveremotecontrolflyingbugswithwhichtotormenttheirlittlesist
35、ers.Howfun!97Inalarge,emptyroomattheUniversityofCalifornia,Berkeley,agiantflowerbeetlesitsonthefloor.Likemostbeetles,ithasasegmentedbody,sixlegs,andapairofwings.Buttheressomethingalittledifferentaboutthisone:itswearinganelectronicbackpackthatswiredtoitswingmusclesandbrain.Anengineerintheroomtapsabut
36、tononhislaptopandinstantlythebeetleswingsbegintovibrate,rousingitintoflight.Pressinganotherkeystopsallwingmovementmidflight.Thebeetledropstotheflooralittlestunned,perhaps,butunharmed.Ifitsoundstoobizarrebiz:tobetrue,justcheckoutthisvideoonYouTubeorviewitbelow.98Thisbionicbugisthelatestcreationofagov
37、ernmentfundedresearchprojectwhosegoalistoinventanewkindofmilitarysurveillancebyfusinglivinginsectswithinnovativeelectronics.TheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA)hasalreadyinvested$12millionsince2006inthescifiventure,hopingsomedaytodeployinsectmachinehybridsasinconspicuousarmyscouts.Adivers
38、egroupofscientistsfromacrossthenationisworkingtohelpmakeDARPAsvisionofremotecontrolledinsectspiesareality.Althoughanymilitaryapplicationisstillalongwayoff,biologistsandengineersarealreadyfindingtheresearchuseful.99Inanewstudy,electricalengineerHirotakaSatoandhisBerkeleycolleaguesembeddedtinyelectrod
39、esinbeetlesbrainsandmuscles,allowingtheresearcherstoremotelystartandstopflight,maketheinsectsturnrightorleft,andeventriggerchangesinelevation.TheBerkeleyresearchdemonstrates“thefirstwirelesscontrolofanyinsectinfreeflight,”saidJohnVandenBrooks,anArizonaStateUniversityinsectbiologistandcoauthorofthest
40、udy,whichwaspublishedthispastOctoberinthejournalFrontiers in Integrative Neuroscience.100lAccordingtothestudy,remotelycontrolledflyinginsectscould“serveascourierskritolocationsnoteasilyaccessibletohumans,”placeswheresoldierscantstrollaboutunnoticed.Asstatedonitswebsite,DARPAhopestoeventuallyuseinsec
41、tcyborgssabrtocarry“sensors,suchasamicrophoneoragassensor,torelaybackinformationgatheredfromthetargetdestination.”lTheBerkeleyteamworkedwithgreenJunebeetlesandgiantflowerbeetles,whichcangrowtothesizeofahumanpalm.“Beetlesarereallyubiquitousandreallystrongfliers,andtheycancarryalargepayload,”saidVande
42、nBrooks,explaininghowthesebugscanflyevenwhiletotingtheheftyelectronicbackpacksthatprocessandpowertheelectrodeswiredtotheirbodies.101Afterimplantingradio-equippedelectrodesintotheadultbeetlesbrainsandwingmuscles,theresearchersusedalaptoptowirelesslyactivatetheimplants,whichdeliveredpulsesofelectricit
43、y.Excitingthebeetlesbrainsallowedtheteamtostartorstopflightoncommand.Exactlywhythisworkedsowellremainsunclear,sincetheelectrodesaffectedasizeableandunspecifiedbrainregion.“Wemusthavebeenstimulatingsomepartofthemotorarea,”VandenBrookssuggested.Tochangethedirectionofflight,theresearchersexcitedeithert
44、heleftortherightwingmuscles.102BeforetheBerkeleystudy,mostadvancesininsectcyborgresearchhappenedatCornellUniversitysLaboratoryforIntelligentMachineSystems,wheresomeresearchersfocusonmothsspecifically,hawkmoths(天蛾天蛾),whichbreedquicklyandcancarrylargepayloadsduringflight.SomeCornellresearchershaveexpe
45、rimentedwithimplantingelectrodesduringearlystagesofmetamorphosis,sotheadulthawkmothsemergeascyborgs.Theseimplantsallowedforsomepreliminarycontrolofwingmovementsandestablishedthesurgicaltechniqueslaterusedandmodifiedbyothers,includingtheBerkeleyteam.103AlthoughDARPAhopesinsectmachinehybridswillsomeda
46、yfacilitatethemilitary,afleetofstealthyinsectspieswontbebreakingoutofthelabanytimesoon.“Itsthewholeideaoftheflyonthewalltechnology,”saidTimReissman,amechanicalengineeratCornell.“Currently,ourflyisthisrelativelyhugeinsect,”headded,emphasizingtheneedforbothsmallerinsectsandlighterdevicesbeforethecybor
47、gswillbeofanyhelptothearmedforces.VandenBrooks,coauthoroftheBerkeleystudy,agreed:“Somepeopledefinitelyblowitoutofproportion.Werenotevenclosetohavinganyapplicationsofthatkind.”104pPerhapsthegreatesthurdletoapracticalmilitaryapplicationofbionicbugsistheissueofpower.Anycyborgelectronicswillrequireapowe
48、rsource,whichusuallymeansheavybatteriesthatweighdownevenlargeinsectslikeflowerbeetlesandhawkmoths.Imagineagiantbugthesizeofyourhand,luggingabackpackofbatteriesandmicrochips,tryingtodiscreetlycarryoutitsreconnaissance.Notexactlyinconspicuous.Butsomeresearchersaredeterminedtoresolvetheissuesofpowerand
49、size.preconnaissance美美rknsns,zns.pinconspicuous美美nknspkjus105lWiththeguidanceoflabdirectorEphrahimGarcia,amechanicalandaerospaceengineer,ReissmanandothersatCornellhavetriedtocreateelectronicdevicespoweredbythemothsownmovementsanattempttocircumventthedependencyoncumbersomebatteries.lToaccomplishthis,
50、theyusepiezoelectricmaterial,whichturnsmotion“intoavoltagethatcanbeutilizedtopowerotherthings,”Garciaexplained.Attachingapiezoelectricdevicetoamothturnsthevibrationsofitsbodyduringflightintoapowersource.Theultimategoalisfunctionalbatteryfreesensors,suchasatinycameraor“asimpleGPSmonitortheworldssmall
51、est,”Garciasaid.106lReissmanisoptimisticabouttheirsuccess.Hiscolleaguesareworkingtobuildminiaturemechanicalsystemscompatiblewiththelowvoltagesharvestedfromamothsmovements.AccordingtoReissman,theirdevicesarealmostefficientenoughfortakeoff.lNoteveryonethinksitsfeasibletoextractsufficientenergyfrominse
52、ctmovementtopoweranymechanicalinstrumentsofpracticaluse.“Imskeptical,”saidReidHarrison,aUniversityofUtahbioengineerwhobuildselectronicbackpacksforlocustsinordertostudyhowtheirnervoussystemshelpthemescapepredators.“Theseanimalsonlygeneratesomuchmechanicalforce.Evenusingpiezoelectricmaterial,itsaveryd
53、ifficultchallenge.”107lDespitetheobstaclestotrueenergyharvesting,researcherspersist.AttheUniversityofWashington,BrianOtisisdesigningabatteryfreeinflightmonitoringdeviceforhawkmoths.“Thereisdataforinsectsshowinghugedifferencesintemperaturebetweenrestandmovement,”heexplained.Otisbelievesthehighinterna
54、lheatofaflyinginsectisanotherpotentialpowersource.108BecauseDARPAprovidesthefunding,scientistswhotakeonthechallengeofcreatinginsectcyborgsareostensiblyworkingtowardtheultimateserviceofthegovernmentandarmy.Butsofar,thesynthesisofinsectandmachinehasbenefitedsciencemorethanthemilitary.Insectcyborgsaren
55、otonlypushingengineerstobuilddeviceslikeCornellsGPSsystemthataresmaller,lighterandmoreefficientthananythingtheyvemadebefore,theycouldgivescientistsaccesstoentirelynovelinformation.109lItsverydifficulttomeasurealivingorganismsinternalprocesseswithoutsomehowrestrainingitanddisturbingitsnaturalbehavior
56、s.Butthemorescientistslearnaboutsafelyfusinglivinganimalsandtechnology,thebettertheybecomeatmonitoringthemanyimportantbiologicalprocessesthathappeninsidethoseanimals,withoutkeepingthemcageduportetheredinlabs.lBionicbugscouldsoonprovidebiologistswithanunprecedentedabilitytostudyinsectsintheirnaturale
57、nvironment.ImaginebreedingcyborgmothsandbeetlesoutfittedwithtinyselfsufficientGPSmonitorsandchemicalsensorsthenreleasingthemtotheskiesandforests.110“Wewanttomonitorbodytemperature,metabolicrate,flightspeedwewanttomapwheretheyaregoing,maptheirlifehistory.Alotofthisisreallyunknown,”saidVandenBrooks,co
58、authoroftheBerkeleystudy.“Animaltrackingdevicesandhowlongtheylastareanimportantissue,”saidCornellsReissman.“Makingbetter,longerlastingdeviceswouldbeveryadvantageoustounderstandingbiologicalsystems.”111lFocusingonthenervoussystemsofinsectshasalsoprovenbeneficialtoscientists.Itmightseemtrivialtostudyt
59、hebrainsandbehaviorsofbugs,butnervestheindividualcellsofthenervoussystemaresocomplicatedthatresearchersneedtotightlyconcentratetheireffortstomakeprogress.l“Itsaveryvaluablewaytoapproachandstudyneuroscience,”theUniversityofUtahsHarrisonsaid.“Itturnsoutbiologyisreally,reallycomplex.Ahouseflyhasaquarte
60、rmillionneuronsinitsbrainandthatsjustahousefly!”112“Itssuchascifiapproachthatsomepeopleseenofeasibilityoruseforthisresearch,”saidReissman,“butthetruthisthateachoftheseresearchareasneedsadvancing.Weregoingtokeepseeinggoodsciencecomeoutofthis.”113不会漏气的仿蜂巢轮胎我们的身边日夜都陪伴着大量昆虫和蜘蛛纲动物，它们形态不一，体型各异，但由于长相恐怖，我们几
61、乎不会将它们作为思考的对象。实际上，昆虫和蜘蛛纲不仅在地球生态系统中占据重要位置，同时也是人类的一个不可思议的灵感源泉，很多富有创造性的设计灵感均来自于这些小生灵。以下盘点的是十大仿生设计，设计灵感来自蝴蝶、甲虫、蜘蛛等昆虫和蜘蛛纲动物，它们让我们研制的设备进一步接近自然的完美。1141.不会漏气的仿蜂巢轮胎未来的轮胎不需要充气，因此也就不存在漏气问题，这一进步能够挽救很多士兵的生命。按照政府提出的要求，轮胎需要具备较高的承重能力，可抵御临时爆炸装置袭击并且能够在遇袭后仍以每小时50英里(约合每小时80公里)的速度行驶。为了满足政府的要求，Resilient技术公司和威斯康星州大学麦迪逊分校聚
62、合体工程学中心的开发人员设计了模仿蜂巢结构的轮胎。他们知道没有什么能够比这种设计更完美的了。这种仿生轮胎由一系列六角形构成，拥有极高的坚固度同时可让重量均匀分布以实现平滑行驶。1152.灵感来自甲虫的水壶世界上一些严重缺水的地区，只有富有革新性的发明创造才能真正确保饮用水的洁净与安全。一位设计师做到了这一点，创造性地提出了从雾气中获取水的想法。他就是帕克基特，所设计的“露水库”水壶模拟了甲虫雾中取水的方式，水壶背部的脊状结构能够收集露水。这款水壶采用不锈钢圆顶造型，早晨时的温度低于空气，所形成的露水会滑落至一个收集道。“露水库”一次大约可收集一杯水，虽然听起来不是很多，但对某些人来说，一杯水却
63、能够决定他们的生死。1163.仿甲虫剧场集雾器这一设计与甲虫灵感水壶类似，但个头却是它的1000倍。这个圆形露天剧场名为“水剧场”，坐落于海滨地区，能够从空气中获取水并有效蒸馏海水。水剧场是专为金丝雀群岛的拉斯帕尔马斯开发区设计的，它同样从甲虫身上获取灵感。这座剧场利用获取的淡水浇灌农作物，同时为炎热的沙漠气候送去阵阵凉意。1174.仿蜻蜓垂直概念农场令人吃惊的垂直概念农场是文森特卡勒博为纽约设计的，长着金属和玻璃“翅膀”，设计灵感直接来源于蜻蜓的外骨骼。这座供养动植物的农场能够利用充足的阳光和高空的空气流动。它共有132层，有望在罗斯福岛拔地而起。除了农场外，这座建筑的内部还建造了住宅和办公
64、室。1185.速度更快的仿甲虫光学计算机尽管本身呈彩虹色，但不管从哪个角度观察，巴西甲虫L.augustus的鳞片总是呈现出绿色。虽然听起来没什么大不了的，但对于研制光学计算机芯片的科学家来说，这却是解决一个困扰了他们多年的问题的关键。L.augustus的鳞片含有一种晶体，内部结构与蜂巢类似，为光学计算所需的光子晶体提供了一个模型。1196.津巴布韦仿白蚁堆建筑如何让津巴布韦的中高层建筑在不使用空调或者不用支付大笔电费情况下保持凉爽呢？答案是模仿自冷却的白蚁堆。非洲白蚁堆上遍布加热孔和冷却孔，通过让这些孔不断打开和闭合，白蚁堆能够保持内部温度稳定。蚁堆底部的孔负责吸入空气，顶部的孔则负责将空
65、气排出。津巴布韦东门中心采用的通风系统工作方式与蚁堆类似，可保持内部温度舒适。很显然，这是一种具有可持续性和成本效益的方式。1207.仿蝴蝶翅膀Mirasol显示屏Mirasol的低电压显示屏能耗低，是取代手机、平板电脑和电子阅读器等设备所采用的电子墨水的一个理想替代品，其设计灵感来自于蝴蝶翅膀。蝴蝶翅膀上的微小鳞片能够反射光线，上面覆盖着透明的膜。随着蝴蝶拍打翅膀，阳光在穿过翅膀时发生折射，由于不同波长的光折射率不同，蝴蝶的翅膀看起来呈透明状。Mirasol显示屏能够产生类似的效果，它采用两个玻璃面板和微型镜子，能够将颜色反射到屏幕上。这也就意味着显示屏能够在强烈的阳光照射下显示出鲜艳的色彩
66、，使其在阳光下更容易观看。Mirasol显示屏利用环境中的自然光线而不是人造照明。1218.仿蝴蝶翅膀太阳能电池板2009年，科学家发现蝴蝶翅膀上的鳞片能够充当天然的太阳能收集器，可以极高的效率吸收阳光。研究人员利用从蝴蝶翅膀上获得的灵感，提高染料敏化太阳能电池收集阳光的能力。在所有太阳能电池中，这种电池的光能转化效率最高。更令人感到欣喜的是，与此前采取的方式相比，仿蝴蝶翅膀太阳能收集器的成本效益更高。1229.斯洛文尼亚仿蜂巢建筑建筑公司Ofis从蜂巢身上获得灵感，为低收入家庭设计出图片中展示的住宅，既可在最大程度上做到保护隐私，同时又极具美感。错列的窗户色彩鲜艳，能够起到遮阳和通风的作用。与传统的窗户设计相比，这种仿蜂巢设计赋予建筑更有趣的外观。12310.仿蜘蛛电动代步工具一年一度的“火人节”从来就不缺少富有艺术气息和奇形怪异的汽车。这一年，一款仿生设计吸引了所有人关注的目光。这款单人驾驶的代步工具名为“机械蜘蛛”，有8条腿，利用液压行进。与蜘蛛一样，它的行进速度很慢，但用来代步已经足够了。如果这样一个怪异的家伙出现在街道上，一定会成为最大焦点。124
