世界不思議

昆蟲與它們的“仿生武器”人類能從昆蟲身上獲得什麼“靈感”?

人類吹噓自己是地球上唯一擁有先進智慧的生物。他們在與自然抗爭的同時,創造了文明,發展了科學技術。各種技術和發明彌補了人類的不足,但人類仍然面臨著困難。在幾十億年的進化中,生物體通過無數的失敗和犧牲完美地解決了許多問題。因此,人類應該向自然學習,從中汲取靈感。

昆蟲的進化最晚在4億年前演化成功。截至2019年,世界上已記錄到約92.5萬種昆蟲。昆蟲是生命進化史上種類最多的動物。它們遍佈除南極洲以外的所有大陸。它們的總重量超過了所有其他動物(包括人類)的總和。他們是土地的霸主,有能力改變地球的面貌。這樣一個繁榮昌盛的生物群體,當然會成為人類的老師,人類也在緊跟昆蟲進化的步伐,不斷完善自己的技術,產生新的發明。
昆蟲的感官仿生

複眼是昆蟲最重要的視覺器官。它由許多小眼睛組成。小眼睛呈六角形,邊緣重疊形成六角形陣列。每隻小眼的視野都很小,但由許多小眼組成的複眼的視野卻很大。一些昆蟲的水平視野可達240度,垂直視野可達360度,而人類的視野只有180度。昆蟲的複眼對移動的物體非常敏感。

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例如,蜜蜂對突然出現的物體的反應時間是0.01秒,而人類的反應時間是0.05秒。此外,複眼系統具有良好的距離測量和速度估計能力。由於昆蟲的視覺系統在運動過程中能起到突出的作用,它已成為現代飛行設備的重要仿生對象。早在1980年,美國科學家就試圖將昆蟲複眼原理應用於空對地導彈的制導研究,並建立了工程模型。目前,人們傾向於將其作為機器人導航系統來提高機器人的自主功能水平。基於複眼原理,應用了多種速度和距離測量儀器。不僅如此,人們還開發了一種可以同時拍攝1329張高清照片的飛眼相機,廣泛應用於軍事、醫療、航天等領域。

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昆蟲的觸角是嗅覺器官,在許多昆蟲中也起著味覺和聽覺的作用。昆蟲觸角上有許多毛狀受體。他們能感覺到環境的刺激,並將這些刺激轉換成神經信號,傳送到大腦。例如,蜜蜂的觸角上有3000-30000個嗅覺感受器,而有些蛾的觸角上有更多的嗅覺感受器。它們甚至可以對周圍的氣體分子作出反應。

另一個例子是雄蚊子通過雌蚊子的飛行聲頻率找到配偶。即使它們相距數十米,周圍有雷鳴般的噪音,它們仍然可以準確地找到目標。

這種靈敏度和抗干擾能力令人驚嘆。目前,仿生學在這一領域已經取得了一些成果,如用類蠅嗅覺裝置製成的高靈敏度氣體分析儀,已被用於航天器座艙內氣體成分的分析。此外,在礦井瓦斯監測和火災報警中,還採用了各種原理相似的嗅覺傳感器。
昆蟲形態和結構仿生

很多人在注射時會感到疼痛,但蚊子吸血時卻什麼也感覺不到。研究表明,那些不叮咬人的蚊子的口器結構非常特殊:當它們吸血時,鋒利的鋸齒狀口器像精緻的手術刀一樣切開皮膚,然後將針頭往裡推,只做一個小切口。與光滑注射器針頭相比,鋸齒狀邊緣接觸面積小,減少了對人神經的刺激,減輕了疼痛。日本科學家已經開發出無痛注射器來模仿蚊子的口器,但注射器很容易破裂,因此需要進一步改進。
昆蟲的腳也很有趣。表現出良好的吸附和爬升能力。有些昆蟲能在光滑的表面上抵抗超過自身重量100倍的壓力,並能在這些表面上自由行走!昆蟲的腳底非常複雜。有些是剛毛(昆蟲表面的一種細長的毛髮,一般有幾十到幾百微米長,幾微米厚)。

其中一些是類似於吸盤的可伸縮結構。此外,有證據表明昆蟲的腳底吸收分泌物以增加粘度。科學家希望通過這種仿生學來增強機器人的運動能力。德國研究人員研製出了一種帶有吸附腳的小型爬壁機器人,它可以在垂直的牆壁上行走,也可以穿過凹凸不平的表面。

“水漫遊者”水豚是另一種迷人的昆蟲,因為它可以在水上行走。中國學者曾在《自然》雜誌上發表文章指出,在水獺的腿面上有數千根同向排列的剛毛。這些剛毛有特殊的結構,能產生很大的表面張力,所以它能在水上行走。目前,基於仿生水上行走機器人的水上行走機器人的研究和開發已經在世界範圍內展開。相信水上行走機器人的出現只是時間問題。
昆蟲的運動仿生
現在有兩種飛機:固定翼飛機和旋翼飛機(直升機)。雖然人們已經實現了飛行的夢想,但這兩種飛機的靈活性仍然很差。特別是在早期的固定翼飛機中,機翼在快速飛行時會不斷地振動。多虧了工程師們從蜻蜓身上學習,他們在翅膀的兩端增加了重量來解決這個問題。

自然界的鳥和昆蟲飛得更靈活,它們拍動翅膀!所以人們想到了一種概念飛機:撲翼飛機,它可以像鳥和昆蟲一樣撲翼。世界各國的科學家對昆蟲和鳥類的飛行運動進行了多年的研究,發現了一些原理,但有些原理並不十分清楚。目前,研製大型載人撲翼飛機並不現實,也不能保證飛行過程中機身不會上下顛簸。

目前主要的開發項目是小型無人撲翼飛行機器人。儘管如此,它仍比其他飛行機器人具有更靈活、更快的飛行能力,對惡劣天氣的適應能力更強,偽裝能力更強。它將在測繪、偵察等領域發揮重要作用。
用於人類太空探索的月球車和火星車都是輪式的。但是,輪式漫遊車的性能並不好。他們的車輪有時被岩石卡住,有時被鬆軟的沙子困住,這讓遠離地球的監測人員滿頭大汗手足無措。這時,有些學者對昆蟲感興趣研究了昆蟲的腿。昆蟲有六條腿,雖然走得很快,但它們總是有三條腿在地上形成一個穩定的三腳架。美國加州大學的生物學家仔細研究了昆蟲爬行的每一個細節,並製作了一個機器人昆蟲。

它不僅能在崎嶇不平的道路上行走,而且即使被撞倒也能保持穩定,甚至在翻車時還能掉頭。這是輪式機器人無法比擬的。這種適應性更適合在無人行星或海床上進行探測。我相信他們很快就會發揮作用。
昆蟲其他特異能力仿生
許多昆蟲都有自己獨特的技能,值得學習。例如,螢火蟲等發光昆蟲可以將體內的能量轉化為光能,效率接近100%。這是目前普通燈具無法企及的,普通燈泡的轉換率只有6%。模擬螢火蟲發光的冷光源效率大大提高。

像螞蟻這樣的群居動物每天都很忙。他們把窩裡的垃圾扔掉,把食物帶到外面的窩裡。整個鳥巢就像一個物流網絡。然而,網絡並不是為了協調流量,而是有序的,很少擁擠。通過對螞蟻運動的研究,科學家們建立了“蟻群算法”的數學模型,用於指揮交通和物流,大大提高了運輸效率。

炮彈蟲是一種奇怪甲蟲,能向敵人噴射熱的有毒液體。研究發現,這兩種危險化學品存放在不同的“罐子”中,並在需要時進行混合。

一旦這兩種物質混合,它們就會在酶的作用下迅速反應——沸騰和爆發。美國軍事專家已經開發出一種非常先進的二元化學武器,將化學物質儲存在不同的容器中。炮彈一旦發射,橫膈膜就會破裂,導彈飛行後幾秒鐘內,這種混合物就會發生反應,最終起到殺敵的作用。然而,人們希望仿生學能為人類的利益服務,而不是為戰爭服務。

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