仿生生物技术

仿生技术是通过研究生物系统的结构和性质，以此来为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。仿生技术一词bionics是1960年由美国科学家斯蒂尔根据拉丁文“bios”(生命方式)和字尾“nic”(具有……的性质)构成的。

仿生技术的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是人类向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。仿生技术的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的，最接近于生物系统的技术系统，为人类造福。

生物自身具有的功能比迄今为止任何人工制造的机械都优越得多，而仿生技术，就是要在工程上实现并有效地应用生物的功能。在信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等方面，生物体的结构与功能在机械设计方面都给予了人们很大启发。

生物学的研究可以说明，生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制，生物所具有的许多卓有成效的本领是人造机器所不可比拟的。人们在技术上遇到的某些难题，生物界早在千百万年前就曾出现，而且在进化过程中就已解决了。在20世纪40年代以前，人们并没有自觉地对生物的功能进行模仿，而走了不少弯路。从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，开始自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。

苍蝇，是细菌的传播者，可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，从而实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由3 000多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它做镜头可以制成“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，大大提高了工效和质量。

自从人类发明了电灯，生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光，其余大部分都以热能的形式浪费掉了，而且电灯的热射线不利于人眼。为了制造只发光不发热的光源，人类又把目光投向了大自然。在自然界中，有许多生物都能发光，如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，而且这些动物发出的光都不产生热，所以又被称为“冷光”。在众多的发光动物中，萤火虫是其中的一类。萤火虫发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色，光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率，而且这种冷光一般都很柔和，很适合保护人类的眼睛，光的强度也比较高。因此，生物光是一种人类的理想光。

科学家研究发现，萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成。发光层拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光酶两种物质。在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，氧化合成便发出荧光。萤火虫的发光，实质上是把化学能转变成光能的过程。人们根据对萤火虫的研究，创造了日光灯，使人类的照明光源发生了很大变化。近年来，科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光酶，接着，又用化学方法人工合成了荧光素。由荧光素和水等物质混合而成的生物光源，可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。由于这种光没有电源，不会产生磁场，还可以做清除磁性水雷的工作。

人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。

生物许多的行为都与天气的变化有着一定的关系。沿海渔民都知道，生活在沿岸的鱼和水母成批地游向大海，就预示着风暴即将来临。水母，是一种古老的腔肠动物，早在5亿年前，它就漂浮在海洋里了。这种低等动物一直有着预测风暴的本能，每当风暴来临前，它就会游向大海中避难。其中原因在于，由空气和波浪摩擦而产生的次声波，从来都是风暴来临的前奏曲。这种次声波人耳无法听到，而水母对此却很敏感——仿生技术家发现，水母的耳朵的共振腔里长着一个细柄，柄上有个小球，球内有块小小的听石，当风暴前的次声波冲击水母耳中的听石时，听石就刺激球壁上的神经感受器，于是水母就听到了正在来临的风暴的隆隆声。

仿生技术家仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次声波的器官。把这种仪器安装在舰船的前甲板上，当接受到风暴的次声波时，可旋转360度的喇叭会自行停止旋转，它所指的方向，就是风暴前进的方向；指示器上的读数即可告知风暴的强度。这种预测仪能提前15小时对风暴做出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。

自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种。人们将这些能放电的鱼，统称为“电鱼”。各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压，称得上“电击冠军”，它甚至能击毙像马那样的大动物。

科学家们通过对电鱼的解剖研究，发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许多叫做“电板”或“电盘”的半透明盘形细胞构成的。电鱼这种非凡的发电本领，引起了人们极大的兴趣。19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的，所以把它叫做“人造电器官”。对电鱼的研究，还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。

专业泳衣制造商SPEEDO公司推出的第四代鲨鱼皮泳衣一经推出便极度风光：美国“飞鱼”菲尔普斯在2008年奥运会上获得8枚金牌，名将霍夫创造了女子400米混合泳的纪录……自投入市场以来，身着第四代鲨鱼皮的选手已接连刷新了40多项游泳世界纪录。这款泳衣之所以叫做“鲨鱼皮”，是因为它的核心在于模仿鲨鱼的皮肤。鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使鲨鱼得以快速游动。“鲨鱼皮”泳衣的超伸展纤维表面便是完全仿造鲨鱼皮肤表面而制成的。这款泳衣还融合了仿生技术原理，在接缝处模仿人类的肌腱，为运动员向后划水提供动力。

长颈鹿之所以能将血液通过长长的颈输送到头部，是由于长颈鹿的血压很高。据测定，长颈鹿的血压比人的正常血压高出2倍。这样高的血压却没有使长颈鹿出现脑溢血——这与长颈鹿身体的结构有关。首先，长颈鹿血管周围的肌肉非常发达，能压缩血管，控制血流量；同时长颈鹿腿部及全身的皮肤和筋膜绷得很紧，利于下肢的血液向上回流。科学家由此受到启示，在训练宇航员时，设置一种特殊器械，让宇航员利用这种器械每天锻炼几小时，以防止宇航员血管周围肌肉退化；在宇宙飞船升空时，科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤控制血管压力的原理，研制了宇航飞行服——“抗荷服”。抗荷服上安装有充气装置，随着飞船速度的增高，抗荷服可以充入一定量的气体，从而对血管产生一定的压力，使宇航员的血压保持正常。同时，宇航员腹部以下部位是套入抽去空气的密封装置中的，这样可以减小宇航员腿部的血压，利于身体上部的血液向下肢输送。

根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电线杆、台阶、路上的行人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。

龟壳的背甲呈拱形，跨度大，其中包括了许多力学原理。虽然它只有2厘米的厚度，但铁锤敲砸都很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，跨度大，坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌剧院就像一组停泊在港口的群帆。

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随着仿生技术的发展，科学家已经能够利用模仿人体组织的仿生材料，来代替人体器官的功能，解决各种医学难题。

大脑的结构非常复杂，大脑部分替换不像替换四肢那样简单。美国南加州大学教授伯格发明了一种仿生材料制作的电脑芯片，这种电脑芯片能够取代海马（大脑内控制短时记忆和空间感的区域）。如老年痴呆或中风等病症，这种芯片的植入可以帮助病人的大脑维持一定的正常功能。

有时候，当人们需要把药物准确无误地传到身体的某个部位时，一颗药丸或是一次注射都不能达到理想的效果。美国宾州大学生物工程教授丹尼尔·哈姆找到了一种更好的方法：人造细胞。它由仿生材料制作而成，能模仿白细胞自由地在身体内流动。这些假细胞能够准确无误地把药物送到它应该到达的部位。可以说，在假细胞的帮助下，某些疾病的治疗更容易、更安全了，其中也包括对癌症的治疗。

对于肾功能失效的人来说，基本的生活需求，例如，血液排毒和保持体内液体平衡，都需要数小时与透析机的连接来维持。科学家马丁·罗伯特和大卫·李设计了一种轻便的人造肾，尽管它的尺寸很小，但它却是自动化的、可穿戴的人造肾。人造肾不仅很小很轻，足以放置在身体的肾部位置，同时还可以帮助人体恢复肾功能。它的实际功能要强于传统的透析，因为它可以全天24小时正常使用——这和真正的肾没有什么区别。