仿生科技 前途无量

王瑞良

现实生活中，人类的许多发明创造，其最初的灵感，常常来自自然界中某些生物（主要是动物）的启示，这就是我们通常所说的仿生科技. 随着现代科学技术的发展，仿生科技如雨后春笋，不断萌生，不但提升了人们的生活品质，而且正在改变因成本不断上涨和原材料日益稀缺而陷入困境的某些行业，发展前景十分看好.

螳螂虾与防弹衣

一种名为“螳螂虾”的软甲纲动物最近引起科学家的兴趣. 这种小动物既非螳螂也非虾，只是因为长相相似而得名. 螳螂虾以蜗牛、螃蟹等软体动物为食，能用钳子般的前螯击碎它们的外壳，力度高达500牛顿，足以打破水族箱的玻璃. 美国哈佛大学的詹姆斯·韦弗等人研究发现，螳螂虾进化出了一种在许多方面都很特别的身体结构，如它那复杂的复眼能看到从紫外线到红外线的各种光线. 更令人惊奇的是，它的螯里面有一种比一切合成材料都要牢固和坚韧的多重结构，每个都能抵御灾难性破损，即使它的螯在雨点般的敲击后受损，其身体也会安然无恙.

通过纳米级的剖析，研究人员进一步发现，螳螂虾的螯之所以具有极强的抗撞击能力，是因为它的体内有3个矿物成分和功能各不相同的区域. 其一是在准备出击时，螳螂虾会把螯团成一个大头棒，其厚度是相邻附器的5倍. 第二个区域叫撞击区，也就是螯的外层，它含有羟磷灰石，这种薄薄的物质也出现在脊椎动物的骨骼和牙齿中，厚度只有50～70纳米. 通常情况下，这样的薄层很容易碎裂，但它下面有一层脱乙酰几丁质，可以分散撞击力并防止裂痕扩散. 第三个区域分布在螯的侧面，硬度更低一点，有助于进一步分散撞击力.

正是靠着这种特殊的三叉结构，使得螳螂虾的螯坚韧无比. 模仿这种构造，有可能帮助人们研制出更好的防弹服——目前的防弹复合材料主要使用硅酸盐、玻璃纤维、特富龙和橡胶，其性能远不如螳螂虾的天然材料.

除了可用作防弹服外，这种多层生物复合材料还可用来制造多种其它高强度有机混合材料，如工业陶瓷等，或者为它们的研发提供重要借鉴.

壁虎与“蜘蛛服”

意大利都灵理工大学的尼古拉·普尼奥最近表示，他从壁虎获得灵感，正在研究一种新型服装，可以让穿上它的人，像科幻影片《蜘蛛侠》中的主人公一样，附着在高楼大厦的墙壁或天花板上，来去自如.

壁虎，一种长约10厘米、背呈暗灰色的爬行纲四足小动物，能在光滑如镜的墙面或天花板上穿梭自如，捕食蚊、蝇、蜘蛛等小虫子而不会掉下来. 这种现象引起了普尼奥的注意. 经过长时间的观察和研究，他终于弄明白了，原来，这是壁虎利用分子的电磁引力，克服了地心引力而具有的一种天生的“特异功能”.

进一步的研究发现，在壁虎的爪指顶端长有数百万根叫做刚毛的极细纤维，它们以数千根为一组，呈刮刀状排列. 在高倍显微镜下观察，这些刮刀就像是长在绒毛顶端的花耶菜，具有很强的黏附力. 试验证明：100万根细纤维（其断面直径如一枚钱币）所具有的黏附力，约可托起一个20公斤重的小孩. 为什么会有这样大的黏附力呢？普尼奥认为，这只能从物理学中的弱力理论得到解释.

根据弱力理论，分子间具有一种电磁引力，弱力可使分子与其接触的任何物体相互吸引. 分子间的这种电磁引力，只有在分子（细纤维）距离物体表面很近时，才起作用；二者的距离越近，引力也越大. 但是，仅此还不能完全说明为什么引力会如此之大. 普尼奥解释说，是不平衡的电荷互相吸引时产生的分子间的作用力，导致了强大的黏附力. 目前他正在据此研发一种强力干性黏合剂，这种黏合剂将使用一种与壁虎爪指上的绒毛类似的人造绒毛. 普尼奥说，这个领域的研究在科学界有着许多有趣的应用，如应用在航天领域，可使宇航员穿上有吸盘附着系统的宇航服，更加安全地在太空行走；也可以考虑据此原理研制一种微型机器人，让其手足具有与壁虎一样的高超的攀援功能，去执行某种特殊任务.

“蜘蛛服”的研究目前尚存在两个问题：其一是如何控制黏性，因为要一直黏在墙上并不难，只需使用超强胶水就行了；但是如何在很容易地分离以后再黏上去呢？其二是还需要设计一套自我清洁装置，因为在沙土中爬行的壁虎，每隔几分钟就会清洁一下自己的脚趾. 普尼奥说，这些问题的解决已有若干思路或方案，但要真正解决问题，大概还需要几年时间.

蝗虫与防撞汽车

一种从蝗虫的视觉系统与外界的互动方式获得灵感而创制的新型汽车防撞系统，最近由美国林肯大学、纽卡斯尔大学、德国汉堡大学和中国清华大学、西安交通大学合作研发成功.

研究发现，大部分动物在与外界互动的过程中，视觉都发挥了关键作用. 甚至连相对低等的动物也具有非凡的视觉处理能力. 例如蝗虫就拥有一套迅速而准确的报警系统，能以异常快的速度对正在接近自己的捕食者做出反应，并在飞行中避免与它们相撞.

受此启发，科学家们研发出一种运动探测器，将其安装在机器人身上，让其通过视觉信号输入就能够探路或与其它动物互动，帮助车辆查明前方路段的情况，并更快地采取行动.

据介绍，这种以蝗虫的脑部构造为基础研发的、能察觉正在接近的物体并避开的机器人神经系统网络程序，与使用雷达或红外线探测器的传统方式不同，它能对蝗虫的眼睛和神经元功能进行模拟，以此作为开发车辆防撞系统的基础，而无需传统方式要求的较强的计算机处理能力，因而可用于许多领域.

纽卡斯尔大学神经系统科学院的克莱尔·林德博士说：“尽管现在有一些豪华车设置了防撞功能，但其性能并不尽如人意，而且成本高昂. 我们的研究可以提高车载系统的表现，使其完全剔除人为错误的影响，因而应当说是一种方向. ”

（1） 触角：触角除触觉、嗅觉外，还有其他功能. 一旦丧失触角，蝗虫就几乎失去了除视觉外的所有感觉，而蝗虫分辨物体主要是通过嗅觉而不是视觉.

（2）单眼：蝗虫一般有3个单眼，不能够看东西，仅能够感光. 复眼是主要的视觉器官.

（3）复眼：蝗虫辨别物体接近或者后退的方式，是通过观察物体的图像是否还在其每只复眼的视觉范围中运动.

（4）气门：气门是气体出入蝗虫身体的门户. 挨着气门，在蝗虫腹部第一节的两侧，有一对半月形的薄膜，是蝗虫的听觉器官.

（5）气囊：气囊的舒张和收缩有利于气管内空气的进出，增加浮力利于飞翔.

（6）前翅：蝗虫的前翅质地较硬、狭长，覆盖在后翅上起保护作用，并不适于飞行，后翅呈薄膜状，柔软而宽大，适于飞行.