向昆虫拜师

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  身体分头、胸、腹三部分,有三对足、两对翅,头上生着一对触角,长着一对复眼三只单眼,一个口器,这就是昆虫。全世界已知动物超过150万种,其中昆虫就有100万种以上。昆虫不但种类多,而且个体数量也十分惊人。从赤道到两极,海洋、河流到沙漠,高至世界的屋脊,下至几米深的土壤里,都有昆虫的存在。科学家在研究昆虫的过程中,努力向昆虫学习,发明多多。
  
  学蛀虫发明盾构机
  
  一根好好的木头,出现一个小孔,细细的木屑不断地从洞中排出来。劈开一看,原来是一条蛀虫在钻孔,它那来如此的能耐?这引起了英国工程师布鲁诺的兴趣,他观察小肉虫的口器怎样推进,又怎样将木屑拨出来,于1825年发明了开挖隧道的盾构机。早期的盾构,主要是利用盾构机械所特有的盾壳作为支护,防止地层的坍塌,基本上是采用人工开挖方式。经过不断改进,现在已变成了全自动的隧道施工机器人。
  盾构机形似一个横卧大铁桶,直径超过11米,人站在上面,显得很渺小。机头就像一张圆台面,上面嵌满一块块“刀片”。整个盾构设备长度超过100米,包含各种机电设备和千斤顶,里里外外几乎全是钢结构。在推进时,盾构机头缓慢转动,“刨”开泥土,平均每分钟能前进1.3厘米左右,每推进一段距离后,盾构机要停一停,伸出铁臂,在它挖洞的内壁上,安装一环管片。工人把管片中的螺丝拧紧,管片的长度正好把隧道内壁“捆”一圈。拼完一环后,盾构机又往前推进,停下,再拼一环管片……如此“一环扣一环”,一条隧道便由无数环管片连接而成。
  现在,全世界共生产各种类型的隧道盾构机约8000余台,它们有大有小,在地铁施工、海底和过江隧道的开挖、管线铺设中大显神通。
  
  独角仙式飞行器
  
  甲虫的特点是体外有的甲壳,有一种长喙甲虫,喙伸出占身体的1/3,铜绿的色彩十分艳丽,看起来有点笨拙,取名“独角仙”。
  独角仙身体粗短,重量在40~50g,看它的翅膀面积,用传统的飞行理论计算,会得出它们的升力不足,飞行能力肯定不行。而事实上独角仙是一种特别能飞的甲虫,它的飞行机理,是现行飞机设计理论无法解释的。据计算,独角仙的飞行升力竟是目前最先进机翼的2倍。飞行时它硬翅张开,发挥如同飞机固定翼的作用,里边的膜翅张开后,比前翅要大出许多,能产生强大的振翅运动,悠悠欲仙地在空中飞来飞去,不知有多自在。
  科技人员模仿独角仙的飞行姿态,设计了一种新式飞机。将两台发动机设在主翼后方,前翼带有很大的翼肋,没有尾翼。这种外形似独角仙的飞机,由于没有尾翼,大主翼的头部可以弯曲,用于改变飞行方向,机动性能相当好,我国空军使用的第三、四代歼击机,均采用这种外形设计。
  
  仿生蝇眼探测仪
  
  昆虫的头部都有五只眼睛,三只单眼,两只复眼。在显微镜下观察复眼的结构,它是由一个个六边形和四边形的小单位组成的,这些“小眼”有4000多个。据科学家研究,苍蝇的每一个“小眼”都是一个小透镜,有独立的光学系统,有通向视中枢的感光细胞,也就是说每一个“小眼”都能成像。深一步研究发现,如果把每一个“小眼”的光信息整合,能形成全视场的图像。苍蝇正是靠复眼,获得比人眼分辩率高得多的运动视觉信息。实验表明,一个物体摆在人眼前0.05秒,人方能看清它是什么,而苍蝇的复眼只要0.01秒就能看清了,判定的速度是人眼的5倍。苍蝇的“小眼”从不同的视角扫描,经视中枢分析,能很快确定目标的位置和速度,对运动着的物体有极好的探测和跟踪本领。美国科学家用这一原理,制造了宇宙射线探测器,它由880个人造“小眼”相互联结,对天空进行全天候的观测,记录宇宙高能射线的运动轨迹,为天文学家提供各种天体信息。
  
  新式豉虫滑水板
  
  豉虫俗称水鳖子,身体呈椭圆形,雄虫长约7毫米,雌虫较大。甲壳黑色或黄色,闪闪有光泽。头顶及前胸背部十分光滑。有意思的是它的复眼分离,有上下2对,上方1对,可以看空气中的东西,下方1对,适于水中视物。前肢长,中、后两肢短小而侧扁。它们生活在池沼中,个个是游泳能手,特别有趣的是它们喜欢在水面旋回游泳,就像一叶微小的冲锋舟机动灵活。豉虫为什么能在水面游转自如呢?从表面看它没有什么特别,秘密在它的两对后足,用手摸后足的附肢,阻力特别大,好像有胶水沾住的感觉。将附肢在显微镜下观察,就能看到上面有密密的细毛,正是这些细毛使得水的表面张力能轻而易举地托住它。
  受豉虫附肢毛的启示,科技人员设计出一种新式的滑水板,它用泡沫塑料制成,触水一面摸仿豉虫后足的结构。游泳的人可以将上半身趴在滑水板上,双脚拍打水面,滑水板就会向前推进,十分安全。这种滑水板胜过游泳圈,适合初学游泳者使用,成了孩子们的最爱。
  
  昆虫触角传感器
  
  观察任何一种昆虫,都会看到头部形态各异、长短不一的触角,而且触角总是在不断地转动。触角是昆虫感知物体形状、种类和硬度,判断不同气味的探测仪。触角的表面有很多的小孔,在孔的底部充满着感觉细胞,能感知不同的物体和气味信息。昆虫对气味的探测特别灵敏。一只雌蛾发出的性信息激素,在10千米范围内的雄虫都能探测到,这时每立方米空气中的信息分子只有几个。
  人类使用的各种机器,特别是自动化程度很高的仪器、机器和机器人,对外界情况的感知全靠各种传感器。在自动化机床加工时,精度的控制就靠一根针状的测量仪,它完全是模仿昆虫的触角制成的。它用螺丝调整高度,靠磁力改变方向,但与昆虫触角无法相比。随着科技的发展,现在科学家已能用数字电路造出灵敏、快速的气体分析仪,它只有人的指甲大小。这种仪器现已装置在航天飞船的座舱内,为揭示宇宙的化学成分而工作。气体分析仪也可用来测量潜水艇和矿井里的有毒气体,及时发出警报,保护员工的生命安全。
  
  蚁式六足机器人
  
  机器人是人类的一大发明,它们有各种类型,其中以拟人的机器人最引人注目。走进第五届沈阳中国国际装备制造业博览会,一进G馆的大门,就会有童声传入你的耳朵:“大家好,我是服务型机器人,我叫亮亮。”它是沈阳新松机器人自动化股份有限公司的产品,亮亮身高0.8米,用轮式行走,有教育、娱乐、安全和个人助理四大功能。亮亮的下一代月月,将装上选择注意力等多种智能芯片,实现人机对话,达到六七岁儿童的会话水平。在工程学中,人形机器人的本事远不能同多足机器人相比,最为引人的是模仿蚂蚁的6足机器人。蚂蚁走路又快又稳,能穿洞,会爬墙,能倒能转,可后四足站立,前两足工作。所以在林地作业、矿山开采、隧道作业中,均用6足机器人。在发展机器人中,昆虫的独特结构功不可没。
  
  灵活蝼蛄挖掘机
  
  开挖大的隧道、地铁施工、开山洞可以用盾构机,但在城市市政工程中开挖一条小沟,铺设一条管道,场地窄小,大型机械无法施展,只得用人工开挖,劳动强度可想而知。设计生产小型的打沟挖洞机,成了工程技术人员的日思夜想的事。工程师们设想了多种方案都不理想,最后在研究蝼蛄中得到启发,制造出了蝼蛄式挖掘机。
  蝼蛄是在地下生活的昆虫,又叫土狗子,还有拉拉蛄、地拉蛄等多种名称。它身体狭长,头小呈圆锥形。复眼小而突出,单眼2个。前胸背板椭圆形,背面隆起如盾,两侧向下伸展,几乎把前足基节包起。前足特化为粗短结构,基节短宽,腿节略弯,片状的胫节很短,三角形,带有很强的端刺,适于开掘。如果你捉到一只蝼蛄放在泥地上,不一会儿它就钻地逃遁了。蝼蛄挖地速度之快,完全在它的挖掘足和背盾。技术人员,模仿蝼蛄的挖土,设计出一种小型的挖掘机,它能开沟,打水平洞,操作自如,成了城市施工不可少的设备。
  
  大有用处虫型机
  
  一只小蜜蜂在你的头上飞,嗡嗡声比普通的蜜蜂大,原来这是一只最新研制出来的昆虫机器人。它装有摄像头、各种传感器,2007年在美国肯尼迪航天中心同航天飞机一起升空,参与火星探测。
  “虫型飞机”的翅展小于15毫米,自重不超过50克,载重要求在10克以上。1991年美国林肯MIT实验室率先制造出了一架名为“机器虫”的小型飞机。
  像昆虫大小的飞机,精密度要求很高,起初只在军事侦察领域使用,现在已经逐步向民用、农业等方面过渡。未来的“虫型飞机”不仅可以执行搜索、轰炸等军事任务,在胸腔手术时,还能飞入人体内执行手术任务。虫型飞机是精密制造、微电子、仿生学综合技术应用的成果。
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