爬行動物仿生秀

Mr.+Frog

仿生學是高科技的代名詞，它是指運用尖端的科學技術，來模仿生物的各種官能感覺和思維判斷功能，從而更加有效地為人類服務。進入21世紀，仿生學已成為現(xiàn)代科學技術的前沿和熱點領域，從千姿百態(tài)的動物身上獲取的靈感，給仿生學帶來了源源不斷的動力。

近代，科學家根據(jù)螢火蟲的發(fā)光原理，獲得了化學能轉(zhuǎn)化為光能的新方法，從而研制出超節(jié)能的熒光燈；根據(jù)青蛙眼睛的特殊構造研制了電子蛙眼，用于監(jiān)視飛機起落和跟蹤人造衛(wèi)星；模仿狗鼻子嗅覺功能制造出的電子鼻，可以檢測出極其微量的有毒氣體等。這些科技成果在讓人嘆為觀止的同時，也讓動物仿生學聲名大噪，論貢獻，爬行動物是其中的佼佼者。

飛檐走壁的秘密

飛檐走壁小精靈—壁虎

不知大家是否還記得，兒時的老房子或老街道的路燈下，時常能見到一種飛檐走壁的小精靈—壁虎。它們在天花板或墻壁上來去自如，引起人們的無限遐想。近年來，電影《蜘蛛俠》更是讓我們對這種幾乎無障礙的運動方式充滿了好奇和向往。

飛檐走壁是許多動物與生俱來的能力，壁虎則是爬壁能力極為突出的動物之一。壁虎的腳趾能與固體表面快速黏附或去黏附，因而能在與地面近乎垂直或平行的表面（倒掛著）快速移動。最開始，人們認為壁虎能飛檐走壁是因為腳下有吸盤，其實，其趾端膨大的足墊并不是吸盤。真正起作用的，是壁虎足墊和腳趾下鱗上密布的一排排成束的微絨毛，它們?nèi)缤恢恢粡澬蔚男°^，能夠輕而易舉地抓住物體；微絨毛頂端腺體的分泌物，也能增強它的吸附力。

仿生壁虎機器人

壁虎外周神經(jīng)對腳掌的運動控制采用獨立模式，控制策略簡單有效，腳底對接觸力及方向有明確感受，這對仿生壁虎機器人的控制設計很有啟發(fā)。其腳趾表面精妙的黏附結構，為人類研制仿生干性黏附陣列材料和研發(fā)新型爬壁機器人提供了重要線索。南京航空航天大學的戴振東教授模仿壁虎腳趾結構與動作，設計了可以在天花板上爬行，并具有一定越障能力的爬壁機器人，有望在不久的將來應用于航空航天等重大領域。

五彩斑斕的變色世界

“偽裝高手”—變色龍

變色龍的種類很多，約有160種，主要分布在非洲。雄性變色龍會將暗黑的保護色變成明亮的顏色，以警告其他變色龍離開自己的領地；有些變色龍還會將平靜時的綠色變成紅色來威脅敵人。在自然界中，變色龍是當之無愧的“偽裝高手”，它可以一動不動地將自己融入周圍的環(huán)境之中。為了逃避天敵和接近獵物，一些昆蟲和青蛙的皮膚也會改變顏色，使之與周圍環(huán)境相一致，但這需要一段時間才能完成，而變色龍如同耍魔術一般瞬間即變。

變色龍通過視覺觀察環(huán)境，然后用大腦控制不同色素細胞膨脹或者收縮，從而實現(xiàn)顏色轉(zhuǎn)變。變色龍變換體色不僅僅是為了偽裝，另一個重要作用是實現(xiàn)變色龍之間的信息傳遞。康奈爾大學生物系的安德森對變色龍的“變色原理”進行了詳細解釋：變色龍皮膚有三層色素細胞，最深的一層是由載黑素細胞構成，細胞帶有的黑色素可與上一層細胞相互交融；中間層是由鳥嘌呤細胞構成，它主要調(diào)控暗藍色素；最外層細胞則主要是黃色素和紅色素。安德森說：“基于神經(jīng)學調(diào)控機制，色素細胞在神經(jīng)的刺激下會使色素在各層之間交融變換，實現(xiàn)變色龍身體顏色的多種變化。”

多彩的變色涂料

人類的許多發(fā)明與創(chuàng)造都來自動物體形和行為活動的啟發(fā)，變色鏡就是受變色龍的啟發(fā)設計的。

科學家們探索出了一種可以隨光線強度和溫度的不同而改變顏色的涂料，尤其是納米材料問世后，變色手段如虎添翼，更加豐富多彩。當把這些涂料涂在玻璃上時，就制成了風靡世界的變色鏡。各式各樣的變色鏡不僅美觀，而且可減少光線對眼睛的刺激，對眼睛起到保護作用。不僅如此，人們還把變色涂料用在衣料、墻面、餐具等物體上，使其在不同溫度和光照下，呈現(xiàn)出各種不同的美麗色彩，從而把人類生活的環(huán)境美化得五彩繽紛、艷麗奪目。另外一個仿生學應用是士兵自變色迷彩服，不過現(xiàn)在還是概念設計，因為很多技術還不成熟。

人類的變色發(fā)明雖來自變色龍的啟發(fā)，但變色的手段和花樣都遠遠超過了它，正是“青出于藍而勝于藍”。

暗夜殺手的“第二雙眼睛”

“暗夜殺手”—蝮蛇

二郎神楊戩因為能用第三只眼睛看清妖魔鬼怪的真身，這才識破了孫悟空的七十二般變幻，最后活擒了孫悟空。盡管這只是神話故事里的人物，但卻讓我們對三只眼無比好奇。而現(xiàn)實生活中，真有動物擁有“第二雙眼睛”，當然，這雙眼睛不是火眼金睛，也不能洞悉妖魔鬼怪的真面目，但這雙眼睛卻讓黑夜中的獵物無處藏身。這擁有“第二雙眼睛”的動物就是蝮蛇。

蝮蛇是蝮亞科蛇類的總稱，著名的成員有尖吻蝮、竹葉青、高原蝮、莽山烙鐵頭等。它們鋒利的管狀毒牙能瞬間將致命的毒液注入獵物體內(nèi)，一招制敵。更讓人嘆為觀止的是，蝮蛇在夜晚或洞穴內(nèi)僅有弱光甚至無光的環(huán)境中，仍能準確識別并迅速鎖定目標，進而發(fā)動迅猛的攻擊。因此，在自然界中的眾多捕食者中，蝮蛇被譽為“暗夜殺手”。

蝮蛇之所以能在弱光和無光的環(huán)境中發(fā)現(xiàn)并鎖定獵物，并非因其視力超群，而在于它們擁有“第二雙眼睛”。依靠這雙眼睛，它們可以“看”到目標的紅外圖像。這“第二雙眼睛”就是其特有的紅外感知器官—頰窩，位于蝮蛇兩頰部位的一對凹陷狀結構。正是有了頰窩，蝮蛇才能精確感知紅外信息的細微變化，并以此實現(xiàn)對目標的識別和定位。蝮蛇的紅外感覺靈敏度極高，其頰窩內(nèi)部有一層內(nèi)膜，稱為頰窩膜，科學發(fā)現(xiàn)頰窩膜能分辨0.003～0.005℃的細微溫度變化。此外，蝮蛇頰窩具有進行小孔成像的結構基礎，這一特征顯著提高了紅外感覺的靈敏度。

紅外成像的優(yōu)點不言而喻。在野外，由于受獵物數(shù)量的制約，蝮蛇捕獵的機會少，而且有很多不確定因素。錯失一次捕食機會，將意味著生存受到威脅。此外，蝮蛇的毒牙鋒利而細長，極易折斷，長期的進化導致蝮蛇必須盡可能地在最短的時間內(nèi)識別和定位目標。因此，保證一擊必殺至關重要。為了適應復雜多變的外界環(huán)境、提高捕食的成功率，蝮蛇的紅外與視覺系統(tǒng)能完美配合。通常，白天光照充足、氣溫較高，蝮蛇視覺系統(tǒng)能發(fā)揮良好的作用；而夜間或在洞穴中，由于目標和環(huán)境溫度差異較大，此時紅外系統(tǒng)便可大展身手。

潛力無限的紅外信息世界

從人類生活的生物圈乃至整個地球的角度看，紅外光雖然不能直接為人們?nèi)庋鬯姡珔s無處不在。無論從波長跨度上，還是占太陽能的比重上，都超過了可見光。因此，紅外光所承載的信息量不容小視。但是因為人類無法直接感知，因此紅外光在很大程度上被我們忽略。可以說，紅外信息世界是一個擺在人類面前的隱形寶庫，開啟它必然能回答一些不解之謎。而具有紅外感知的生物，即是讓我們理解和認識紅外信息世界的橋梁。因此，對動物紅外感知（尤其是具有成像能力的蛇類紅外感知）的系統(tǒng)研究，無疑能拓展和完善人類的認知領域。學習、認識和掌握動物的紅外感知，必然讓人類的感知世界得到極大擴展。

人們從蝮蛇的捕食技巧獲得啟發(fā)，發(fā)明了響尾蛇導彈、紅外夜視儀等仿生產(chǎn)品，在軍事和民用領域大獲成功。然而，有關蝮蛇紅外感知的研究遠遠沒有結束，其紅外成像機理，尤其是在各級神經(jīng)系統(tǒng)對紅外圖像參數(shù)的編碼和整合方面，仍需深入和系統(tǒng)地研究。值得注意的是，紅外和視覺系統(tǒng)的相互關系，是研究雙模神經(jīng)元與雙模神經(jīng)結構及其功能的絕佳材料，清楚地了解兩種圖像信息的配準與融合原理，可以幫助我們進一步完善夜視與定位設備，為軍事和醫(yī)學等研究領域提供重要理論基礎。

動物仿生學的未來仍然充滿驚喜，古老而神奇的爬行動物將繼續(xù)驚艷我們的眼球，讓我們拭目以待吧！