大自然的啟示——有趣的仿生學

教師簡介

張芳

蘇州市吳江區七都小學科學教師、江蘇省優秀科技輔導員、吳江區科學學科帶頭人。每年組織和開展各項科技社團活動，輔導學生參加江蘇省金鑰匙科技競賽、航模賽等多次獲獎。

在四年級科學下冊第二單元《新的生命》第六課《動物的卵》中，

同學們已經學習了雞蛋的內部結構，也了解了雞蛋外部結構的作用。也許大家會問：雞蛋那么薄、那么脆，為什么不容易被捏碎呢？我們學習了六年級科學上冊第二單元《形狀與結構》第三課《拱形的力量》后，知道了這與它特有的蛋形曲線和科學的結構是分不開的，它能夠把受到的壓力均勻地分散到蛋殼的各個部分。

人類正是根據雞蛋的這個特點進行仿生設計，現在像雞蛋那樣的仿蛋建筑已經很普遍了。本期，我們就跟隨蘇州市吳江區七都小學的張芳老師，一起走進有趣的仿生學！

仿生學是一門既古老又年輕的學科，它是以自然界萬事萬物的形、色、音、功能、結構等為研究對象，有選擇地在設計過程中應用這些特征、原理，創造出適用于學習、生產和生活的先進技術。它誕生不過40多年，就已經揭示出生物的許多奧秘，并模仿生物的特性制造了許多具有特殊性能的新設備、新工具。

今天，仿生學已成為當代最引人注意的尖端科學之一，軍事仿生、交通仿生、建筑仿生、農業仿生、醫學仿生及智能機器仿生等各個領域的新成果不斷涌現，我們一起來了解一下吧！

我國最早的仿生大師——魯班

據傳，我國古代杰出的建筑大師魯班在一次上山砍伐途中，手被鋸齒草的邊緣齒劃破了。他好奇地摘下草葉仔細觀察，發現葉子邊緣有兩排鋒利的鋸齒，于是受此啟發，并經過反復實踐，制成了人類史上第一架帶有鋸齒的木工鋸。魯班的發明和創造故事，實際上是中國古代勞動人民發明創造的故事。

動物仿生學

1鱷魚“流淚”的啟示

兇殘的鱷魚在吞食獵物時，總是流著“悲傷”的眼淚，其實它們是在排泄體內多余的鹽分。生活在咸水或海水中的動物，體內都有一種特殊的結構——鹽腺，各種鹽腺的構造基本一樣：中間是一根導管，并向四周輻射出幾千根細管，跟血管交織在一起，把血液中多余的鹽分離析出來，再通過中央的導管排泄到體外。

鹽腺是動物天然的“咸水淡化器”?？茖W家從鱷魚“流淚”中得到啟示，模仿鹽腺的構造原理，研制出一種體積小、質量輕、效率高、價格低的仿生海水淡化器，解決了海水淡化的難題。

2電子蛙眼

科學家在一百多年前做過兩次青蛙實驗。一次是把一只青蛙放在籠子里，又把幾只活蒼蠅放了進去。過了幾天，他們去看青蛙，發現青蛙還活著，蒼蠅卻一只也不剩了。另一次還是把一只青蛙放進籠子里，又放進幾只死蒼蠅。過了幾天，他們發現青蛙竟然被餓死了，蒼蠅一只也沒少。兩次不同的實驗結果證明，青蛙的眼睛看活動的東西特別敏銳，對靜止的東西卻視而不見?？茖W家根據青蛙的眼睛能夠敏捷地發現運動著的目標，迅速判斷目標的位置、運動方向以及速度的特性，發明了電子蛙眼。

電子蛙眼廣泛運用在機場以及交通要道上。在機場里，它若監控到飛機要發生碰撞，會立刻發出警告。在交通要道上，它還會指揮車輛的行駛，防止車輛碰撞事故的發生。

青蛙的眼睛還有一種特殊的功能，可以識別不同的圖像。科學家經過反復研究，把電子蛙眼改裝成了商電子蛙眼場里的監控器。監控器通過光纜傳輸到電腦設備上顯示和保存，可以清楚地看到每個人在商場里的一舉一動，還能記錄下小偷偷東西的全過程。

3從螢火蟲到人工冷光

自從人類發明了電燈，生活變得方便、豐富多了。但電燈只能將電能的很少一部分轉變成可見光，其余大部分都以熱能的形式浪費掉了，而且電燈的熱射線對人眼有害。那么，有沒有只發光、不發熱的光源呢？人類又把目光投向了大自然。

在自然界中，有許多生物都能發光，如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等，而且這些動物發出的光都不產生熱，所以又被稱為“冷光”。在眾多的發光動物中，螢火蟲是其中的一類。它們發出的冷光的顏色有黃綠色、橙色，光的亮度也各不相同。螢火蟲不僅具有很高的發光效率，而且發出的冷光一般都很柔和，很適合人類的眼睛，光的強度也比較高。于是，科學家從螢火蟲的發光器中分離出了純熒光素和熒光酶，又用化學方法人工合成了熒光素。

植物仿生學

1源于花的靈感

向日葵的最大特點是向陽而生，以便吸收到盡可能多的陽光。德國建筑學家從向日葵中獲得靈感，建成了一幢能隨太陽轉動的向日葵旋轉房屋。它裝有如同雷達一樣的紅外線跟蹤器，只要天一亮，房屋上的馬達就開始啟動，使房屋迎著太陽緩慢轉動，始終與太陽保持最佳角度，使陽光最大限度地照進屋內;夜間，房屋又在不知不覺中慢慢復位。這種建筑能夠充分利用太陽能，保證房屋的日常供熱和用電，又能將光能儲存起來，供陰雨天和夜晚使用。

2源于莖的靈感

竹子的竹節處有橫隔相連，與竹身構成一個整體，這對中空、細長的竹竿的剛度和穩定性很有意義，可以協調變形，共同參與抗彎作用。受到植物莖節生長的啟發，人們發明了“春筍建筑法”，把每一層墻板從高度上分成三四段預制好，然后用液壓千斤頂以1米的行程，反復頂升，可以很快“長”成設計的建筑。

自行車車架“空心管”的設計靈感正來自麥稈，借鑒其“空心”結構，卻支持比它重幾倍的麥穗力學原理。制成的自行車既有足夠的強度，又減輕了車身的質量。

3源于果實的靈感

尼龍搭扣的誕生是從果實中受到啟發的經典案例。瑞士工程師喬治·德·梅斯特拉爾經常帶著自己的愛犬到森林中漫步，每次返回時，他都發現褲子和狗身上掛滿了蒼耳、牛蒡等刺果。受好奇心的驅使，喬治用顯微鏡觀察刺果，發現無數的小鉤子在有毛圈結構的褲料上不會輕易脫落。經過8年的實驗，他終于發明了既容易系上又容易解開的尼龍搭扣。

大自然的神奇與美麗給我們留下了無限的遐想。從水母的順風耳到風暴預測儀，從長頸鹿的身體結構到抗荷飛行服，從五彩斑斕的蝴蝶到迷彩服，從蝙蝠超聲定位器到探路儀，從蚊子呈鋸狀的口器到無痛針頭......大自然是人類最好的老師，萬事萬物都能帶給我們啟示。只要留心觀察，善于發現，就會有所發明，有所創造。同學們，讓我們一起攜手走進神圣的科學殿堂，探索大自然的奧秘吧！