航天科技中的仿生學

于梅君

人類很多創造靈感都來自大自然，不少航空航天技術也是如此。人們通過學習動物的能力，并且把它們應用在生產生活中，這就是仿生學。在航空航天事業發展中，很多發明其實都“學師”于各種自然生物。

航天服“學師”小龍蝦、長頸鹿

航天服和小龍蝦，你能想到這兩個看似相差十萬八千里的東西也存在聯系嗎？

眾所周知，航天員能順利出艙完成各項任務，全靠航天服的保護，航天服相當于一個小型載人航天器，能為航天員提供一個類似地球的環境，防止真空、高低溫、太陽輻射和微流星等環境因素的危害。

航天服除了要求安全系數高，還需要擁有很好的靈活度。關節部位是航天服設計中的一大難點，關節如果太硬，航天員難以活動；如果太軟，又無法達到防護效果。為了讓航天員有一件既牢固又靈活自如的航天服，科學家費盡了心思。

在設計新一代“飛天”航天服時，我國航天工程師在吃小龍蝦時，從蝦尾既堅硬又靈活的鱗片結構中，獲得了意想不到的靈感。

小龍蝦全身大部分都是堅硬的外殼，卻不影響它任意彎曲，而且在水中也十分靈活。原來它身上有一種鱗片層疊的結構，將堅硬的軀殼和柔軟的組織完美結合在一起，才讓它如此靈活。

工程師汲取靈感，經過反復設計和實驗，“飛天”艙外服關節處，設計了類似蝦尾鱗片的層疊結構，同時使用氣密軸承，讓航天服嚴格保證氣密性的同時，使關節活動自如。

此外，航天器升空時，速度非常快，壓力是人體根本無法承受的。而科學家研究發現，長頸鹿血液通過長長的頸部輸送到頭部時，卻不會發生腦溢血。通過對長頸鹿的研究，科學家研制出適合航天飛行的“抗荷服”。當飛船飛行速度增加時，抗荷服可以充入一定量的氣體，從而對血管產生一定壓力，這樣可以讓航天員的血壓保持正常。同時航天員腹部以下部位，要套入抽去空氣的密封裝置中，這樣可以降低腿部的血壓，有利于身體上部血液向下輸送。

太空導航，靈感來自蒼蠅

在宇宙中，因為缺少定位標，有時航天器會偏離航向，飛上錯誤的軌道，這個問題如何解決？科學家注意到蒼蠅不用跑道“就能直接起飛”，經過研究發現，蒼蠅后面一對翅膀已退化，并形成了啞鈴狀的一對小棒，這就是楫翅。

楫翅是蒼蠅飛行時的天然導航儀，當蒼蠅在飛行時，楫翅迅速振動，每秒頻率為330次。一旦蒼蠅的身體發生傾斜或偏離航向，楫翅就會扭轉振動，并向蒼蠅的大腦發出信號，大腦會即刻調整有關肌肉，糾正偏離的航向，保持身體平衡。

科學家利用蒼蠅楫翅的導航原理，成功研制出一種音叉式振動的陀螺儀，把它安裝在高速飛行的火箭、飛機或其他一些航天器上，可以自動糾正偏轉的航向，保持正確的軌道運行。

蒼蠅的復眼包含4000只可以獨立成像的單眼，幾乎可以360度看到物體。受其啟發，由1300多個小鏡頭組成的“飛眼”相機，一次可拍攝1300多張高分辨率照片，在航天領域得到了廣泛應用。

飛機高速飛行時，常會劇烈震動，有時甚至會因折斷機翼而發生事故。而蜻蜓的每個翅膀前沿，都有一塊加厚的深色角質層或色素斑，依靠加重的翅痣，在高速飛行時安然無恙，于是人們效仿蜻蜓，在飛機兩翼加上了長方形金屬板，作為抗震顫裝置，解決了高速飛行引起振動這個棘手問題。

衛星調溫原理來自蝴蝶

科學家對蝴蝶研究發現，蝴蝶的鱗片具有巧妙調節體溫的作用。

在炎熱的盛夏，當太陽光直射到蝴蝶身上時，它的鱗片會自動張開，以減小太陽光的輻射角度，從而減少對陽光熱能的吸收；當氣溫下降時，鱗片又會自動閉合，緊貼體表，使陽光直射到身上，以便吸收更多太陽光的熱量。

正是由于鱗片自動張開和閉合，蝴蝶能將自己的體溫始終控制在正常范圍內。

人造地球衛星在太空飛行時，會受到太陽光的強烈輻射，使向陽一面的溫度高達200℃，而背陰一面卻會降到零下200℃，這樣衛星裝備上的各種精密儀器、儀表很容易被燒壞或凍裂，由于溫差極大，很多儀器測量也不很準確。

科學家模仿蝴蝶鱗片的功能，為人造地球衛星設計出一種高效率的調控溫度裝置，使衛星部分表面也有和蝴蝶一樣的鱗片，當太陽直射而使其溫度很高時，鱗片便會自動打開，并轉換一個角度，這樣就大大減少了對太陽能的吸收，使衛星溫度不會太高。

當外界氣溫下降時，鱗片便會自動閉合緊貼體表，以吸收更多太陽能，使衛星溫度不會降得太低。

此外，蝴蝶翅膀上柔軟的外膜和血管時緊時松，使其能在任何飛行階段收放自如。工程師效仿蝴蝶的這一結構特征，嘗試在機翼設計中，采用小型可移動表面及靈活的內部組件，從而提高飛行效率。

此前，科學家早就利用蝙蝠發送超聲波視物捕食，以及在飛行時躲避障礙物的特性，給飛機裝上了雷達系統。

蜜蜂與導航偏光羅盤

蜜蜂在無數花朵上采蜜，從來不會迷路，這是為啥？原來，它會利用偏振光來定向。

在各個方向振動的太陽光，被大氣層折射和反射后，會變成某個方向占優勢的偏振光，蜜蜂就是利用偏振光來確定太陽方位的。

蜜蜂有一雙復眼，每只眼睛都由6300只小眼組成，由于復眼的特殊構造和特殊功能，使它們對太陽偏振光有特殊的敏感，即使烏云密布，它們也能根據太陽方位的變化，進行時間校正。

因此，它們外出采蜜和回巢，從來不會迷失方向。在蜜蜂偏光定向本領的啟示下，科學家研制成功了偏光羅盤，應用于航海和航空技術。無論是煙霧彌漫的白天，還是伸手不見五指的黑夜，無論是白茫茫的海面上，還是一望無邊漆黑的夜空中，這種羅盤都能使輪船和一些航天器保持正確的航向。

蜂窩是由一個個排列整齊的六角形小蜂房組成的。事實上，蜂巢并不是一個純粹的六棱鏡，而是一個底部由三個菱形組成的“尖頂六棱柱形”。

為了使航天器能達到足夠的速度，運載火箭必須提供相當大的推力。航天器重量越輕，運載火箭的“負擔”就越輕，航天器就可以飛得越高越遠。為了減輕航天器的重量，科學家從蜂窩結構中得到了靈感。

在制造飛船時，人們首先將金屬材料做成蜂窩狀，然后用兩塊金屬板夾住，形成蜂窩狀結構。這種結構的飛機容量大、強度高、重量輕，不易傳導聲音和熱量。因此，當今的航天器和其他飛行器都采用這種蜂窩結構。

航天技術打造仿生“毛毛蟲”

在火箭制造生產以及發射前的準備工作中，如何對狹小區域內的多余物、設備狀態進行查看，一直是個難題。我國科學家發明一款尺蠖仿生機器人，有望解決這一難題。

“尺蠖”就是我們所說的“毛毛蟲”。由中國運載火箭技術研究院打造的這款機器人，通過電能驅動機械運動，模擬毛毛蟲“收縮—展開”的爬行動作，實現彎曲、扭轉等大幅變形。這種連續不斷的變形，讓它具備更強的環境適應性，后續通過改進，還能通過陡峭或上下起伏的路徑，完成各種角度的轉彎、掉頭等動作。

未來，這款機器人還可搭載微型攝像頭、紅外線等傳感設備，在管道、發動機內部等狹小或有毒危險環境下，完成檢測、廢墟救援等工作，應用前景十分廣闊。

（繼晶摘自2022年12月9日《齊魯晚報》）