航天科技中的仿生學(xué)

航天服效仿小龍蝦、長(zhǎng)頸鹿

航天服和小龍蝦，你能想到這兩個(gè)看似相隔十萬(wàn)八千里的東西也存在聯(lián)系嗎？

眾所周知，航天員能順利出艙完成各項(xiàng)任務(wù)，全靠航天服的保護(hù)。航天服相當(dāng)于一個(gè)小型載人航天器，能為航天員提供一個(gè)類(lèi)似地球的環(huán)境，防止真空、高低溫、太陽(yáng)輻射和微流星等環(huán)境因素的危害。

航天服除了要求安全系數(shù)高，還需要擁有很好的靈活度。關(guān)節(jié)部位是航天服設(shè)計(jì)中的一大難點(diǎn)，如果太硬，航天員難以活動(dòng)；如果太軟，又無(wú)法達(dá)到防護(hù)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(xué)家費(fèi)盡了心思。

在設(shè)計(jì)新一代“飛天”航天服時(shí)，我國(guó)航天工程師在吃小龍蝦時(shí)，從蝦尾既堅(jiān)硬又靈活的鱗片結(jié)構(gòu)中，獲得了意想不到的靈感。

小龍蝦全身大部分都是堅(jiān)硬的外殼，卻不影響它任意彎曲，而且它在水中十分靈活。原來(lái)它身上有一種鱗片層疊的結(jié)構(gòu)，將堅(jiān)硬的軀殼和柔軟的組織完美結(jié)合在一起，才讓它如此靈活。

工程師汲取靈感，經(jīng)過(guò)反復(fù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，在航天服關(guān)節(jié)處，設(shè)計(jì)了類(lèi)似蝦尾鱗片的層疊結(jié)構(gòu)，同時(shí)使用氣密軸承，讓航天服嚴(yán)格保證氣密性的同時(shí)，使關(guān)節(jié)活動(dòng)自如。

此外，航天器升空時(shí)，速度非常快，壓力是人體無(wú)法承受的。而科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)頸鹿的血液通過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的頸部輸送到頭部時(shí)，不會(huì)發(fā)生腦出血現(xiàn)象。于是，通過(guò)對(duì)長(zhǎng)頸鹿的研究，科學(xué)家研制出適合航天飛行的“抗荷服”。當(dāng)飛船飛行速度增加時(shí)，抗荷服可以充入一定量的氣體，從而對(duì)血管產(chǎn)生一定壓力，這樣可以讓航天員的血壓保持正常。同時(shí)，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(dǎo)航，靈感來(lái)自蒼蠅

在宇宙中，因?yàn)槿鄙俣ㄎ粯?biāo)，有時(shí)航天器會(huì)偏離航向，飛上錯(cuò)誤的軌道。這個(gè)問(wèn)題如何解決？科學(xué)家注意到蒼蠅不用跑道就能直接起飛，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，蒼蠅后面一對(duì)翅膀已經(jīng)退化，并形成了啞鈴狀的一對(duì)小棒，這就是楫翅。

楫翅是蒼蠅飛行時(shí)的天然導(dǎo)航儀，當(dāng)蒼蠅在飛行時(shí)，楫翅迅速振動(dòng)，頻率為每秒330次。一旦蒼蠅的身體發(fā)生傾斜或偏離航向，楫翅就會(huì)扭轉(zhuǎn)、振動(dòng)，并向大腦發(fā)出信號(hào)。這時(shí)大腦會(huì)即刻調(diào)整有關(guān)肌肉，糾正偏離的航向，保持身體平衡。

科學(xué)家根據(jù)蒼蠅楫翅的導(dǎo)航原理，成功研制出一種音叉式振動(dòng)的陀螺儀，并將它安裝在高速飛行的火箭、飛機(jī)或其他一些航天器上，以自動(dòng)糾正偏轉(zhuǎn)的航向，保持正確的軌道運(yùn)行。

蒼蠅的復(fù)眼包含4000只可以獨(dú)立成像的小眼，幾乎可以360度看到物體。受其啟發(fā)，由1300多個(gè)小鏡頭組成的“飛眼”相機(jī)，一次可拍攝1300多張高分辨率照片，在航天領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

飛機(jī)高速飛行時(shí)，常會(huì)劇烈震動(dòng)，有時(shí)甚至?xí)蛘蹟鄼C(jī)翼而發(fā)生事故。而蜻蜓的每只翅膀前沿，都有一塊加厚的深色角質(zhì)層或色素斑，依靠加重的翅痣，蜻蜓在高速飛行時(shí)安然無(wú)恙。于是，人們效仿蜻蜓，在飛機(jī)兩翼加上了長(zhǎng)方形金屬板，作為抗震顫裝置，解決了高速飛行引起振動(dòng)這個(gè)棘手問(wèn)題。

衛(wèi)星調(diào)溫原理來(lái)自蝴蝶

科學(xué)家通過(guò)研究蝴蝶發(fā)現(xiàn)，蝴蝶的鱗片具有巧妙調(diào)節(jié)體溫的作用。

在炎熱的盛夏，當(dāng)太陽(yáng)光直射到蝴蝶身上時(shí)，它的鱗片會(huì)自動(dòng)張開(kāi)，以減小太陽(yáng)光的輻射角度，從而減少對(duì)陽(yáng)光熱能的吸收；當(dāng)氣溫下降時(shí)，鱗片又會(huì)自動(dòng)閉合，緊貼體表，使陽(yáng)光直射到身上，以便吸收更多太陽(yáng)光的熱量。

正是由于鱗片自動(dòng)張開(kāi)和閉合，蝴蝶能將自己的體溫始終控制在正常范圍內(nèi)。

人造地球衛(wèi)星在太空飛行時(shí)，會(huì)受到太陽(yáng)光的強(qiáng)烈輻射，使向陽(yáng)一面的溫度高達(dá)200攝氏度，而背陰一面會(huì)降到零下200攝氏度。這樣，衛(wèi)星裝備上的各種精密儀器、儀表很容易被燒壞或凍裂，加上溫差極大，很多儀器測(cè)量也會(huì)不精準(zhǔn)。

科學(xué)家模仿蝴蝶鱗片的功能，為人造地球衛(wèi)星設(shè)計(jì)出一種高效率的調(diào)控溫度裝置，使衛(wèi)星部分表面也有和蝴蝶一樣的鱗片。當(dāng)太陽(yáng)直射而使其溫度很高時(shí)，鱗片便會(huì)自動(dòng)打開(kāi)，并轉(zhuǎn)換一個(gè)角度，這樣就大大減少了對(duì)太陽(yáng)能的吸收，使衛(wèi)星溫度不會(huì)太高。當(dāng)外界氣溫下降時(shí)，鱗片便會(huì)自動(dòng)閉合并緊貼體表，以吸收更多太陽(yáng)能，使衛(wèi)星溫度不會(huì)降得太低。

此外，蝴蝶翅膀上柔軟的外膜和血管時(shí)緊時(shí)松，使其能在任何飛行階段收放自如。工程師效仿蝴蝶這一結(jié)構(gòu)特征，嘗試在機(jī)翼設(shè)計(jì)中，采用小型可移動(dòng)表面及靈活的內(nèi)部組件，從而提高飛行效率。

此前，科學(xué)家就利用蝙蝠發(fā)送超聲波視物捕食，以及在飛行時(shí)躲避障礙物的特性，給飛機(jī)裝上了雷達(dá)系統(tǒng)。

蜜蜂與導(dǎo)航偏光羅盤(pán)

蜜蜂在無(wú)數(shù)花朵上采蜜，從來(lái)不會(huì)迷路，這是為啥？原來(lái)，它會(huì)利用偏振光來(lái)定向。

在各個(gè)方向振動(dòng)的太陽(yáng)光，被大氣層折射和反射后，會(huì)變成某個(gè)方向占優(yōu)勢(shì)的偏振光，蜜蜂就是利用偏振光來(lái)確定太陽(yáng)方位的。

蜜蜂有一雙復(fù)眼，每只眼睛都由6300只小眼組成，由于復(fù)眼的特殊構(gòu)造和特殊功能，使它們對(duì)偏振光很敏感，即使烏云密布，它們也能根據(jù)太陽(yáng)方位的變化，進(jìn)行時(shí)間校正。

因此，它們外出采蜜和回巢，從來(lái)不會(huì)迷失方向。在蜜蜂偏光定向本領(lǐng)的啟示下，科學(xué)家研制出了偏光羅盤(pán)，應(yīng)用于航海和航天領(lǐng)域。無(wú)論是煙霧彌漫的白天，還是伸手不見(jiàn)五指的黑夜；無(wú)論是白茫茫的海面上，還是一望無(wú)邊漆黑的夜空中，這種羅盤(pán)都能使輪船和一些航天器保持正確的航向。

蜂窩是由一個(gè)個(gè)排列整齊的六邊形小蜂房組成的。事實(shí)上，蜂窩并不是一個(gè)純粹的六棱鏡，而是一個(gè)底部由3個(gè)菱形組成的“尖頂六棱柱形”。

為了使航天器能達(dá)到足夠的速度，運(yùn)載火箭必須提供相當(dāng)大的推力。航天器重量越輕，運(yùn)載火箭的“負(fù)擔(dān)”就越輕，航天器就可以飛得越高越遠(yuǎn)。為了減輕航天器的重量，科學(xué)家從蜂窩結(jié)構(gòu)中得到了靈感。在制造飛船時(shí)，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(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的飛船容量大、強(qiáng)度高、重量輕，不易傳導(dǎo)聲音和熱量。因此，當(dāng)今的航天器和其他飛行器都采用這種蜂窩結(jié)構(gòu)。

航天技術(shù)打造仿生“毛毛蟲(chóng)”

在火箭生產(chǎn)制造以及發(fā)射前的準(zhǔn)備工作中，如何對(duì)狹小區(qū)域內(nèi)的多余物、設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行查看，一直是個(gè)難題。我國(guó)科學(xué)家發(fā)明了一款尺蠖仿生機(jī)器人，有望解決這一難題。

尺蠖就是我們所說(shuō)的毛毛蟲(chóng)。由中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院打造的這款機(jī)器人，通過(guò)電能驅(qū)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng)，模擬毛毛蟲(chóng)“收縮—展開(kāi)”的爬行動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)彎曲、扭轉(zhuǎn)等大幅變形。這種連續(xù)不斷的變形，讓它具備更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力，后續(xù)通過(guò)改進(jìn)，還能通過(guò)陡峭或上下起伏的路徑，完成各種角度的轉(zhuǎn)彎、掉頭等動(dòng)作。

未來(lái)，這款機(jī)器人還可搭載微型攝像頭、紅外線等傳感設(shè)備，在管道、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部等狹小或有毒危險(xiǎn)環(huán)境下，完成檢測(cè)、廢墟救援等工作，應(yīng)用前景十分廣闊。