大自然的启示——有趣的仿生学

教师简介

张芳

苏州市吴江区七都小学科学教师、江苏省优秀科技辅导员、吴江区科学学科带头人。每年组织和开展各项科技社团活动，辅导学生参加江苏省金钥匙科技竞赛、航模赛等多次获奖。

在四年级科学下册第二单元《新的生命》第六课《动物的卵》中，

同学们已经学习了鸡蛋的内部结构，也了解了鸡蛋外部结构的作用。也许大家会问：鸡蛋那么薄、那么脆，为什么不容易被捏碎呢？我们学习了六年级科学上册第二单元《形状与结构》第三课《拱形的力量》后，知道了这与它特有的蛋形曲线和科学的结构是分不开的，它能够把受到的压力均匀地分散到蛋壳的各个部分。

人类正是根据鸡蛋的这个特点进行仿生设计，现在像鸡蛋那样的仿蛋建筑已经很普遍了。本期，我们就跟随苏州市吴江区七都小学的张芳老师，一起走进有趣的仿生学！

仿生学是一门既古老又年轻的学科，它是以自然界万事万物的形、色、音、功能、结构等为研究对象，有选择地在设计过程中应用这些特征、原理，创造出适用于学习、生产和生活的先进技术。它诞生不过40多年，就已经揭示出生物的许多奥秘，并模仿生物的特性制造了许多具有特殊性能的新设备、新工具。

今天，仿生学已成为当代最引人注意的尖端科学之一，军事仿生、交通仿生、建筑仿生、农业仿生、医学仿生及智能机器仿生等各个领域的新成果不断涌现，我们一起来了解一下吧！

我国最早的仿生大师——鲁班

据传，我国古代杰出的建筑大师鲁班在一次上山砍伐途中，手被锯齿草的边缘齿划破了。他好奇地摘下草叶仔细观察，发现叶子边缘有两排锋利的锯齿，于是受此启发，并经过反复实践，制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯。鲁班的发明和创造故事，实际上是中国古代劳动人民发明创造的故事。

动物仿生学

1鳄鱼“流泪”的启示

凶残的鳄鱼在吞食猎物时，总是流着“悲伤”的眼泪，其实它们是在排泄体内多余的盐分。生活在咸水或海水中的动物，体内都有一种特殊的结构——盐腺，各种盐腺的构造基本一样：中间是一根导管，并向四周辐射出几千根细管，跟血管交织在一起，把血液中多余的盐分离析出来，再通过中央的导管排泄到体外。

盐腺是动物天然的“咸水淡化器”。科学家从鳄鱼“流泪”中得到启示，模仿盐腺的构造原理，研制出一种体积小、质量轻、效率高、价格低的仿生海水淡化器，解决了海水淡化的难题。

2电子蛙眼

科学家在一百多年前做过两次青蛙实验。一次是把一只青蛙放在笼子里，又把几只活苍蝇放了进去。过了几天，他们去看青蛙，发现青蛙还活着，苍蝇却一只也不剩了。另一次还是把一只青蛙放进笼子里，又放进几只死苍蝇。过了几天，他们发现青蛙竟然被饿死了，苍蝇一只也没少。两次不同的实验结果证明，青蛙的眼睛看活动的东西特别敏锐，对静止的东西却视而不见。科学家根据青蛙的眼睛能够敏捷地发现运动着的目标，迅速判断目标的位置、运动方向以及速度的特性，发明了电子蛙眼。

电子蛙眼广泛运用在机场以及交通要道上。在机场里，它若监控到飞机要发生碰撞，会立刻发出警告。在交通要道上，它还会指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。

青蛙的眼睛还有一种特殊的功能，可以识别不同的图像。科学家经过反复研究，把电子蛙眼改装成了商电子蛙眼场里的监控器。监控器通过光缆传输到电脑设备上显示和保存，可以清楚地看到每个人在商场里的一举一动，还能记录下小偷偷東西的全过程。

3从萤火虫到人工冷光

自从人类发明了电灯，生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光，其余大部分都以热能的形式浪费掉了，而且电灯的热射线对人眼有害。那么，有没有只发光、不发热的光源呢？人类又把目光投向了大自然。

在自然界中，有许多生物都能发光，如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，而且这些动物发出的光都不产生热，所以又被称为“冷光”。在众多的发光动物中，萤火虫是其中的一类。它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色，光的亮度也各不相同。萤火虫不仅具有很高的发光效率，而且发出的冷光一般都很柔和，很适合人类的眼睛，光的强度也比较高。于是，科学家从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素和荧光酶，又用化学方法人工合成了荧光素。

植物仿生学

1源于花的灵感

向日葵的最大特点是向阳而生，以便吸收到尽可能多的阳光。德国建筑学家从向日葵中获得灵感，建成了一幢能随太阳转动的向日葵旋转房屋。它装有如同雷达一样的红外线跟踪器，只要天一亮，房屋上的马达就开始启动，使房屋迎着太阳缓慢转动，始终与太阳保持最佳角度，使阳光最大限度地照进屋内;夜间，房屋又在不知不觉中慢慢复位。这种建筑能够充分利用太阳能，保证房屋的日常供热和用电，又能将光能储存起来，供阴雨天和夜晚使用。

2源于茎的灵感

竹子的竹节处有横隔相连，与竹身构成一个整体，这对中空、细长的竹竿的刚度和稳定性很有意义，可以协调变形，共同参与抗弯作用。受到植物茎节生长的启发，人们发明了“春笋建筑法”，把每一层墙板从高度上分成三四段预制好，然后用液压千斤顶以1米的行程，反复顶升，可以很快“长”成设计的建筑。

自行车车架“空心管”的设计灵感正来自麦秆，借鉴其“空心”结构，却支持比它重几倍的麦穗力学原理。制成的自行车既有足够的强度，又减轻了车身的质量。

3源于果实的灵感

尼龙搭扣的诞生是从果实中受到启发的经典案例。瑞士工程师乔治·德·梅斯特拉尔经常带着自己的爱犬到森林中漫步，每次返回时，他都发现裤子和狗身上挂满了苍耳、牛蒡等刺果。受好奇心的驱使，乔治用显微镜观察刺果，发现无数的小钩子在有毛圈结构的裤料上不会轻易脱落。经过8年的实验，他终于发明了既容易系上又容易解开的尼龙搭扣。

大自然的神奇与美丽给我们留下了无限的遐想。从水母的顺风耳到风暴预测仪，从长颈鹿的身体结构到抗荷飞行服，从五彩斑斓的蝴蝶到迷彩服，从蝙蝠超声定位器到探路仪，从蚊子呈锯状的口器到无痛针头......大自然是人类最好的老师，万事万物都能带给我们启示。只要留心观察，善于发现，就会有所发明，有所创造。同学们，让我们一起携手走进神圣的科学殿堂，探索大自然的奥秘吧！