昆蟲(chóng)的感覺(jué)器官和仿生學(xué)

昆蟲(chóng)的感覺(jué)器官和仿生學(xué)第1頁(yè)/共125頁(yè)一、常見(jiàn)的昆蟲(chóng)感覺(jué)器官頭部的主要感覺(jué)器官包括觸角、單眼和復(fù)眼。在口器各組成部分上也有感覺(jué)器。2第2頁(yè)/共125頁(yè)鞭節(jié)flagellum：觸角的端節(jié)，常分成若干亞節(jié)，此節(jié)在不同昆蟲(chóng)中變化很大。觸角及其構(gòu)造：基本上由3節(jié)構(gòu)成：柄節(jié)scape：最基部的一節(jié)，常粗短梗節(jié)pedicel：觸角的第2節(jié)，較小。3第3頁(yè)/共125頁(yè)1、線(xiàn)狀（絲狀）：觸角細(xì)長(zhǎng)，呈圓筒形。除第一、二節(jié)稍大外，其余各節(jié)大小、形狀相似，逐漸向端部變細(xì)。例如蝗蟲(chóng)、蟋蟀及一些蛾類(lèi)等。

（二）觸角的類(lèi)型4第4頁(yè)/共125頁(yè)2、念珠狀：鞭節(jié)由近似圓珠形的小節(jié)組成，大小一致，象一串念珠。例如白蟻、褐蛉等。5第5頁(yè)/共125頁(yè)6第6頁(yè)/共125頁(yè)3、鋸齒狀：鞭節(jié)各亞節(jié)的端部向一邊突出呈角狀，觸角看起來(lái)象一個(gè)鋸條。例如叩頭蟲(chóng)、雌性綠豆象等。7第7頁(yè)/共125頁(yè)4、櫛齒狀：鞭節(jié)各亞節(jié)向一邊突出很長(zhǎng)，形如梳子。例如雄性綠豆象等。8第8頁(yè)/共125頁(yè)綠豆象9第9頁(yè)/共125頁(yè)antenna叩頭甲10第10頁(yè)/共125頁(yè)5、雙櫛齒狀（羽狀）：鞭節(jié)各亞節(jié)向兩邊突出成細(xì)枝狀，很象鳥(niǎo)的羽毛。例如雄性蠶蛾、毒蛾等。11第11頁(yè)/共125頁(yè)12第12頁(yè)/共125頁(yè)6、棒狀（球桿狀）：觸角細(xì)長(zhǎng)，近端部的數(shù)節(jié)膨大如橢圓球狀。例如蝶類(lèi)（是鱗翅目中蝶與蛾的主要區(qū)別特征之一）、蟻蛉等。13第13頁(yè)/共125頁(yè)14第14頁(yè)/共125頁(yè)7、錘狀：鞭節(jié)端部數(shù)節(jié)突然膨大，形狀如錘。例如瓢蟲(chóng)、郭公蟲(chóng)等。15第15頁(yè)/共125頁(yè)8、鰓葉狀：端部數(shù)節(jié)擴(kuò)大成片狀，可以開(kāi)合，狀似魚(yú)鰓。這種觸角為鞘翅目金龜子類(lèi)所特有。16第16頁(yè)/共125頁(yè)17第17頁(yè)/共125頁(yè)9、膝狀（肘狀）：柄節(jié)特別長(zhǎng)，梗節(jié)短小，鞭節(jié)由大小相似的亞節(jié)組成，在柄節(jié)和梗節(jié)之間成肘狀或膝狀彎曲。例如象鼻蟲(chóng)、蜜蜂、小蜂等。18第18頁(yè)/共125頁(yè)19第19頁(yè)/共125頁(yè)211.蜜蜂的觸角；2.第3節(jié)基部的感覺(jué)器20第20頁(yè)/共125頁(yè)10、環(huán)毛狀：除基部?jī)晒?jié)外，每節(jié)具有一圈細(xì)毛，近基部的毛較長(zhǎng)。列如雄性的蚊、搖蚊等。21第21頁(yè)/共125頁(yè)22第22頁(yè)/共125頁(yè)11、剛毛狀：觸角很短，基部的一、二節(jié)較大，其余的節(jié)突然縮小，細(xì)似剛毛。例如蜻蜓、蟬、飛虱等。23第23頁(yè)/共125頁(yè)24第24頁(yè)/共125頁(yè)12、具芒狀：觸角很短，鞭節(jié)僅一節(jié)，較柄節(jié)和梗節(jié)粗大，其上有一根剛毛狀或芒狀構(gòu)造，稱(chēng)為觸角芒。觸角芒有的光滑，有的具毛或呈羽狀。這類(lèi)觸角為雙翅目蠅類(lèi)所特有。25第25頁(yè)/共125頁(yè)26第26頁(yè)/共125頁(yè)蝴蝶的觸角用來(lái)感覺(jué)味道27第27頁(yè)/共125頁(yè)蚊子的觸角可以聽(tīng)到聲音。28第28頁(yè)/共125頁(yè)螞蟻、蜜蜂見(jiàn)面后互相碰觸角，傳遞信息。29第29頁(yè)/共125頁(yè)仰泳蝽靠觸角使自己在游泳時(shí)保持身體的平衡。30第30頁(yè)/共125頁(yè)二、復(fù)眼位置：顱側(cè)區(qū)，但常有變化，如突眼蠅、豉甲等。形狀：多圓形、卵圓形。復(fù)眼由若干大小不一致的小眼組成。家蠅的復(fù)眼31第31頁(yè)/共125頁(yè)用來(lái)辨別物體，特別是運(yùn)動(dòng)的物體，是最重要的視覺(jué)器官。

成蟲(chóng)和不全變態(tài)類(lèi)的若蟲(chóng)和稚蟲(chóng)，一般都有一對(duì)復(fù)眼。多數(shù)昆蟲(chóng)復(fù)眼能感受的光波波譜范圍也比人眼寬廣。但是，昆蟲(chóng)的視程遠(yuǎn)不及人類(lèi)。

另外，絕大多數(shù)昆蟲(chóng)是色盲，如蜜蜂不能分辨出青色和綠色，也不能分辨出紅色和黑色。

32第32頁(yè)/共125頁(yè)牛虻的復(fù)眼33第33頁(yè)/共125頁(yè)突眼蠅的復(fù)眼34第34頁(yè)/共125頁(yè)天牛的復(fù)眼35第35頁(yè)/共125頁(yè)水棲的豉甲科昆蟲(chóng)上、下分離的復(fù)眼使得它們能在水面游泳時(shí)能同時(shí)看清楚水表和水中的情況。36第36頁(yè)/共125頁(yè)37第37頁(yè)/共125頁(yè)許多“點(diǎn)的影像”互相結(jié)合便組成整個(gè)物體“鑲嵌的影像”

38第38頁(yè)/共125頁(yè)翅wing39第39頁(yè)/共125頁(yè)40第40頁(yè)/共125頁(yè)鱗片41第41頁(yè)/共125頁(yè)二、仿生學(xué)的基本內(nèi)涵仿生學(xué)(Bionics)

模仿生物系統(tǒng)的原理以建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類(lèi)似特征的科學(xué)仿生學(xué)是一門(mén)建立在多學(xué)科邊緣上的綜合性學(xué)科，包括生理學(xué)、神經(jīng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、電子學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科。42第42頁(yè)/共125頁(yè)前言生物體生物模型數(shù)學(xué)模型技術(shù)模型技術(shù)裝置仿生學(xué)的研究方法43第43頁(yè)/共125頁(yè)真正最高水平的仿生學(xué)應(yīng)該是制造生命。（如用化學(xué)分子，或者用一個(gè)分子構(gòu)筑具有生理活性的物質(zhì)，如牛胰島素結(jié)晶。有爭(zhēng)議的課題，涉及到倫理學(xué)，）44第44頁(yè)/共125頁(yè)結(jié)晶牛胰島素（crystallizedbovineinsulin）是牛的胰島素結(jié)晶。牛胰島素是牛胰臟中胰島β-細(xì)胞所分泌的一種調(diào)節(jié)糖代謝的蛋白質(zhì)激素。其一級(jí)結(jié)構(gòu)1955年由英國(guó)桑格（S.Sanger）首先確定牛胰島素中氨基酸的組成和排列順序。桑格也因此榮獲1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。從1958年開(kāi)始，中國(guó)科學(xué)院上海生物化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所和北京大學(xué)生物系三個(gè)單位聯(lián)合，以王應(yīng)睞為首，由龔岳亭、鄒承魯、杜雨花、季愛(ài)雪、邢其毅、汪猷、徐杰誠(chéng)等人共同組成一個(gè)協(xié)作組，在前人對(duì)胰島素結(jié)構(gòu)和肽鏈合成方法研究的基礎(chǔ)上，開(kāi)始探索用化學(xué)方法合成胰島素。45第45頁(yè)/共125頁(yè)經(jīng)過(guò)周密研究，他們確立了合成牛胰島素的程序。合成工作是分三步完成的：第一步，先把天然胰島素拆成兩條鏈，再把它們重新合成為胰島素，并于1959年突破了這一難題，重新合成的胰島素是同原來(lái)活力相同、形狀一樣的結(jié)晶。第二步，在合成了胰島素的兩條鏈后，用人工合成的B鏈同天然的A鏈相連接。這種牛胰島素的半合成在1964年獲得成功。第三步，把經(jīng)過(guò)考驗(yàn)的半合成的A鏈與B鏈相結(jié)合。在1965年9月17日完成了結(jié)晶牛胰島素的全合成。經(jīng)過(guò)嚴(yán)格鑒定，它的結(jié)構(gòu)、生物活力、物理化學(xué)性質(zhì)、結(jié)晶形狀都和天然的牛胰島素完全一樣。這是世界上第一個(gè)人工合成的蛋白質(zhì)。這項(xiàng)成果獲1982年中國(guó)自然科學(xué)一等獎(jiǎng)。王應(yīng)睞因此被著名英國(guó)學(xué)者李約瑟（JosephNeedham,1900-1995)譽(yù)為“中國(guó)生物化學(xué)的奠基人之一”。46第46頁(yè)/共125頁(yè)蛋白質(zhì)研究一直被喻為破解生命之謎的關(guān)節(jié)點(diǎn)。胰島素是蛋白質(zhì)的一種。由此，胰島素的人工合成，標(biāo)志著人類(lèi)在揭開(kāi)生命奧秘的道路上又邁出了一步。和“兩彈一星”一樣，中國(guó)人在世界上第一次人工合成胰島素被負(fù)載了很多意義：科研的，民族榮譽(yù)感的。尤其讓人們津津樂(lè)道的是，這是中國(guó)科學(xué)家與諾貝爾獎(jiǎng)幾乎是零距離的接觸。直到這么久過(guò)去了，這也是對(duì)中國(guó)在科學(xué)領(lǐng)域里做出世界上第一流成績(jī)的一個(gè)最好證明。

47第47頁(yè)/共125頁(yè)1966年底，A．Tiselius訪問(wèn)了中國(guó)，他當(dāng)時(shí)是瑞典皇家科學(xué)院諾貝爾獎(jiǎng)評(píng)審委員會(huì)化學(xué)組的主席，人們很自然地把他和物色合適的諾貝爾獎(jiǎng)候選人聯(lián)系起來(lái)。后來(lái)我得知Tiselius對(duì)胰島素全序列人工合成的評(píng)價(jià)很高。當(dāng)被問(wèn)及對(duì)中國(guó)第一顆原子彈爆炸的看法時(shí)，他的回答卻是：“你們能從書(shū)上學(xué)到原子彈的知識(shí)，但學(xué)不到人工合成胰島素。”48第48頁(yè)/共125頁(yè)仿枯葉蝶的迷彩服三、與昆蟲(chóng)有關(guān)的仿生學(xué)研究49第49頁(yè)/共125頁(yè)復(fù)眼與多屏幕電視墻50第50頁(yè)/共125頁(yè)受蠅眼的啟示發(fā)明了蠅眼攝像機(jī)，除獲得理想的圖片外，還發(fā)現(xiàn)許多常規(guī)手段無(wú)法得到的細(xì)節(jié)。蒼蠅的復(fù)眼包含4000個(gè)可獨(dú)立成像的單眼，能看清幾乎360°范圍內(nèi)的物體。在蠅眼的啟示下，人們制成了由1329塊小透鏡組成的一次可拍1329張高分辨率照片的蠅眼照像機(jī)，在軍事、醫(yī)學(xué)、航空、航天上被廣泛應(yīng)用。51第51頁(yè)/共125頁(yè)基于蒼蠅視覺(jué)系統(tǒng)的新型攝像軟件能夠拍攝普通的圖像（下）并顯示其中的重要細(xì)節(jié)，例如房間中的人像（中）并突出細(xì)節(jié)（上）。52第52頁(yè)/共125頁(yè)可用于超薄相機(jī)的人造昆蟲(chóng)眼。使人造眼應(yīng)用于微型全方位監(jiān)視設(shè)備，超薄照相機(jī)以及高速運(yùn)動(dòng)傳感器上。53第53頁(yè)/共125頁(yè)蜜蜂復(fù)眼的每個(gè)單眼中相鄰地排列著對(duì)偏振光方向十分敏感的偏振片，可利用太陽(yáng)準(zhǔn)確定位?？茖W(xué)家據(jù)此原理研制成功了偏振光導(dǎo)航儀，早已廣泛用于航海事業(yè)中。54第54頁(yè)/共125頁(yè)蝴蝶色彩與偽裝在二戰(zhàn)期間，德軍包圍了列寧格勒，企圖用轟炸機(jī)摧毀其軍事目標(biāo)和其他防御設(shè)施。蘇聯(lián)昆蟲(chóng)學(xué)家施萬(wàn)維奇根據(jù)當(dāng)時(shí)人們對(duì)偽裝缺乏認(rèn)識(shí)的情況，提出利用蝴蝶的色彩在花叢中不易被發(fā)現(xiàn)的道理，在軍事設(shè)施上覆蓋蝴蝶花紋般的偽裝。因此，盡管德軍費(fèi)盡心機(jī)，但列寧格勒的軍事基地仍安然無(wú)惹，為贏得最后的勝利奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)同樣的原理，后來(lái)人們還生產(chǎn)出了迷彩服，大大減少了戰(zhàn)斗中的傷亡。55第55頁(yè)/共125頁(yè)56第56頁(yè)/共125頁(yè)擬態(tài)與仿生57第57頁(yè)/共125頁(yè)擬態(tài)仿生擬態(tài)仿生坦克的迷彩著裝58第58頁(yè)/共125頁(yè)三色迷彩的德國(guó)“豹”I坦克在電視成像下的效果擬態(tài)仿生擬態(tài)仿生坦克的迷彩著裝59第59頁(yè)/共125頁(yè)60第60頁(yè)/共125頁(yè)蝴蝶身上的鱗片會(huì)隨陽(yáng)光的照射方向自動(dòng)變換角度而調(diào)節(jié)體溫人造衛(wèi)星在太空中由于位置的不斷變化可引起溫度驟然變化，有時(shí)溫差可高達(dá)兩、三百度，嚴(yán)重影響許多儀器的正常工作。科學(xué)家們受此啟發(fā)，將人造衛(wèi)星的控溫系統(tǒng)制成了葉片正反兩面輻射、散熱能力相差很大的百葉窗樣式，在每扇窗的轉(zhuǎn)動(dòng)位置安裝有對(duì)溫度敏感的金屬絲，隨溫度變化可調(diào)節(jié)窗的開(kāi)合，從而保持了人造衛(wèi)星內(nèi)部溫度的恒定，解決了航天事業(yè)中的一大難題。61第61頁(yè)/共125頁(yè)鱗片62第62頁(yè)/共125頁(yè)63第63頁(yè)/共125頁(yè)屁步甲炮蟲(chóng)自衛(wèi)時(shí)，可噴射出具有惡臭的高溫液體“炮彈”，以迷惑、刺激和驚嚇敵害。解剖后發(fā)現(xiàn)甲蟲(chóng)體內(nèi)有3個(gè)小室，分別儲(chǔ)有二元酚溶液、雙氧水和生物酶。二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瞬間就成為100℃的毒液，并迅速射出。二戰(zhàn)期間，德國(guó)據(jù)此機(jī)理制造出了一種功率極大且性能安全可靠的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，安裝在飛航式導(dǎo)彈上，使之飛行速度加快，安全穩(wěn)定，命中率提高，英國(guó)倫敦在受其轟炸時(shí)損失慘重。64第64頁(yè)/共125頁(yè)步甲的自衛(wèi)

放屁御敵65第65頁(yè)/共125頁(yè)美國(guó)軍事專(zhuān)家受甲蟲(chóng)噴射原理的啟發(fā)研制出了先進(jìn)的二元化武器。這種武器將兩種或多種能產(chǎn)生毒劑的化學(xué)物質(zhì)分裝在兩個(gè)隔開(kāi)的容器中，炮彈發(fā)射后隔膜破裂，兩種毒劑中間體在彈體飛行的8—10秒內(nèi)混合并發(fā)生反應(yīng)，在到達(dá)目標(biāo)的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人。它們易于生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸，安全且不易失效。66第66頁(yè)/共125頁(yè)螢火蟲(chóng)的發(fā)光器由發(fā)光層、透明層和反射層組成。發(fā)光層擁有幾千個(gè)發(fā)光細(xì)胞，含有熒光素和熒光酶。在熒光酶的作用下，熒光素在細(xì)胞內(nèi)水分的參與下，與氧化合發(fā)出熒光。螢火蟲(chóng)的發(fā)光，實(shí)質(zhì)上是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成光能的過(guò)程。螢火蟲(chóng)可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成光能，且轉(zhuǎn)化效率達(dá)100%，67第67頁(yè)/共125頁(yè)昆蟲(chóng)學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，蒼蠅的后翅退化成一對(duì)平衡棒。當(dāng)它飛行時(shí)，平衡棒以一定的頻率進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)，可以調(diào)節(jié)翅膀的運(yùn)動(dòng)方向，是保持蒼蠅身體平衡的導(dǎo)航儀?？茖W(xué)家據(jù)此原理研制成一代新型導(dǎo)航儀——振動(dòng)陀螺儀，大大改進(jìn)了飛機(jī)的飛行性能，可使飛機(jī)自動(dòng)停止危險(xiǎn)的滾翻飛行，在機(jī)體強(qiáng)烈傾斜時(shí)還能自動(dòng)恢復(fù)平衡，即使是飛機(jī)在最復(fù)雜的急轉(zhuǎn)彎時(shí)也萬(wàn)無(wú)一失。68第68頁(yè)/共125頁(yè)昆蟲(chóng)觸角與仿生一只雌舞毒蛾僅能分泌0.1微克性引誘素，但這已足夠誘來(lái)100萬(wàn)只雄蛾。30個(gè)性引誘素分子便能促使一只雄美洲蟑螂產(chǎn)生性興奮。雌松樹(shù)鋸蠅，其氣味能招引約1億只雄蠅。69第69頁(yè)/共125頁(yè)蒼蠅的嗅覺(jué)特別靈敏并能對(duì)數(shù)十種氣味進(jìn)行快速分析且可立即作出反應(yīng)?？茖W(xué)家根據(jù)蒼蠅嗅覺(jué)器官的結(jié)構(gòu)，把各種化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成電脈沖的方式，制成了十分靈敏的小型氣體分析儀，目前已廣泛應(yīng)用于宇宙飛船、潛艇和礦井等場(chǎng)所來(lái)檢測(cè)氣體成分，使科研、生產(chǎn)的安全系數(shù)更為準(zhǔn)確、可靠。70第70頁(yè)/共125頁(yè)蜂巢與仿生蜂巢由一個(gè)個(gè)排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，每個(gè)小蜂房的底部由3個(gè)相同的菱形組成，這些結(jié)構(gòu)與近代數(shù)學(xué)家精確計(jì)算出來(lái)的——菱形鈍角109°28’，銳角70°32’完全相同，是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，且容量大、極堅(jiān)固，令許多專(zhuān)家贊嘆不止。人們仿其構(gòu)造用各種材料制成蜂巢式夾層結(jié)構(gòu)板，強(qiáng)度大、重量輕、不易傳導(dǎo)聲和熱，是建筑及制造航天飛機(jī)、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料。71第71頁(yè)/共125頁(yè)夏普32英寸以上的液晶電視都采用夏普自行生產(chǎn)的第六代ASV仿生蜂巢設(shè)計(jì),日本原裝超黑低反射TFT透射型超級(jí)廣角液晶面板，使得屏幕的光反射大大降低且黑色更加純正。

72第72頁(yè)/共125頁(yè)蜂巢水果托盤(pán)73第73頁(yè)/共125頁(yè)蜂巢式互聯(lián)網(wǎng)74第74頁(yè)/共125頁(yè)巴塞羅那建筑史上最前衛(wèi)、最瘋狂的建筑藝術(shù)家，高迪。75第75頁(yè)/共125頁(yè)76第76頁(yè)/共125頁(yè)圣家教堂77第77頁(yè)/共125頁(yè)跳蚤的跳躍本領(lǐng)十分高強(qiáng)，航空專(zhuān)家對(duì)此進(jìn)行了大量研究，英國(guó)一飛機(jī)制造公司從其垂直起跳的方式受到啟發(fā)，成功制造出了一種幾乎能垂直起落的鷂式飛機(jī)78第78頁(yè)/共125頁(yè)79第79頁(yè)/共125頁(yè)80第80頁(yè)/共125頁(yè)81第81頁(yè)/共125頁(yè)82第82頁(yè)/共125頁(yè)83第83頁(yè)/共125頁(yè)昆蟲(chóng)飛行器MicromechanicalFlyingInsect(MFI)Project（微型機(jī)械昆蟲(chóng)飛行項(xiàng)目）：根據(jù)麗蠅的飛行原理來(lái)設(shè)計(jì)的。Robofly84第84頁(yè)/共125頁(yè)《科學(xué)時(shí)報(bào)》訊(記者曉峰)澳大利亞國(guó)立大學(xué)的科學(xué)家最近根據(jù)昆蟲(chóng)的仿生學(xué)原理制造了一架新型飛行器，它會(huì)像蜜蜂一樣觀察周?chē)氖挛?，能夠像蜻蜓一樣自如地飛行，而且它還能夠在環(huán)境惡劣的火星表面飛行，以代替行動(dòng)遲緩的漫游者機(jī)器人，從而改變?nèi)藗兲剿骰鹦堑姆绞?。?002年）85第85頁(yè)/共125頁(yè)１０月９日，美國(guó)《華盛頓郵報(bào)》刊出長(zhǎng)篇調(diào)查報(bào)道披露，美國(guó)軍方和情報(bào)機(jī)構(gòu)可能已成功擁有半機(jī)械半昆蟲(chóng)的技術(shù)，從而在間諜情報(bào)、軍事偵察和安全保衛(wèi)等領(lǐng)域產(chǎn)生革命性的影響。（2007年）86第86頁(yè)/共125頁(yè)蜻蜓通過(guò)翅膀振動(dòng)（拍打）使自己上升。向前飛行，向后和左右兩側(cè)飛行，速度可達(dá)72公里/小時(shí)?？茖W(xué)家據(jù)此研制成功了直升飛機(jī)。又效仿蜻蜓的翅痣在飛機(jī)的兩翼加上了平衡重錘，解決了因高速飛行而引起振動(dòng)這個(gè)令人棘手的問(wèn)題。87第87頁(yè)/共125頁(yè)88第88頁(yè)/共125頁(yè)89第89頁(yè)/共125頁(yè)90第90頁(yè)/共125頁(yè)91尺蛾=尺蠖第91頁(yè)/共125頁(yè)92第92頁(yè)/共125頁(yè)BionicBugs

TheDefenseDepartment’sattemptstomergeinsectsandelectronicsarebenefitingsciencemorethanthemilitaryByFerrisJabr

|PostedJanuary22,2010;Postedin:PhysicalScience

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93第93頁(yè)/共125頁(yè)Agiantflowerbeetlewearsanelectronicbackpackthatallowsresearcherstowirelesslycontrolitsflight.94第94頁(yè)/共125頁(yè)giantflowerbeetle95第95頁(yè)/共125頁(yè)Agiantflowerbeetlefliesabout,veeringupanddown,leftandright.Buttheinsectisn’tapest,anditisn’tsteeringitsownpath.Animplantedreceiver,microcontroller,microbattery,andsixcarefullyplacedelectrodes–apayloadsmallerthanadimeandweighinglessthanastickofgum–allowanengineertocontrolthebugwirelessly.Histeampreviouslymodified-beetlesduringthepupalstage,sothattheirimplantsareinvisibleinadulthood–avaluablepropertyiftheyaretobeusedincovertmissions.96第96頁(yè)/共125頁(yè)AgiantflowerbeetleCool!AsayoungboyIdelightedinscaringmysisterwithainanimaterubbermouse.Inthefutureyoungboyswillhaveremotecontrolflyingbugswithwhichtotormenttheirlittlesisters.Howfun!97第97頁(yè)/共125頁(yè)Inalarge,emptyroomattheUniversityofCalifornia,Berkeley,agiantflowerbeetlesitsonthefloor.Likemostbeetles,ithasasegmentedbody,sixlegs,andapairofwings.Butthere’ssomethingalittledifferentaboutthisone:it’swearinganelectronicbackpackthat’swiredtoitswingmusclesandbrain.Anengineerintheroomtapsabuttononhislaptopandinstantlythebeetle’swingsbegintovibrate,rousingitintoflight.Pressinganotherkeystopsallwingmovementmid-flight.Thebeetledropstothefloor—alittlestunned,perhaps,butunharmed.Ifitsoundstoobizarre

[bi'zɑ:]

tobetrue,justcheckoutthisvideoonYouTubeorviewitbelow.98第98頁(yè)/共125頁(yè)Thisbionicbugisthelatestcreationofagovernment-fundedresearchprojectwhosegoalistoinventanewkindofmilitarysurveillancebyfusinglivinginsectswithinnovativeelectronics.TheDefenseAdvancedResearchProjectsAgency(DARPA)hasalreadyinvested$12millionsince2006inthesci-fiventure,hopingsomedaytodeployinsect-machinehybridsasinconspicuousarmyscouts.AdiversegroupofscientistsfromacrossthenationisworkingtohelpmakeDARPA’svisionofremotecontrolledinsectspiesareality.Althoughanymilitaryapplicationisstillalongwayoff,biologistsandengineersarealreadyfindingtheresearchuseful.99第99頁(yè)/共125頁(yè)Inanewstudy,electricalengineerHirotakaSatoandhisBerkeleycolleaguesembeddedtinyelectrodesinbeetles’brainsandmuscles,allowingtheresearcherstoremotelystartandstopflight,maketheinsectsturnrightorleft,andeventriggerchangesinelevation.TheBerkeleyresearchdemonstrates“thefirstwirelesscontrolofanyinsectinfreeflight,”saidJohnVandenBrooks,anArizonaStateUniversityinsectbiologistandco-authorofthestudy,whichwaspublishedthispastOctoberinthejournalFrontiersinIntegrativeNeuroscience.100第100頁(yè)/共125頁(yè)Accordingtothestudy,remotelycontrolledflyinginsectscould“serveascouriers

[?k?ri?]

tolocationsnoteasilyaccessibletohumans,”placeswheresoldierscan’tstrollaboutunnoticed.Asstatedonitswebsite,DARPAhopestoeventuallyuseinsectcyborgs[?sa??b?rɡ]tocarry“sensors,suchasamicrophoneoragassensor,torelaybackinformationgatheredfromthetargetdestination.”TheBerkeleyteamworkedwithgreenJunebeetlesandgiantflowerbeetles,whichcangrowtothesizeofahumanpalm.“Beetlesarereallyubiquitousandreallystrongfliers,andtheycancarryalargepayload,”saidVandenBrooks,explaininghowthesebugscanflyevenwhiletotingtheheftyelectronicbackpacksthatprocessandpowertheelectrodeswiredtotheirbodies.101第101頁(yè)/共125頁(yè)Afterimplantingradio-equippedelectrodesintotheadultbeetles’brainsandwingmuscles,theresearchersusedalaptoptowirelesslyactivatetheimplants,whichdeliveredpulsesofelectricity.Excitingthebeetles’brainsallowedtheteamtostartorstopflightoncommand.Exactlywhythisworkedsowellremainsunclear,sincetheelectrodesaffectedasizeableandunspecifiedbrainregion.“Wemusthavebeenstimulatingsomepartofthemotorarea,”VandenBrookssuggested.Tochangethedirectionofflight,theresearchersexcitedeithertheleftortherightwingmuscles.102第102頁(yè)/共125頁(yè)BeforetheBerkeleystudy,mostadvancesininsectcyborgresearchhappenedatCornellUniversity’sLaboratoryforIntelligentMachineSystems,wheresomeresearchersfocusonmoths—specifically,hawkmoths(天蛾),whichbreedquicklyandcancarrylargepayloadsduringflight.SomeCornellresearchershaveexperimentedwithimplantingelectrodesduringearlystagesofmetamorphosis,sotheadulthawkmothsemergeascyborgs.Theseimplantsallowedforsomepreliminarycontrolofwingmovementsandestablishedthesurgicaltechniqueslaterusedandmodifiedbyothers,includingtheBerkeleyteam.103第103頁(yè)/共125頁(yè)AlthoughDARPAhopesinsect-machinehybridswillsomedayfacilitatethemilitary,afleetofstealthyinsectspieswon’tbebreakingoutofthelabanytimesoon.“It’sthewholeideaoftheflyonthewalltechnology,”saidTimReissman,amechanicalengineeratCornell.“Currently,ourflyisthisrelativelyhugeinsect,”headded,emphasizingtheneedforbothsmallerinsectsandlighterdevicesbeforethecyborgswillbeofanyhelptothearmedforces.VandenBrooks,co-authoroftheBerkeleystudy,agreed:“Somepeopledefinitelyblowitoutofproportion.We’renotevenclosetohavinganyapplicationsofthatkind.”104第104頁(yè)/共125頁(yè)P(yáng)erhapsthegreatesthurdletoapracticalmilitaryapplicationofbionicbugsistheissueofpower.Anycyborgelectronicswillrequireapowersource,whichusuallymeansheavybatteriesthatweighdownevenlargeinsectslikeflowerbeetlesandhawkmoths.Imagineagiantbugthesizeofyourhand,luggingabackpackofbatteriesandmicrochips,tryingtodiscreetlycarryoutitsreconnaissance.Notexactlyinconspicuous.Butsomeresearchersaredeterminedtoresolvetheissuesofpowerandsize.reconnaissance

[美][r??kɑn?s?ns,-z?ns]

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inconspicuous[美][??nk?n?sp?kju?s]105第105頁(yè)/共125頁(yè)WiththeguidanceoflabdirectorEphrahimGarcia,amechanicalandaerospaceengineer,ReissmanandothersatCornellhavetriedtocreateelectronicdevicespoweredbythemoths’ownmovements—anattempttocircumventthedependencyoncumbersomebatteries.Toaccomplishthis,theyusepiezoelectricmaterial,whichturnsmotion“intoavoltagethatcanbeutilizedtopowerotherthings,”Garciaexplained.Attachingapiezoelectricdevicetoamothturnsthevibrationsofitsbodyduringflightintoapowersource.Theultimategoalisfunctionalbattery-freesensors,suchasatinycameraor“asimpleGPSmonitor—theworld’ssmallest,”Garciasaid.106第106頁(yè)/共125頁(yè)Reissmanisoptimisticabouttheirsuccess.Hiscolleaguesareworkingtobuildminiaturemechanicalsystemscompatiblewiththelowvoltagesharvestedfromamoth’smovements.AccordingtoReissman,theirdevicesarealmostefficientenoughfortakeoff.Noteveryonethinksit’sfeasibletoextractsufficientenergyfrominsectmovementtopoweranymechanicalinstrumentsofpracticaluse.“I’mskeptical,”saidReidHarrison,aUniversityofUtahbioengineerwhobuildselectronicbackpacksforlocustsinordertostudyhowtheirnervoussystemshelpthemescapepredators.“Theseanimalsonlygeneratesomuchmechanicalforce.Evenusingpiezoelectricmaterial,it’saverydifficultchallenge.”107第107頁(yè)/共125頁(yè)Despitetheobstaclestotrueenergyharvesting,researcherspersist.AttheUniversityofWashington,BrianOtisisdesigningabattery-freein-flightmonitoringdeviceforhawkmoths.“Thereisdataforinsectsshowinghugedifferencesintemperaturebetweenrestandmovement,”heexplained.Otisbelievesthehighinternalheatofaflyinginsectisanotherpotentialpowersource.108第108頁(yè)/共125頁(yè)BecauseDARPAprovidesthefunding,scientistswhotakeonthechallengeofcreatinginsectcyborgsareostensiblyworkingtowardtheultimateserviceofthegovernmentandarmy.Butsofar,thesynthesisofinsectandmachinehasbenefitedsciencemorethanthemilitary.Insectcyborgsarenotonlypushingengineerstobuilddevices—likeCornell’sGPSsystem—thataresmaller,lighterandmoreefficientthananythingthey’vemadebefore,theycouldgivescientistsaccesstoentirelynovelinformation.109第109頁(yè)/共125頁(yè)It’sverydifficulttomeasurealivingorganism’sinternalprocesseswithoutsomehowrestrainingitanddisturbingitsnaturalbehaviors.Butthemorescientistslearnaboutsafelyfusinglivinganimalsandtechnology,thebettertheybecomeatmonitoringthemanyimportantbiologicalprocessesthathappeninsidethoseanimals,withoutkeepingthemcageduportetheredinlabs.Bionicbugscouldsoonprovidebiologistswithanunprecedentedabilitytostudyinsectsintheirnaturalenvironment.Imaginebreedingcyborgmothsandbeetlesoutfittedwithtinyself-sufficientGPSmonitorsandchemicalsensors—thenreleasingthemtotheskiesandforests.110第110頁(yè)/共125頁(yè)“Wewanttomonitorbodytemperature,metabolicrate,flightspeed—wewanttomapwheretheyaregoing,maptheirlifehistory.Alotofthisisreallyunknown,”saidVandenBrooks,co-authoroftheBerkeleystudy.“Animaltrackingdevicesandhowlongtheylastareanimportantissue,”saidCornell’sReissman.“Makingbetter,longerlastingdeviceswouldbeveryadvantageoustounderstandingbiologicalsystems.”111第111頁(yè)/共125頁(yè)Focusingonthenervoussystemsofinsectshasalsoprovenbeneficialtoscientists.Itmightseemtrivialtostudythebrainsandbehaviorsofbugs,butnerves—theindividualcellsofthenervoussystem—aresocomplicatedthatresearchersneedtotightlyconcentratetheireffortstomakeprogress.“It’saveryvaluablewaytoapproachandstudyneuroscience,”theUniversityofUtah’sHarrisonsaid.“Itturnsoutbiologyisreally,reallycomplex.Ahouseflyhasaquartermillionneuronsinitsbrain—andthat’sjustahousefly!”112第112頁(yè)/共125頁(yè)“It’ssuchasci-fiapproachthatsomepeopleseenofeasibilityoruseforthisresearch,”saidReissman,“butthetruthisthateachoftheseresearchareasneedsadvancing.We’regoingtokeepseeinggoodsciencecomeoutofthis.”113第113頁(yè)/共125頁(yè)不會(huì)漏氣的仿蜂巢輪胎

我們的身邊日夜都陪伴著大量昆蟲(chóng)和蜘蛛綱動(dòng)物，它們形態(tài)不一，體型各異，但由于長(zhǎng)相恐怖，我們幾乎不會(huì)將它們作為思考的對(duì)象。實(shí)際上，昆蟲(chóng)和蜘蛛綱不僅在地球生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)重要位置，同時(shí)也是人類(lèi)的一個(gè)不可思議的靈感源泉，很多富有創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)靈感均來(lái)自于這些小生靈。以下盤(pán)點(diǎn)的是十大仿生設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)靈感來(lái)自蝴蝶、甲蟲(chóng)、蜘蛛等昆蟲(chóng)和蜘蛛綱動(dòng)物，它們讓我們研制的設(shè)備進(jìn)一步接近自然的完美。114第114頁(yè)/共125頁(yè)1.不會(huì)漏氣的仿蜂巢輪胎未來(lái)的輪胎不需要充氣，因此也就不存在漏氣問(wèn)題，這一進(jìn)步能夠挽救很多士兵的生命。按照政府提出的要求，輪胎需要具備較高的承重能力，可抵御臨時(shí)爆炸裝置襲擊并且能夠在遇襲后仍以每小時(shí)50英里(約合每小時(shí)80公里)的速度行駛。為了滿(mǎn)足政府的