深度对比：启发人心

1.片流膜的发明

马克思·克雷默博士倚靠在轮船甲板的栏杆上，尽管大西洋的景色壮美无比，但却没有引起他的丝毫兴趣，唯有那群逐浪嬉戏的海豚始终牵引着他的视线。克雷默博士是一位学有专长、造诣深厚的德国科学家。第二次世界大战以前，他在德国航空研究中心领导着抗湍流的研究。这次，他应聘到美国海军某研究所工作。连日来，他一直注意着大西洋上的海豚，眼前这群游速达每小时50 km的海豚，伴随着轮船快速游行已有两个多小时，但看上去它们的动作依然是那样地潇洒自如、刚劲有力，没有丝毫倦意。克雷默博士对此产生了绝大的兴趣。由于从事抗湍流研究工作已有多年，他非常清楚与空中飞行物要经受气流产生的湍流阻力一样，在水中运动的物体同样也会经受水中湍流的强劲阻力。他不禁奇怪海豚是怎样抗击湍流而能高速游动的呢？虽然，海豚具有非常完美的流线形外形，头部和尾部狭尖而中间部分宽厚，耳壳和后肢都已退化消失，身长与厚度的比例十分合理，浑身光滑少毛，这些特点对海豚减少水中湍流阻力十分有利。然而，有人做过试验，航速为每小时50 km的轮船若拖着一只与海豚身形相同、大小相仿的物体在海上航行，需要增加2.6匹马力。而眼前的海豚按其身躯大小来估计，本身是不可能产生那么大的驱动力的。海豚能在比空气密度大800倍的水中轻松地追随高速航行的轮船，必定有其奥妙之处。是不是海豚能以最小的动力来最大限度地把湍流变成片流呢？如果这个问题能搞清楚，那么对抗湍流的研究一定会有所帮助。

1956年，克雷默博士终于得到了梦寐以求的海豚皮样张，立即对它进行了仔细研究。这张海豚皮厚度约为1.55 mm，富有弹性和疏水性。经过切片，在显微镜下观察，可见其组织结构与其他脊椎动物的皮肤一样也是由表皮、真皮和由胶质纤维和弹性纤维交错的结缔组织组成。但与众不同的是，海豚的真皮层上面有许多小乳突，根据各部位比较，这些小乳突在额部和尾部特别发达，这些小乳突对抗湍流有什么作用呢？克雷默博士决心弄个明白。通过研究，他认为这些小乳突形成了很多微小的管道系统，在运动中能经受很大的压力，含有胶质纤维和弹力纤维交错的结缔组织，中间充满了脂肪，增加了海豚皮肤的弹性，皮肤的弹性和疏水性在很大程度上消除了水流由片流变成湍流的振动，并能使水分子集结成环状结构在海豚体表上滚动。众所周知，滚动摩擦的阻力是最小的，从而把水阻力大大地减少了，再加上海豚皮下肌肉能作波浪式运动，使富有弹性的皮肤在水的压力下灵活地变形，使其和水流的运动相一致，进而有效地抑制水流高速流经皮肤时产生的漩涡，这样一来，海豚即便在高速运动时，也能把水的阻力降低到最小限度。

图1-6　海豚皮与人造海豚皮

据此，克雷默博士开始研制人造海豚皮。1960年他在美国橡胶公司工作期间，用橡胶仿造海豚皮肤的结构研制出一种名叫“片流膜”的人造海豚皮（见图1-6）。这种片流膜由三层组成：表层和底层都是光滑的薄层，中间的一层设置了许多容易弯曲的小突片，形成一种微细的管道系统，其内充满了富有弹性的液体，使片流膜具有弹性。后来克雷默博士将片流膜装配在潜水装置上进行试验，结果使湍流减少了50%。此后，美国军方将这种片流膜安装在潜水艇的表面，取得了很好的效果，大大提高了潜水艇的航行速度。以后人们又将这种片流膜安装在输送石油的管道内壁上，同样显著提高了石油输送的效率。

2.青蛙眼和电子眼

电子蛙眼是电子眼的一种，其前部实际上就是一个摄像头，成像之后通过光缆传输到电脑设备显示和保存，它的探测范围呈扇状且能转动，这与蛙类的眼睛（见图1-7）类似。(www.xing528.com)

图1-7　蛙眼

科学家根据蛙眼的原理和结构，发明了电子蛙眼。现代战争中，敌方可能发射导弹来攻击我方目标，这时我方可以发射反导弹截击对方来袭导弹，但敌方为了迷惑我方，又可能发射假导弹来扰乱我方的视线[6]。在战场上，敌人的飞机、坦克、舰艇发射的真假导弹都处于快速运动之中，要克敌制胜，就必须及时把敌方真假导弹区别开来。如果我方能将电子蛙眼和雷达相配合，就可以像蛙眼一样，敏锐迅速地跟踪飞行中的真目标。

青蛙捕虫的本领十分高强，当有小虫从它眼前飞过时，青蛙便一跃而起，以迅雷不及掩耳之势将小虫捕获。但令人惊异的是，青蛙那双凸起的眼睛，对静止的东西，却往往视而不见，即使有它最喜爱的苍蝇得在眼前，也不会引起它的注意。这种现象引起了科学家们的浓厚兴趣，对蛙眼的结构进行了仔细研究，发现蛙眼里面有四种神经细胞，也就是四种“检测器”。它们的形状、大小和树状突分支各不相同，每种细胞接受范围的大小和轴突传导信号的速度也各不相同。第一种神经细胞叫反差检测器，它能感觉运动目标暗色前后缘；第二种神经细胞叫运动凸边检测器，它对有轮廓的暗颜色目标的凸边产生反应；第三种神经细胞叫边缘检测器，它对静止和运动物体的边缘感觉最灵敏；第四种神经细胞叫变暗检测器，只要光的强度减弱了，它就立刻反应。蛙眼在这四种神经细胞的作用下，能把一个复杂图像分解成几种容易辨别的特征，然后传送到青蛙大脑的视觉中心，经过综合，就能看到原来的完整图像[7]。

科学家们还对青蛙进行了特殊的实验研究。原来，蛙眼视网膜的神经细胞分成五类，一类只对颜色起反应，另外四类只对运动目标的某个特征起反应，并能把分解出的特征信号输送到青蛙大脑的视觉中枢——视顶盖。视顶盖上有四层神经细胞，第一层对运动目标的反差起反应；第二层能把目标的凸边抽取出来；第三层只看见目标的四周边缘；第四层则只管目标暗前缘的明暗变化。这四层特征就好像在四张透明纸上所画的不同图画，叠在一起，就是一个完整的图像。因此，在迅速飞动的各种形状的小动物里，青蛙可立即识别出它最喜欢吃的苍蝇和飞蛾，而对其他飞动着的东西和静止不动的景物都毫无反应[8]。科学家们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功了一种电子蛙眼（见图1-8）。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能够快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止敌方以假乱真，破坏我方的作战计划。

图1-8　电子蛙眼