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海洋生物仿生学在初中生物海洋主题课程的应用

时间:2023-08-12 理论教育 版权反馈
【摘要】:飞鱼的滑行距离通常在50米左右,它们的滑行速度可以超过每小时70千米,最大滑行高度可高于海平面6米。因此,现今的仿生学研究者正在积极研究利用辨识神经脉冲控制机械手臂、机械手指。现代仿生学的突破发生在2002年。海洋仿生学研究促进了科技进步,提高了人们的生活质量。海星闪闪仿生学未来发展趋势仿生学在国内外都得到极大的关注和蓬勃的发展。机器人技术的发展很好地体现了仿生应用的理念。

海洋生物仿生学在初中生物海洋主题课程的应用

海洋是生命的摇篮,有着无穷的奥秘等待着人类去探索。海洋动物千千万万,大至海中巨兽——鲸,小至肉眼难辨的海洋细菌,都成了人们研究的对象。

须鲸口腔中平行排列的须板能将海水和食物分离,柔韧性极好,可数十年承受来自循环水流及食物的作用力而不断裂。受鲸须板启发开发出的新纤维增强复合材料有望应用于海洋环境下承受循环作用力的设备。

海豚的皮肤柔软,当水流从其身边擦过去时,阻力极小。为此,人们仿造了海豚皮,并将这种人造皮套在船舶和军舰上,用以减少阻力,提高航行速度。

须鲸口中的须板

海 豚

鱿 鱼

鱿鱼可将水流快速从身体内喷出,从而获得极大的反冲力。人们根据此原理设计出速度极快的气垫船

不少水母的“耳朵”——平衡囊中有小小的平衡石,可以感受到暴风雨来临之前空气与海水摩擦产生的次声波,从而躲避风暴。人们根据这一原理研制出了风暴预测仪。

电鳐在头胸部的腹面两侧各有一个肾脏形的发电器官。其基本单位是由特殊的肌肉细胞构成的“电池板”。单块“电池板”产生的电压很微弱,但许多块“电池板”产生的电压就很大了。科学家以其发电器官为模型,发明了伏特电池。

水 母

电 鳐

鲎的视觉系统非常特殊,有4只眼睛,2只单眼在前,2只复眼在头的两侧。复眼由1 000多只小眼组成,各个小眼彼此制约。当一个小眼受到光照产生兴奋时,周围的小眼却受到抑制,这叫“侧抑制作用”。侧抑制作用可增强边缘反差,略去视觉物体的细节,使所视之物更加清晰。科学家根据这一原理研制出了一种新型的电视摄像机。这种摄像机所拍摄的电视片,清晰度相当高。

飞 鱼

在长期的演化过程中,飞鱼身体变成流线型,胸鳍成为鸟翼状,这使得飞鱼得以冲出水面滑行。飞鱼的滑行距离通常在50米左右,它们的滑行速度可以超过每小时70千米,最大滑行高度可高于海平面6米。飞鱼超低空滑行的本领,引起了导弹专家的注意。伊拉克在两伊战争中使用的“飞鱼”反舰导弹就是模仿飞鱼的产物。这是一种超低空飞行的空对舰导弹,从飞机上发射后,掠过海面飞行,命中率很高。

大多数硬骨鱼有鳔。鳔是大多数硬骨鱼身体密度的调节器官。一般情况下,生活在浅水的鱼的鳔内的含氧量低。鳔内的含氧量随鱼的活动水层下降而逐渐升高,在一定程度上可引起鱼体密度的变化,使鱼体悬浮在限定的水层中。根据这一原理,人们发明了潜水艇。

龙虾的眼睛结构特殊,是反射式复眼。其每个单眼为空心四棱台结构,由上千个单眼组成的龙虾复眼在光线比较暗的环境里依然具有较强的聚光能力。科学家模仿龙虾眼光学系统,发明了高能射线望远镜和高能射线探测器。

龙 虾(www.xing528.com)

鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲,可以让身体长久保持清洁。其身体不会积聚黏液、海藻和藤壶。科学家根据鲨鱼皮肤的特性,研发出了防止大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等细菌滋生的防菌涂层。

鲨 鱼

剑 鱼

剑鱼体型为典型的流线型,体表光滑,上颌又尖又长且坚硬。当剑鱼飞速向前时,长矛般的长颌起到劈水前进的作用。受到剑鱼的启发,飞机设计师仿造剑鱼体型,在飞机前段安装了一根长“针”。这根长针可以刺破飞机高速飞行中所产生的“音障”。于是,超音速飞机问世了。

白鲸遨游

仿生学提高生活品质

如今的仿生技术突飞猛进,已经不再停留在假肢、义指的水准上了。科学家相信,即使身体有部分缺陷,大脑仍发出神经脉冲控制着这些部位。因此,现今的仿生学研究者正在积极研究利用辨识神经脉冲控制机械手臂、机械手指。灵活、智能的仿生机械不日就将面世。科幻片中,具备各种功能的假眼、伸缩自如的铁臂,不再是幻想。

仿生学研究非常精密,要想在人的意识和机械之间建立联系可不是件轻松的事。今日的成就是建立在无数的失败基础之上的。

现代仿生学的突破发生在2002年。这一年,一种新的技术——目标肌肉神经再生术首次运用于临床。这种技术利用神经脉冲控制假肢,获得了成功。科学家利用肢体断面肌肉发出的信号,使用一种神经脉冲放大器接收大脑的控制信号。电子设备经过辨识后,即可完成大脑控制的相应动作。在实现了控制假肢之后,未来仿生学所面对的难题是如何让这些假肢也能产生知觉。

[节选自美国国家地理学会官方杂志《国家地理》(2010年第1期)]

想一想:生活中哪些产品利用了仿生学原理?

精灵拾贝

(1)仿生学研究生物体结构、功能和工作的原理,创造出适用于生产、学习和生活的先进技术。

(2)海洋仿生学研究促进了科技进步,提高了人们的生活质量。

海星闪闪

仿生学未来发展趋势

仿生学在国内外都得到极大的关注和蓬勃的发展。科学家正带着自动控制、能量转换、信息处理力学模式和材料构成等大量技术难题,到生物系统中去寻找启迪。机器人技术的发展很好地体现了仿生应用的理念。机器人趋向小型化和多样化,将进一步采用仿生结构和中枢运动模式发生器制导系统,以适应各种作业环境。

路甬祥院士认为,经过30多亿年演化的生物世界是技术创新不可替代、取之不竭的知识宝库和学习源泉,仿生学是诸多学科的交叉,需要生命科学家和多学科技术科学专家的共同关注与参与。仿生科学有无止境的前沿,正向微观、系统、智能、精细、洁净方向发展。仿生学将为我国科学技术创新提供新思路、新原理和新理论。仿生学随着科技与经济的发展而发展,也必将极大地推动未来学科和经济的发展。

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