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现代仿生学在微观上师法自然(图)

 
海豚和仿海豚皮肤的结构(上:海豚皮肤的三层结构;下:科学家研发搜新型柔性表面,(a)、(b)、(c)为不同构型的结构单位) 
 
今年3月,在国家自然科学基金、国家高技术发展计划(“863”计划)支持下,北京大学生命科学学院教授孙久荣和南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所教授戴振东合作,以专题评述的形式,在《自然科学进展》上发表文章,介绍了仿生学的发展前沿。
 
 
去年年底,在数项国家自然科学基金项目的支持下,戴振东领衔的研究团队在仿生学领域取得突破性进展。他们成功研制出“机器壁虎”,一只活的壁虎能在电脑发出的指令下,做出左转、右转、前进等指定动作。相关论文发表在2007年第21期《科学通报》上。
 
神经信息仿生学让壁虎能解人意
 
“近几年,南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所申请到五六个国家自然科学基金项目。我们主要在运动仿生——包括神经信息仿生学和仿生机器人、轻质结构和材料、功能化表面仿生领域展开研究。”戴振东对《科学时报》记者说,“仿生学的内涵是不断发展的,现在仿生学并不仅仅指人们去模仿生物的某一特性,我们通过向壁虎大脑中输入电信号,从而实现了它的运动可控。这属于神经信息仿生学的领域,国外也正在进行类似的工作,美国做了老鼠、鲨鱼的运动控制,俄罗斯则试图控制海龟的运动。国内的山东科技大学等单位也在该方面进行探索。”
 
据介绍,动物一般通过神经网络控制肌肉收缩来控制其运动,而神经信号的传导是电信号和化学信号的结合,只要人为地往壁虎大脑中输入电信号,就可以实现壁虎运动的诱导,从而控制壁虎的行为。研究人员先把壁虎固定,给其进行开颅手术。然后在壁虎大脑内相应的脑区、位点植入电极,待伤口愈合后,就可以对其大脑发出电信号,从而控制壁虎的动作,让其按照研究人员的指令运动。
 
戴振东说:“前期我们也研究过蜘蛛行为的控制,完成了它的运动力学研究。我们之所以选择四足动物中的大壁虎作研究,因为大壁虎具有三维空间无障碍运动能力。也就是说,不管是墙面、洞穴或是其他光滑表面或者粗糙表面它都能爬。而且在所有具有这种特殊攀爬能力的动物中,大壁虎是体型相对较大、运动速度较快、负载能力最强的。这些特点也有利于它将来带一些研究设备到人类不能到达的地方去执行任务。”
 
在人们控制了壁虎的行动后,可以给壁虎的身上安上摄像头或传感器,让它去执行特定的救灾搜救、反恐、探测等任务。比如发生矿难,救生员难以进入废墟侦查时,就可以让壁虎带着一些探测设备进入矿井,代替人类执行救灾侦查任务。而且,这种改造后的壁虎“机器人”还有一个突出的特点——不用电。普通的机器人有电源的限制,电池用光就不能用了。而且目前的爬墙机器人用人工吸盘等设备,其性能尚不能很好地满足要求。
 
神奇非光滑表面仿生学
 
孙久荣介绍说,近年来,科学家们发现许多生物体的表面结构是非光滑的。这种非光滑表面具有神奇的特性,像鲨鱼、蜥蜴、甲虫和蟑螂的非光滑性(长有鳞片和其他凸凹形态结构)微结构使之具有优异的减阻、抗黏附和抗磨损的能力。因此,非光滑表面仿生学成为一个新的研究热点。
 
过去,海藻等海洋生物附着船体,影响舰船机动性的事让人们十分头痛。解决办法是在船身上涂一种防污涂料杀死这些附着生物,但这会对其他海洋生物造成损害。后来,英国伯明翰大学的科学家发现,大型海洋生物,如鲸类等很容易被其他海洋生物吸附,而生活在海底的鲨鱼却并不会有藻类或其他海洋生物缠身。
 
科学家们进行更细致研究后发现,鲨鱼这种保洁机制来自鳞片沟槽中的刺状突起。这种不规则表面使植物孢子等难以附着。他们用一种塑料与橡胶合成一种仿鲨鱼皮涂层材料,其表面由数十亿个细小的菱形凸起组成,每个小菱形凸起约15微米。表面的凸起会随着电流强度的变化膨胀或收缩,使它们在船体表面不断进行伸缩运动。这种运动不会影响船的速度,但能有效地阻止淤泥和其他生物对船体的黏附。在实际测试中,这种方法能使舰艇底、侧部常见的藻类和石莼等海底生物孢子的沉降率下降85%,防附着效果非常明显。
 
从仿鲨鱼到仿海豚
 
2000年悉尼奥运会上,英国SPEEDO公司研发的仿鲨鱼皮泳衣帮助伊恩·索普创造了新的世界纪录。2004年,SPEEDO公司又在雅典奥运会上推出了第二代仿鲨鱼皮泳衣产品,该泳衣在第一代产品的基础上更加接近鲨鱼皮的特性,改进了面料的质地和纹理,同时保持了更大的弹性,通过压迫身体来减少皮肤及肌肉的震动,从而减少能量损耗。该产品采用计算流体力学和风洞测试技术,在运动员身体最突出的部位(前胸和后背肩胛骨区)增加了微小突起物,以减低阻力。
 
戴振东说,海豚是游泳健将,实验表明,海豚在水中的时速可达40~48公里。对比海豚的耗氧量和用模型测试得到的运动阻力,其他生物是不能达到如此高游速的。由流体力学可知,水中运动的物体受到阻力的大小与物体周围的液流形状有关。“层流”使阻力减小,而“紊流”使阻力增大。研究人员发现,海豚能高速游泳,不仅得力于它的流线型体形(海豚体形像一只纺梭,两头尖中间厚,横切面为椭圆形),更重要的是皮肤能产生“自适应表面”(compliant wall)。与鲨鱼的皮肤不同,海豚的皮肤表面光滑,其非光滑结构位于表皮之下,由真皮层构成。海豚皮肤分3层:最外面是表皮,其上有薄而光滑的角质膜;中间层是真皮层,像海绵一样,长有许多乳突,中空的乳突间充满着血液或体液,这些乳突在运动中能承受很大的压力;最里面由交错的胶质和弹性纤维组成,中间充满了脂肪细胞。
 
研究人员发现,当海豚快速游动时,随着水的阻力增加,海豚的皮肤由光滑逐渐变为相应的非光滑形态,以降低水的阻力。这种现象被称为“自适应性”或“顺应性”。这时皮肤就像一个减振器,防止湍流或紊流产生。皮下乳突的形状和弹性及其可流动的体液导致皮肤表面随着紊流变化,吸收紊流的部分能量,将紊流变成层流。
 
此外,海豚皮肤分泌的体液随着水压的增高而增多,这种体液具疏水性,能减少体表水层的摩擦力;海豚皮下肌肉也随着水流做波浪式运动,迫使水流沿海豚身体表面“奔跑”,消除了因高速运动而产生的漩涡和紊流。
 
“这些研究目前还只能说是较基础的,我们还有很多工作要继续深入。运动仿生、轻质结构和材料、功能化表面的仿生研究,会对人类在多角度、宏观—微观多层次上师法自然,通过结构和功能进行仿生研究,获得新型智能结构和材料方面有所启迪。”戴振东说。
(责任编辑:鲁玲)

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