人生感悟

标题: 蜥蜴仿生谈 [打印本页]

作者: tongzhuan365 时间: 2017-9-22 00:07
标题: 蜥蜴仿生谈
　　在现存的爬行动物中，蜥蜴是最为兴盛的一个大家族，全世界大约有三千多种，我国已知的有一百五十多种。蜥蜴家族中的避役——“变色龙”一支最为著名，不过家族中的其他成员也各自成功地演化出多姿多彩的野外生存本领：壁虎喜欢在墙壁上穿梭，树蜥能够在树干上攀援，飞蜥依靠前后肢之间发达的皮膜在树林中滑翔，蛇蜥利用光滑的身体在地下穴居，麻蜥、草蜥、石龙子等善于在地面飞奔，而斑冠鬣蜥甚至能在水面上自由“行走”……

　　因此，蜥蜴家族引起了越来越多的生物学家、生态学家的关注和研究，逐渐揭开了它们从前鲜为人知的奥秘。它们的诸多本领也成为了仿生学专家进行探究和模仿的对象。

　　断尾再生

　　蜥蜴在遭遇敌害时会自断其尾，断尾不停跳动吸引了捕食者的注意，自己便能逃之夭夭，而且生还之后，它的尾巴还能再生。这是由于在它的尾椎骨中有一个光滑的关节面，把前后半个尾椎骨连接起来，这个地方的肌肉、皮肤、鳞片都比较薄而松弛，所以在尾巴受到攻击时就可以通过剧烈摆动身体和尾部肌肉强有力的收缩，造成尾椎骨在关节面处发生断裂。由于尾巴不是单纯以脂肪的形式贮存能量，而是形成更容易释放能量的糖原化脂肪，所以刚断下来的尾巴的神经和肌肉都保持着一定的功能，会在地上颤动不停，因而起到了转移捕食者视线的作用。

　　断尾以后，自残面的伤口很快就会愈合，形成一个尾芽基，经过一段细胞分裂增长时期，然后转入形成鳞片的分化阶段，最后便长出一条崭新的再生尾，只是与原来的尾巴相比，显得比较短而粗。

　　蜥蜴的尾巴为什么能再生呢？原来，生物体的细胞在分化后，就组成了不同的器官，有了不同的特殊功能，成为只能干好某一项工作的“专门人才”；而许多没有分化的细胞则是“多面手”，能根据身体的需要改变其“专长”。当蜥蜴的尾巴受伤后，“多面手”细胞就转移到受伤部位，齐心协力地造出一条新尾巴。

　　动物的再生能力一直是仿生学研究的重点。不久前，美国一位老人的手指尖被不慎切断，科学家把一种混有蛋白质和结缔组织的“再生粉末”撒到伤口上，使人惊讶万分的是，他的手指尖在4周后竟然慢慢地重新长了出来。科学家相信，人体内的每个组织中都存在着有再生能力的细胞，他们需要做的就是找到这些细胞，并“命令”它们进行再生工作。

　　防沙耐磨

　　对于生活在沙漠中的蜥蜴来说，其体表的鳞片能起到保护身体、防止水分散失等作用。它们布满鳞片的体表通常是由单个鳞片的材料和形态、鳞片的排布方式以及皮肤的多层结构三者构成的一个复合系统。

　　鳞片的形状多种多样，主要分为四边形、六边形、菱形等，鳞片中部均有不同程度的突起。这些鳞片通过不同的方式排列，主要可分为覆瓦状排列与正六边形排列两种，其他的排列方式均由这两种方式变换而成。皮肤的多层结构包括外部的角皮层、角质层所构成的硬壳支撑体以及填充于硬壳内部的较软的结缔组织。当体表受力时，这种复合结构可形成多方向受压的状况，延缓因压力而造成的纵向开裂，因而具有较高的承载能力，特别是有着优良的耐气、固两相流冲蚀的能力。因此，这种形态、结构相耦合使沙漠蜥蜴的体表具有优异的耐受沙粒冲蚀磨损的作用。

　　这种生物耦合现象也是工业仿生研究的重点，例如在水泥生产上，水泥粉磨系统是水泥生产的重要核心部件，其磨损与脱落是制约水泥生产的重大技术难题。而通过模仿沙漠蜥蜴体表形成刚柔耦合的多层耐磨结构，为磨辊的制备开辟了一条新途径。科学家通过形态、结构和材料的合理耦合，研制成功了多元耦合仿生磨辊生产新工艺，改善了水泥粉磨系统核心部件的耐磨性能。

　　飞檐走壁

　　壁虎能在光滑如镜的墙面或天花板上穿梭自如，甚至用一只脚在天花板上倒挂。它可以轻易附着和剥离，不会在爬过的表面留下任何痕迹。这种“飞檐走壁”的功夫常常令人不解。

　　“壁虎漫步”靠的不是吸盘，而是它每只脚底下所具有的200万根细小绒毛。每根绒毛根部有几十微米粗，而顶端又分成数十万个更细更弯的绒毛，直径仅几百纳米，其末梢延展成扁平形，形成微小的“刮板”，黏性非常强。这些数量达数十亿的刮板看起来就像长在绒毛顶端的花椰菜，为壁虎大面积地贴近墙面提供附着点，从而支撑其体重。这种特殊的黏着力是由壁虎脚底下大量的绒毛与物体表面分子之间产生的“范德华力”累积而成的。“范德华力”是中性分子彼此距离非常近时，所产生的一种微弱的静电作用力。而且，这种附着力具有可逆性，可通过“剥落”轻易打破，就像撕开胶带一样。

　　受壁虎的启发，科学家发明了一种具有防水功能的强力医用绷带，可以广泛地应用于外科手术和修复伤口等方面。他们利用计算机技术，模拟壁虎足掌底部的结构，在绷带表面上“刻制”出很多极其微小的丘壑，使这种绷带的附着力大大增强，能紧贴人体组织。此外，这种绷带由生物橡胶制成，即使留在体内，也可自动生物降解。

　　科学家还利用纳米材料开发出具有高效、可逆、干性附着等特性的超级黏合材料——“壁虎皮肤”。这种仿生材料可以广泛地应用到我们的生活中，例如制造出足球和板球守门员使用的黏性超强的手套以及抓地更牢的运动鞋、登山设备，制作在雨雪气候中不再打滑的汽车轮胎，将电视机、电脑显示器等电子产品等随意附着于墙面并随时根据需要分离等等。在影视拍摄中，无需借助电脑特技，演员们就能真正在摩天大楼的玻璃幕墙上一展身手了。

　　开发能沿着垂直墙壁“行走”的“壁虎机器人”更是仿生的热点。例如，有的科学家仿照壁虎脚底下的绒毛等结构，用微型模具制成一种只有20微米宽、类似橡胶的多聚材料微丝，做成黏合剂涂层，涂在为“壁虎机器人”专门制作的4只脚上，大大提高了负荷量。它的每只脚约有一个小孩的手掌大小，在墙壁上攀爬时很稳定，能像壁虎一样轻松地黏附或提起每一只脚，在竖直的木板、涂漆金属和玻璃上行走自如。

　　这项技术能在消防、刑侦和建筑施工等方面获得广泛应用，例如，用来制造能够攀登陡峭的墙壁和跨越任何地形的搜索救援机器人；开发出空间探测用攀爬型机器人，无论在多么恶劣的条件下都可以在太空飞行器的外表面行走，给飞行器进行“体检”。

　　踏浪行走

　　除了水黾、捕鱼蛛等小型动物能在水面上活动外，绝大多数动物或由于身体太重，或由于速度太慢，都无法实现在水面上行走。所以，当人们看到斑冠鬣蜥在水面上“飞奔”的时候，无不对它所拥有的这个特殊的本领惊叹不已，并且在相当长的时间里始终不得其解，甚至认为这是上帝赋予它的能力，因此，又称其为“耶稣蜥蜴”。

　　斑冠鬣蜥在陆地上是用4条腿跑，而在水面上只用2条后脚快速交替踩水飞奔，速度可达每秒1。5米，能在水面上连续奔跑4。5米左右，然后前肢沉入水中，变成游泳姿势。斑冠鬣蜥水上行走技术的奥秘在哪里呢？首先，斑冠鬣蜥不仅有强壮的后腿和很大的脚，而且在脚趾上有“胡须”一样的毛边。在陆地上行走时，这些“胡须”就收起来；在水面上飞奔时，这些“胡须”就张开，增大了脚掌与水面的接触面积，使它不会在水面倾斜和翻倒。

　　在高速摄像机拍摄的画面中，斑冠鬣蜥在水面上飞奔时的每一步踏水动作都可以分成3部分：拍击、扑打和还原。拍击水面时，它的脚主要呈垂直运动；扑打时，脚主要向后运动；在还原过程中，脚抬起离开水面，准备下一步开始动作。当它的脚向下踏入水中的时候，被淹没的整个腿部就会产生一个支撑身体的空气腔，并通过脚趾的扩展进一步扩大这个空气腔，有利于腿部向上抬。而当这个空气腔消失之前，它必须非常迅速地将脚趾抬离水面。因此，它的整个连贯动作有点像我们骑自行车，如果不蹬踏板，自行车就会慢慢地停下来，而车上的人就会被翻倒在地。

　　于是，科学家模仿斑冠鬣蜥研制出一款水陆两栖机器人，它能够步行越过陆地和水面。这款机器人长约0。3米，整个身体由碳纤维与塑料构成，采用两对相同的四杆机构，具有180度相位移，由一个轻质的高功率马达驱动其4条腿运动，特别是能模仿蜥蜴两条腿的踏水运动。这种水陆两栖行走机器人如果配备了生化传感器，就可以用来监测水质；如果携带摄影机，则能够参与搜寻和救援工作。

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