仿生學(xué)仿生學(xué)(bionics)是模仿生物系統(tǒng)的原理來建造技

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1、昆蟲與仿生 彩萬志 (中國農(nóng)業(yè)大學(xué)昆蟲學(xué)系) 仿生學(xué) (bionics) 是模仿生物系統(tǒng)的原理來建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或 類似于生物系統(tǒng)特征的科學(xué)。自從人類誕生就開始了仿生活動，但仿生學(xué)作為一門學(xué)科是 1960 年 6 月在美國召開的一個學(xué)術(shù)會議上提出的，它是一個涉及生物學(xué)、數(shù)學(xué)、物理學(xué)、 化學(xué)、 神經(jīng)學(xué)、 自動化、控制論等多學(xué)科的綜合性邊緣學(xué)科。其實質(zhì)就是模仿生物制造各類 設(shè)備。因此，首次仿生學(xué)會議的副標題就是“生物原型 --- 新技術(shù)的鑰匙”。 全球昆蟲種類 1000 萬種、占全球生物種類的 1/2 、占全球動物種類的 2/3 。在漫長的 生物進化史中，鼎盛

2、一時的三葉蟲滅絕了，龐大的恐龍消失了……而小小的昆蟲卻一直繁榮 至今。除了昆蟲具有驚人的繁殖能力、適應(yīng)能力外，它們在形態(tài)、生理、行為等方面具有很 多絕妙之處。有很多地方連人類也自嘆不如，如螳螂能夠在 0.05 秒內(nèi)一躍而起，捕捉到空 中飛行的獵物， 這一速度連目前的微電子和自動化技術(shù)都達不到。 所有這些獨到之點， 都是 仿生學(xué)的豐富資源。 昆蟲的形態(tài)千姿百態(tài)，千差萬別，從頭到尾，從里到外，與仿生學(xué)相關(guān)之處甚多，大 體有以下五個方面。 (1) 昆蟲的頭部與仿生昆蟲的觸角與各式各樣的天線、昆蟲的復(fù)眼與蠅眼相機、蟲眼導(dǎo) 彈、地對空速度儀、空對地速度計、偏振光導(dǎo)航儀等。 (2) 昆蟲

3、的胸部與仿生翅的花紋與軍事偽裝、鱗片與計算機散然裝置、鱗片結(jié)構(gòu)與衛(wèi)星 控溫、鱗片結(jié)構(gòu)與防偽紙幣、翅痣與飛機的減震裝置、平衡棒與振動陀螺儀等。 (3) 昆蟲的腹部與仿生蝗蟲的產(chǎn)卵器和鉆井裝置、腹節(jié)的構(gòu)造與套筒裝置、腺體系統(tǒng)與火箭 設(shè)計等。 (4) 昆蟲的生理與仿生幾丁質(zhì)與仿生材料、彈性素與彈跳鞋、肌肉發(fā)動機和燃料電池、 昆蟲的泌絲與人造纖維等。 (5) 昆蟲的行為與仿生昆蟲的飛行與蟲形飛機、昆蟲的巢穴與建筑、蜜蜂巢房的結(jié)構(gòu)與 仿生、 昆蟲的發(fā)音與仿生、昆蟲的發(fā)光與仿生、昆蟲的化學(xué)通訊與仿生、毛蟲的行走與戰(zhàn)地 越野車、尺蠖的行走與新型坦克、蜜蜂的訪花與電子蜜蜂等。 此處，僅以翅的結(jié)構(gòu)

4、、飛行動力學(xué)為例簡單介紹一下蟲型飛機方面的仿生學(xué)進展。 一、蟲型飛機的概念 昆蟲是動物界中最早獲得飛行能力的類群， 也是無脊椎動物中惟一具翅的類群， 其高超 的飛行技巧時常使自認為萬物之靈的人們愧嘆弗如。 吳承恩筆下的齊天大圣孫悟空會七十二 般變化， 一個筋斗能翻十萬八千里， 騰云駕霧、 上天入地， 好不自在！ 但在吳大師的心目中， 孫悟空顯然不如蝴蝶那么瀟灑，在描述孫悟空所變的蝴蝶時，他這樣寫道： “一雙粉翅，兩 道銀須。乘風(fēng)飛去急，映日舞來徐。渡水過墻能疾俏，偷香弄絮甚歡娛。體輕偏愛鮮花味， 雅態(tài)芳情任卷舒。 ”從這些描寫中，我們不難看到到他對蝴蝶翩翩起舞的羨慕之情。的確，

5、 每當春暖花開、 萬象生煙之際， 美麗的蝴蝶雙雙對對在花間款款飛舞， 不免使人頓發(fā)希望自 己也能像蝴蝶那樣自由飛翔的感慨。 人類渴望了上百萬年的飛天夢，直到 1903 年，美國的萊特兄弟成功地進行了動力載人 飛行的那一刻才真正成為現(xiàn)實。在此后的 100 多年中，航空器的大型化、高速化、智能化一 直是航空研究領(lǐng)域的主流。但是， 20世紀 90年代以來，隨著微電子、微電子機械系統(tǒng)、微 型照相機、 微型紅外傳感器、 微型檢測器和計算機芯片等技術(shù)的飛速發(fā)展， 飛行器的設(shè)計又 始出現(xiàn)向小型化、微型化發(fā)展的趨勢。 蟲形飛機是一類特殊的微型飛行器， 它不是簡單的普通飛機的微型化， 而是一類高度

6、集 成化的智能機器人。因此，該類飛行器又被稱為飛行機器人、機器蟲、微機械飛蟲、多型電 機蟲等。按照蟲形飛機的權(quán)威，美國佐治亞技術(shù)研究所 RobertMichelson 博士等的定義， 蟲形飛機指用人造肌肉技術(shù)制造的能短距離平飛并定位著陸的機器人化微型飛行器。 本文中的蟲形飛機是指體積像昆蟲一樣大小的飛行器，也就是廣義的蟲形飛機。 微型飛行器的概念， 是美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室的研究人員首次提出的。 1992 年， 美國國防部國防高級研究計劃屬就開始進行這方面的論證工作，并把它們的尺寸規(guī)定在 15 厘米以下， 重量 10~100 克， 有效載荷 1~18 克， 巡航速度 30~6

7、0 千米 / 小時， 續(xù)航時間 20~60 分鐘，航程大于 10 千米，最高飛行高度可達 150 米。這種飛行器具有導(dǎo)航及通信能力，可用 手擲或飛機操縱，具有偵察成像、電磁干擾等作戰(zhàn)效能，能一次性或多次性使用。近年來， 這方面的研究取得了可喜的成果。 2000 年7 月， 美國專利局還為 Michelson 所發(fā)明的多型電 機蟲注冊了專利，這意味著蟲形飛機將從實驗階段進入商業(yè)化階段。 二、蟲形飛機的用途 蟲形飛機具有自主飛行、 攜帶任務(wù)載荷執(zhí)行特定任務(wù)、 通信及傳輸信息等基本特征。 由 于微型飛行器具有體積小、重量輕、隱蔽性好、功能強、攜帶方便等特點，在軍事和民用領(lǐng) 域，都具有

8、十分誘人的應(yīng)用前景。 在軍事方面， 這些機器蟲在空中飛行， 不僅肉眼很難發(fā)現(xiàn)， 就是雷達探測器也很難探測 到，即使被“看”到，也可能會誤認為是一只普通的昆蟲。甚至這種飛行器飛入房間、停在 墻上也不會引起人們的注意。 所以， 蟲形飛機能完成一些大型武器所不能完成的任務(wù)， 如用 于街道密集、高樓聳立的城市作戰(zhàn)時，對特定目標進行監(jiān)視、 監(jiān)聽和跟蹤； 像一只蜜蜂鉆到 敵方的指揮部、 情報室內(nèi)竊聽軍事機密， 收集視覺、化學(xué)和生物情報， 然后把這些準確的情 報送回操作者手中； 在倒塌的建筑中尋找幸存者或偵查藏匿在深山中的恐怖分子的動向； 也 可用于清掃戰(zhàn)場、檢測有毒化學(xué)物品；還可以攜帶高能炸

9、藥引爆彈藥庫，炸毀坦克、大炮、 飛機， 甚至飛入設(shè)在地下的敵方指揮部， 炸死那些正在地圖前指揮作戰(zhàn)的將領(lǐng)們。 這一切都 令敵方防不勝防。此外， 它們還可以用作雷達干擾器。當蟲形飛機飛至雷達附近時，對雷達 進行有效的干擾。一些發(fā)達國家軍方為此投入了大量的人力物力，以期取得戰(zhàn)爭的主動權(quán)。 當然，蟲形飛機還可用于野外勘察、環(huán)境監(jiān)測和保護、科學(xué)探險、航空攝影等工作。比 如，監(jiān)視和消滅害蟲或為農(nóng)作物授粉、跟蹤野生動物群、巡邏牧場、監(jiān)控道路交通、在高聳 的煙囪上測量廢氣排放量、監(jiān)測溢出化學(xué)物的濃度、監(jiān)視犯罪團伙等等。不僅如此，蟲形飛 機在醫(yī)學(xué)上的用途更大。負責(zé)研制機器蠅的 Fearing 博

10、士，曾設(shè)想用蒼蠅大的蟲形機器人進 行人體腔內(nèi)手術(shù)；當然也可直接從經(jīng)口或鼻孔進入胃中， 就像 《西游記》 中的孫悟空變成蠅 子進入鐵扇公主肚子里那樣。有的科學(xué)家甚至建議，將蟲形飛機“派往”龍卷風(fēng)中心，了解 龍卷風(fēng)的成風(fēng)機制。 如果上述設(shè)想都能實現(xiàn)的話， 那么， 蟲形飛機將給科學(xué)研究和人們的生 活帶來多么大的方便。 三、蟲形飛機的類型 近年來，各國的研究者們設(shè)計出多種蟲形飛機，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和飛行原理，大致分為 類。 1. 無翼蟲形飛機智能控制的無翼蟲形飛機是近年來頗受重視的方向，美國、法國、日本 等均有人在研究。 2. 固定翼蟲形飛機從傳統(tǒng)的固定翼蟲形飛機演變而來， 在目前眾多的設(shè)

11、計模型中尚占有 一定比例。如美國 AeroVironment 公司的 BlackWidow 、 Sanders 公司的 MicroStar 等。 后者曾被美軍用于阿富汗戰(zhàn)場，海軍陸戰(zhàn)隊士兵可以通過便攜式電腦的畫面，操縱“微星” 偵察機，偵察前方 5 千米的情況。 3. 旋翼蟲形飛機從傳統(tǒng)的直升飛機演變而來。主要以美國 Lutronix 公司的 Kolibri 、斯 坦福大學(xué)的 Mesicopter 等為代表。 我國上海交通大學(xué)薄膜與微細技術(shù)實驗室主任蔡炳初教 授及其合作者研制的雙螺旋槳微型飛機即屬此類。 德國前些年就已研制出只有黃蜂般大的直 升機。 4. 撲翼式蟲形飛機模擬昆蟲

12、飛行設(shè)計而成。 嚴格地說， 只有這類微型飛行器才能稱為蟲 形飛機。 1998 年初，加利福尼亞大學(xué)以 Fearing 博士為首的實驗室，開始研制一種撲翼式 蟲形飛機叫“機器蠅” ，這種蟲形飛機只有普通蒼蠅大，樣子也像蒼蠅。這種蟲形飛機重約 43 毫克，直徑為 5~10 毫米。 目前美國國防部國防高級研究計劃屬有 10 余項蟲形飛機大型研究計劃在進行， 包括了 上述 4 大類蟲形飛機。 四、蟲形飛機的研制難點 蟲形飛機微型飛行器不同于傳統(tǒng)概念上的飛機，它是微電子機械系統(tǒng)集成技術(shù)的產(chǎn)物。 過去 20 年的研究表明，開發(fā)一種像昆蟲一樣的飛機絕非易事。在研制方面的困難主要有三 大個方

13、面。 1 ．氣動設(shè)計關(guān)于大型固定翼和直升飛機的設(shè)計已是一項比較成熟的技術(shù)，但這些方法 在用于蟲形飛機的設(shè)計時均告失敗。 如果按傳統(tǒng)空氣動力學(xué)計算， 昆蟲升力遠小于昆蟲的重 力， 理論上昆蟲不能飛行。 顯然用以往的常定的、 非定常流體力學(xué)原理不能解釋昆蟲的飛行， 而用于大型飛機設(shè)計的方法也無法應(yīng)用于蟲形飛機的設(shè)計， 特別是無法用于撲翼型蟲形飛機 的設(shè)計。所以，研究昆蟲的功能形態(tài)學(xué)、飛行動力學(xué)一直是近年來各國學(xué)者關(guān)注的熱點。 2 ． 微型動力既能裝在微型飛行器內(nèi)， 又要能儲備足夠的能量， 除維持飛行器的飛行外， 還能對機載設(shè)備提供能源。近年來，西英格蘭大學(xué)( Universityoft

14、heWestofEngland )的 研究者正在進行一項研究， 希望能發(fā)明一種方法， 讓微型飛行器也能像鳥類和蜜蜂那樣， 靠 自己攝取食物來產(chǎn)生能量， 以便成為一種新型的、 獨立工作的機器人。 該小組已經(jīng)研制了一 種使用生物燃料電池的機器人。 這種機器人是通過微生物燃料細胞提供動力， 而微生物燃料 細胞能消化死蒼蠅及腐爛的蘋果等。 這樣微生物燃料電池就能作為一個 “軟系統(tǒng)” 來加以使 用，以驅(qū)動蟲形飛機。 3 ．自動控制系統(tǒng)因為這種飛行器與無線電遙控飛機模型完全不同，需要自主飛行。澳 大利亞國立大學(xué)的一個科研小組在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上， 通過對幾種昆蟲的研究已經(jīng)研制出蟲形 飛機，它們

15、有蜻蜓的靈活和敏捷，蜜蜂一樣的定位準確。科學(xué)家根據(jù)蜻蜓、蠅子、蜜蜂等昆 蟲的復(fù)眼構(gòu)造研制出的電子復(fù)眼模型， 可以通過測量紫外光和綠光的分布保持水平飛行， 從 而解決了在火星過于稀薄的大氣中平穩(wěn)飛行的問題。 而導(dǎo)航問題的解決則得益于對蜜蜂的研 究，火星上沒有 GPS 系統(tǒng)，也沒有可以判斷方向的磁場，所以地球上常用的導(dǎo)航方法到火 星上便失去了作用， 而蜜蜂是使用天空中的磁偏振圖形、 陸地標志、 飛行距離相結(jié)合來導(dǎo)航 的。 2003 年，這個研究小組研制出了成熟的、有實用價值的導(dǎo)航傳感器， 2004 年，又對 這種小型飛機做出了最終測試， 并計劃讓這些蟲型飛機在 2007 年探測火星 M

16、arineris 峽谷 中的巖石結(jié)構(gòu)。 此外尚有機載設(shè)備微型化、 用于數(shù)據(jù)傳送的電源、 飛行穩(wěn)定性操縱性與控制技術(shù)等方面 的挑戰(zhàn)。 五、昆蟲學(xué)家的可能貢獻 蟲形飛機的研制是典型的重大高科技仿生學(xué)工程， 需要昆蟲學(xué)、 自動化、 電子學(xué)、 力學(xué)、 機械制造、神經(jīng)學(xué)、控制論等多學(xué)科的密切協(xié)作。 在昆蟲學(xué)方面應(yīng)該系統(tǒng)地研究具翅昆蟲不同分類階元 (目、 亞目或總科級 )代表種翅的結(jié) 構(gòu)、類型，測量各代表種體的長寬、體干重、活體重、翅的長寬及面積、革片長度、厚度與 面積， 分析各被測數(shù)據(jù)的相關(guān)性； 解剖翅運動相關(guān)肌肉與神經(jīng)系統(tǒng)的拓撲形態(tài)， 分析期能量 供應(yīng)機制； 測定和觀察各代表種在自

17、由飛行及吊飛情況下的翅振頻率、 翅振幅度、 翅面扭轉(zhuǎn) 及運動狀態(tài)；測量各代表種體的飛行距離、飛行時間和飛行速度等。 昆蟲飛行遠比我們從外表所看到的復(fù)雜得多。 科學(xué)家們對昆蟲飛行的空氣動力學(xué)的研究 表明， 昆蟲飛行時并不是無規(guī)則地隨意擺動其雙翅， 而是每次振翅都力求獲得空氣動力學(xué)上 的最佳效率。 如郡王蝶在飛行中不時地故意扇動翅膀造成渦流， 以達到增加額外浮力的目的。 在高速攝像機的幫助下，研究者發(fā)現(xiàn)了蝴蝶上下翻飛、旋轉(zhuǎn)翅膀、在空中保持不動等 6 種 不同的模式；在效率方面，蝴蝶翅膀產(chǎn)生的浮力至少是目前最先進的飛機的 10 倍。 能飛之昆蟲種類繁多， 翅的類型不一， 飛行時起主要作

18、用的翅情況各異， 因此系統(tǒng)地研 究翅的功能形態(tài)與飛行的關(guān)系非常必要。 譬如， 僅昆蟲的個體間大小差別就很大。 現(xiàn)生的最 大的蛾子是產(chǎn)于中、南美洲的強喙夜蛾 Thysaniaagrippina ，其翅展可近達 320 毫米，亞力 山大鳳蝶 Ornithopteraalexandrae 的翅展可達 300 毫米；產(chǎn)于我國南部的烏桕大蠶蛾 Attacusatlas 的翅展可達 300 毫米，身體最粗壯糞蜣身體的直徑可達 50 毫米，巨犀金龜 Dynasteshercules 的體長達 180 毫米。而最小的一些寄生性的膜翅目昆蟲成蟲的體長在 0.2 毫米以下； 不同大小的昆蟲飛行時空氣動

19、力學(xué)狀態(tài)會有一定變化。 另外， 有些昆蟲用兩對翅 飛，有的用一對前翅或一對后翅飛；有的白天飛，有的夜里飛；有的在飛行中捕食，有的在 飛行中交尾； 有的能倒飛， 有的能懸飛。 深入研究各類具有飛行能力昆蟲的空氣動力學(xué)機制， 能為蟲型飛機的研制提供必要的科學(xué)依據(jù)。 國際上的科學(xué)家、戰(zhàn)略思想家和未來學(xué)家們認為： “五種常常重疊的技術(shù)最有可能在今 后 15-20 年使軍隊發(fā)生革命性的變化。這五種技術(shù)為：機器人技術(shù)、先進的動力與推進技 術(shù)、微型化技術(shù)、移動和自適應(yīng)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)、飛速發(fā)展的生物科學(xué)。 ”仿生蟲形飛機的研制正 屬這一范圍。 我國科學(xué)家始終注意蟲型飛行器的發(fā)展動態(tài)， 并開始這方面的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究 工作。 但總體而言， 我國在這方面的研究與國外相比尚有一定差距， 尤其是實踐方面更是如 此。 我們只有面對這些挑戰(zhàn)， 采取科學(xué)求實的態(tài)度解決這些問題， 才能最終實現(xiàn)我國蟲形飛 機研制的跨越式發(fā)展。 我們有理由相信， 隨著人們對昆蟲飛行技巧的了解， 制造像昆蟲那樣 自由飛翔的蟲形飛機將來一定成為現(xiàn)實。