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仿生学(植物)

2023-08-23 01:58:15 编辑:join 浏览量:644

仿生学(植物)

王莲托起大跨度建筑

在亚马逊河的小河湾和支流里,生长着有“莲花之王”盛誉的王莲,东一簇,西一片。盛夏时节,从莲叶之间探出直径40厘米左右洁白的花朵,散发出淡淡的芳香。

王莲的叶子很大,直径有2米多,四周向上反卷,像一个大平底锅。莲叶向阳的一面淡绿色,非常光滑;背阴的一面土红色,密布粗壮的叶脉和很长的刺毛。虽然只是一片巨大的叶子,但它的支撑和承重能力却极不一般。在一片王莲叶上,站一名35公斤的少年,它仍能像小船一样稳稳地浮在水面上;即使是在叶面上均匀地平铺一层75厘米厚的细沙,这个“大平底锅”依然纹丝不动,决不会沉入水中。人们通过仔细研究发现,这异常强大的力量来自纵横交错、粗细不等的叶脉。莲叶背面有许许多多粗大的呈放射状的叶脉,之间还有镰刀形的横筋紧密联结,构成了一种非常稳定的网状骨架。莲叶较强的承重能力由此而来。

自从1801年欧洲人发现王莲以来,莲叶的结构与功能便一直成为建筑学家研究的课题,并试图将其用于建筑设计。经过努力,如今,这一美好的愿望终于变为现实。我们时常见到的大跨度宏伟楼房建筑工程,在房顶结构上都还能或多或少地看出王莲叶片结构的轮廓。近年来,意大利工程学家以此还设计建造了一座跨度达95米的展览大厅,既轻巧坚固,又造型大方,可谓仿生建筑的杰作。

荷叶与自洁涂料:在显微镜下,科学家们发现原来荷叶面上有许多非常微小的绒毛和蜡质凸起物,雨水落在上面,铺不开、渗不进,只化作粒粒水珠滚落下来,顺道儿带走了荷叶表面的灰尘,从而使叶面始终一尘不染。灵光一闪,科研人员模仿荷叶的自净原理,开展防污产品的研究。这项技术将应用于生产建筑涂料、服装面料、厨具面板等需要耐脏的产品。美国已经开始研究如何将这种自净原理用于汽车制造,使驾车族不必再日日洗车。上海也已研制出具有自洁效应的纳米涂料,其干燥成膜过程中,涂层表面会形成类似茶叶的凹凸形貌,构筑一层疏水层。这样一来,灰尘颗粒只好在涂层表面“悬空而立”,并最终在风雨冲刷中流走了。

“波义耳”试纸:波义耳是17世纪英国著名的化学家、物理学家。一次试验时,波义耳不小心把盐酸溅到紫罗兰花上,顿时,花色由紫色变成了红色。之后,他饶有兴趣地取来各种酸做试验,结果发现,各种酸类都能使紫罗兰变成红色。但是,紫罗兰并不是一年四季都开花的,波义耳想了一个办法,他在紫罗兰开花的季节里收集了大量的紫罗兰花瓣,将花瓣泡出浸液来。需要使用的时候,就往被试的溶液里滴进一滴紫罗兰浸液。这就是他发明的“试剂”。之后,他又取来了各种植物进行酸碱试验。其中最有趣的是用石蕊泡出的浸液:酸和碱本来像水一样,是无色透明的,可是,如果在石蕊浸液里滴进酸性溶液,就显出红色;滴进碱性溶液就能变成蓝色。后来,他发明了一个更简便的方法,即用石蕊浸液把纸浸透,再把纸烘干。要用时只需将一小块纸片放进被检验的溶液里,根据纸的颜色变化就能知道这种溶液是呈酸性还是呈碱性的了。波义耳把种石蕊纸叫做“指示剂”,也就是后来人们所说的“酸碱试纸”。

水草与不粘锅:鱼缸里有些水草会长青苔,有些不会,原来有些水草具有自洁功能,其表面呈现非光滑形态。“生物非光滑基础理论”是国家重大基础研究项目,科研人员通过对大量生物体表所具有的减粘、自洁功能研究,发现了生物体表防粘功能的重要原因,即:体表均呈非光滑形态。这种形态一方面能减少体表与粘性物质接触面积;另一方面破坏了水膜的连续性,使体表与粘性物质表面间存在空气膜,从而达到不粘的效果。吉林大学曾承担“新型绿色仿生不粘锅”研究开发。该成果是通过对自洁植物体表形态、结构及其不粘行为长期系统地研究提出来的仿生新思想,构建非光滑复合界面,从而实现仿生锅不粘的性能。近些年来,市面上销售的基本是“化学”不粘锅,诸如美国联邦公司生产的“特富龙”。它的不粘原理是在锅表面涂上一层化学物质。而“新型绿色仿生不粘锅”与传统不粘锅相比较,具有绿色环保、耐高温、耐磨耐用、易清洁等优点,对于倡导绿色环保、健康的生活带动厨房革命和创建节约型社会必将起到积极的推动作用。

仿生农药:物竞天择,适者生存。草木面对病虫害的侵袭,并非束手就擒的无能之辈。新生的嫩芽是害虫的美餐,但有些害虫一经取食即自取灭亡,因为草木中潜藏着种种“秘密武器”,这被叫做“防卫素”;在业已长大的枝叶中,大量积存单宁,被叫做“拒食素”;在遭受病虫攻击后,树木可生产种种抗生素,使病虫丧失生育和生存能力;有些植物还能分泌“光敏素”,害虫吃下这种含有光敏感素的枝叶会变得十分怕光,无法找到安身栖息的场所。和化学农药比较,植物分泌的杀虫物质不仅具有高效的杀虫功能,而且不危及人畜,不损伤害虫的天敌,不污染环境。可见,模仿植物杀虫物质,开发仿生农药,是有无可估量的效益和前景的。使用化学合成的方法,模拟植物杀虫物质合成和分泌的基因切割出来,置入能高速增殖的单细胞生物体内,大量生产生物杀虫物质,提炼仿生农药,供应农业需求。

飞蓬草和车轮:飞蓬草属于菊科,是二年生的草本植物,它的茎直立,可以高达60厘米。每逢夏季开花,花色呈淡紫色,头状花序排列,有的像伞房,有的像圆锥。它生长在山坡、草地、牧场或林带边缘,是野外常见的植物。它的茎、叶可以提炼芳香油,在我国古代许多著名的草药书中都有记载。飞蓬草的学名是蓬,并不会飞,之所以得名飞蓬草,是由于在花枯萎之后,它的根便断开,从而遇风便在空中飞旋,其形貌仿佛是哪吒的风火轮,传说,四千多年前,我们聪明的祖先正是受到了飞蓬草的启发,发明轮子的。有史为证,“见飞蓬转而知为车”,即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子,从而做成装有轮子的车。

在经过无数次模仿鸟类的飞行失败后,人们通过不泄的努力,终于找到了鸟类能够飞行的原因:鸟的翅膀上弯下平,飞行时,上面的气流比下面的快,由此形成下面的压力比上面的大,于是翅膀就产生了垂直向上的升力,飞的越快,升力越大。

1852年,法国人季法儿发明了气球飞船;1870年,德国人奥托.利连塔尔制造了第一架滑翔机。利连塔尔是十九世纪末的一位具有大无畏冒险精神的人,他望着家乡波美拉尼亚的鹳用笨拙的翅膀从他房顶上飞过,他坚信人能飞行。1891年,他开始研制一种弧形肋状蝙蝠翅膀式的单翼滑翔机,自己还进行试飞;此后五年,他进行了2000多次滑翔飞行,并同鸟类进行了对比研究,提供了很有价值的资料。资料证明:气流流经机翼上部曲面所走路程,比气流流经机翼下平直表面距离较长,因而也较快,这样才能保证气流在机翼的后缘点汇合;上部气流由于走的较快,它就较为稀薄,从而产生强大吸力,约占机翼升力的三分之二大小;其余的升力来自翼下气流对机翼的压力。

19世纪末,内燃机的出现,给了人类有史以来一直梦寐以求的东西:翅膀。不用说这种翅膀是笨拙的、原始的和不可靠的,然而这却是使人类能随风伴鸟一起飞翔的翅膀。

莱特兄弟发明了真正意义上的飞机。在飞机的设计制作过程中,怎样使飞机拐弯和怎样使它稳定一直困绕着他们。为此,莱特兄弟又研究了鸟的飞行。例如,他们研究鶙鵳怎样使一只翅膀下落,靠转动这只下落的翅膀保持平衡;这只翅膀上增大的压力怎样使鶙鵳保持稳定和平衡。这两个人给他们的滑翔机装上翼梢副翼进行这些实验,由地面上的人用绳控制,使之能转动或弯翘。他们的第二个成功的实验是用操纵飞机后部一个可转动的方向舵来控制飞机的方向,通过方向舵使飞机向左或向右转弯。

后来,随着飞机的不断发展,它们逐渐失去了原来那些笨重而难看的体形,它们变的更简单,更加实用。机身和单曲面机翼都呈现出象海贝、鱼和受波浪冲洗的石头所具有的自然线条。飞机的效率增加了,比以前飞的更快,飞的更高。到了现代,科学高度发展但环境破*、生态失衡、能源枯竭,人类意识到了重新认识自然,探讨与自然更加和谐的生存方式的

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