仿生技术:展示生物特性与功能

仿生技术:展示生物特性与功能

从直观印象上,F-117战斗机的外形好像一个由多面体组成的燕子,B-2A战略轰炸机外形像一只大蝙蝠,为什么要采用这种仿生设计呢?原来采用仿生设计可显著提高作战平台的性能和能力。目前,研究人员利用仿生技术,已经研究出了多种展示生物特性与功能的“杀手”。

仿视觉传感器。模仿蛙眼能见动不见静的工作原理设计的电子蛙眼雷达,能快速识别不同形状的飞机、舰艇、导弹等运动物体,并能根据飞行特点,识别真假导弹。模仿苍蝇复眼结构,制成了多元相控阵“蝇眼”雷达、高能宇宙射线空气簇射“蝇眼”探测器和“蝇眼”照相机。“蝇眼”相机一次能拍下10000多张照片,分辨率高达每厘米4000线,成为有效的侦察工具。还有仿鱼眼侦察机,一般动物眼睛的视野或像场角是比较小的,只能看到眼睛前方的景物,而鱼眼的像场角很大,可以达到220度,不仅可以看到前面180度范围内的景物,还可以拐弯看到身体两侧往后的一些景物。仿照这种“眼观六路”的鱼眼制成的鱼目镜头,也具有200多度的像场角,比普通照相机的像场角扩大了2~4倍。因此,在飞机和人造卫星上使用鱼目照相机,一次可以拍摄几十平方千米的景物,效率高,费用低,有很高的军事价值。通过对狗、猫头鹰等动物特殊夜视功能的深入研究,发明了微光下搜索地面或空中目标的夜视器材。利用蛇眼红外线定位原理,设计出各种红外自动跟踪装置,研制了红外制导的空空导弹。鹰眼的锐度和广度是无与伦比的,它能在3000米高空发现地上奔跑的老鼠,目前正在对其原理进行研究仿制。对飞过眼前的各种形状的东西,青蛙可以立即识别出它最喜欢吃的苍蝇和飞蛾,而对其他飞动着的东西和静止景物都毫无反应。蛙眼帮助青蛙敏捷地发现运动着的目标,迅速地判断目标的位置、运动的方向和速度,并且立即选择最好的攻击姿态和时间。原来,蛙眼视网膜的神经细胞分为五类,一类只对颜色起反应,另外四类只对运动目标的某个特征起反应,并能把分解出的特征信号输送到大脑视觉中枢——视顶盖。视顶盖上有四层神经细胞,各有特征,这四层特征就好像在四张透明纸上的画图,叠在一起,就是一个完整的图像。当复杂的图像分解成几种易于辨别的特征时,发现目标的敏捷性和准确性也就自然提高了。弄清了蛙眼的原理和结构,仿生学家就发明了电子蛙眼。

仿听觉传感器。蝙蝠眼睛很小,视力很差,它飞行时全靠飞行过程中遇到的大大小小障碍物反射的回声来定位。模拟它的这一特性,制造了目前的声呐系统。最近,科学家在研究中发现蝙蝠的抗干扰能力特别强,于是又在设计制造新颖的蝙蝠式抗干扰超精密全敏雷达。海豚能发射和接收上百千种的高低频混合声信号,并使声束聚焦,可准确无误地以超声波定位,具有惊人的探测导航本领。科学家通过对海豚特殊功能的研究,改进了现有的军事声呐系统,还仿照海豹耳的结构设计出声呐的导流罩,大大改善了声呐的滤波效果。通过对热带食鱼蝠的研究,设计出能在飞机上发现潜艇的雷达装置。水母能听到快速气流与海水摩擦所产生的次声波,能提前10多个小时预感风暴的来临,受其启示制成的“水母耳风暴预测仪”可提前15小时预报风暴强度和方向,保障部队的军事行动,或利用气候作战。

仿嗅觉传感器。科学家根据狗鼻子机理制成了仿嗅觉传感器“电子犬”,它能测定仅千万分之一的过氧乙烯毒气。苍蝇及其他昆虫的触角上有非常灵敏的嗅觉感觉器,据此制造出了嗅觉敏感的探测装置。

各种仿生轻质高强度材料,比如用于装甲的高硬度、高韧性生物陶瓷;用于制造防护服、降落伞及复合材料的抗拉强度超过钢丝、弹性比羊毛还好的改进型蜘蛛丝;用于制造轮胎和密封垫的理化性能优秀的生物弹性体;可代替钢材的高强度生物塑料;在各种环境中都能使用的生物胶黏剂;能在极高温度条件下使用的具有优良的抗静电性能的生物润滑剂,以及模仿生物智能结构的智能材料;模拟昆虫甲壳骨质密度梯度变化功能的梯度材料;模拟贝、驯鹿角结构的仿生装甲材料;模拟软体动物表皮的多功能蒙皮等。

仿生潜艇

仿动物形体。比如模仿海豚体形和各部分比例建造的新式核潜艇,其航速可提高20%~25%;用人造海豚皮包裹鱼雷,受水阻力可减少50%;美海军在20世纪80年代,仿照企鹅的体形结构和身体颜色建造的现代潜艇,不仅速度快,而且不易被敌方发现;美军模仿鳐鱼和电鳗的运动原理,研制一种新型“皮动”潜艇。这种潜艇没有推进器,也没有垂直舵和水平舵,而是用弹性皮替代潜艇的传统外壳,弹性皮采用特别坚固的尼奥普林胶制成,由磁性材料制成的17对环节附于弹性皮的里层,当通入一定频率的脉动电流时,潜艇外壳就一伸一缩地动作起来,它在海水中行进时很难分辨出是鱼还是潜艇,既能巧妙地隐蔽自己,又可突然袭击敌方;2009年年初,美海军未来潜艇研究小组首度披露了“金枪鱼”潜艇,其在外观与行动上与金枪鱼极其相似,速度和灵活性远高于现有的任何潜艇。研究组最终锁定金枪鱼是因为它具有平滑的线条、极快的游动速度以及在水中的高度灵敏性。“金枪鱼”潜艇2006年取得成功,成为世界上速度最快的水下运载器。它还具有续航时间长、噪声低等优点,搭载武器或侦察器材后,适用于远洋和近海作战,能与敌方各型潜艇厮杀,曾在一次演练中“击沉”3艘先进的核潜艇,可能到2025年真正实现作战部署。

美国采用形状记忆功能材料,依照鸟类、昆虫飞行,研制出折叠机翼仿生变体飞机。机头进气道,大斜角进气口可保证大迎角性能。进气道由梯形过渡到圆形,纵向长度较大,有较高的总压恢复系数,保证进气效率。对于军用型而言,长S形进气道能够有效遮蔽发动机风扇叶片这个主要的雷达波反射源,使飞机具有较好的隐身性能。进气口和尾喷口等部位通过喷涂雷达吸波材料和采用隐身结构等措施,进一步提高隐身性能。倒梯形机身内部包容进气道和发动机,顶部为向前延伸的机头及向后延伸的背鳍,机头和背鳍内以及下部机身隔舱内安装各种航空电子设备和飞机系统设备。机身上部连接V形中翼。机身两侧连接外挂式专用任务设备吊舱。大翼展中单翼,有上反角250°其外侧连接折叠式外翼。中翼后缘有升降副翼,外翼后缘有副具,能够实现俯仰控制、滚转控制。V形布局的中翼后缘升降副翼还用于航向操纵。如果试验发现飞机俯仰操纵性能和稳定性难以保证,可考虑在前机身两侧增加辅助小阵。

模拟人的智能的机器人。美国麻省理工学院的专家推出了一种蚂蚁般大小的超微型机器人。这种机器人腹内装有微型传感器,具有视觉、嗅觉和触觉功能,它能飞、能爬、能在水中穿行,可用于侦察、排雷、引爆水雷和操作平台。不少军事家根据机器人的发展趋势指出,在未来战争中,神经系统是卫星,指挥部是计算机,而攻击手则是智能机器人。

仿生非致命性武器。比如,可以污染油料、润滑剂或使它们凝聚的生物活性物质;可以堵塞发动机滤清器或装甲车气舱的生物试剂;可迅速降解军事设备上的塑料、橡胶和其他合成或天然材料的酶;可降解弹药,削弱敌方火力的酶;能对军事通信、计算机造成严重干扰的导电性生物聚合物或纤维;可吞噬计算机芯片材料的微生物……在防御方面,生物技术可为激光等直接能量武器威胁提供防护材料。比如噬菌调理素,当光照射在它们身上时,其结构发生变化,光能转变成化学势能,因此可用于光学系统和眼睛的防护。一些生物聚合物(包括自组合类脂管),它们能传递和分散能量,可以用于服装、设备和光学系统,来减少或驱散高能武器的威胁。新型消融生物材料,由于能吸收能量,也可用作这类武器的防护材料。