校本课程--仿生学(3)

高中校本课程

I 仿生学

自古以来，用莲花的“出污泥而不染”来形容圣洁。那么，是莲花真有一颗明净的心？还是在莲花身上有着不为人知的秘密？让仿生学来告诉你，只要你有和莲花一样的“肌肤”，你一样可以“出污泥而不染”，冰清玉洁……

第一节、怎样仿生

一、仿生的概念

仿生学是近期发展起来的生物学和技术学相结合的交叉学科。仿生的英文名字是Bionics。

人们发现，一些关于植物和动物的相类似的功能，实际上是超越了人类自身的在此方面的技术设计方案的。植物和动物在几百万年的自然进化当中不仅完全适应自然而且其程度接近完美。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。这个思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决技术难题提供了帮助。通过再现生物学的原理，人类不仅找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要。

仿生学的目的就是分析生物过程和结构以及它们的分析用于未来的设计。仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。人类所从事的技术就是使得达到最优化和互相间的协调。而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好机会。

在我们人类的技术世界中模拟自然中的东西并不是一个新鲜的思想，自从传说中的Ikarus带着用鸟的羽毛做成的翅膀飞向空中，而最后因为太阳的热度掉到地上起，人类一直就沉迷于此。

那么仿生学的确切定义是什么呢？

仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。属于生物科学与技术科学之间的边缘学科。它涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域。仿生技术通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机械等。

二、仿生的发明史

达芬奇（Leonardo da Vinci，意大利文艺复兴时期的伟大画家、雕刻家和建筑学家）被认为是现代仿生学之父。在大约公元1500年，在鸟翅模型之后，他画了一系列的无法实现的飞行设备草图。大约400年之后，奥托（Otto Lilienthal）成功了，他根据鹳的翅膀制造的滑翔机成功的在Brandenburger村飞行了250米，而且他也取得了“滑翔机之父”的称号。 直到上个世纪中期，有许多研究者都在不断尝试把自然界的形态和规则用于技术上。但是，仅仅在60年代初一种科学的综合分类学科才由它产生。

植物学家William Barthlott和他的同事Nesta Ehler在70年代中期发现纯粹的自清洁效应，也被叫做“莲花效应（Lotus effect）”。他们把一批多样的植物叶片放在一个特殊的显微镜下时，开始并没有什么特殊的发现。这两个科学家的研究围绕着这样一个问题：能否根据叶子表面纹理的不同来检测这组植物中扭曲的茎。

植物学的例行任务，就是在每一个研究之前观察某些植物时先要把植物清洗干净，这是研究者们不用思考而首先要做的。但是很快生物学家就发现一个非常荒谬的现象：就是只有那些表面很光滑的叶子才需要清洗，而其它的那些表面在显微镜下看起来很粗糙的叶子反而是干净的。对他们来说更值得注意的是：某些特殊的叶子甚至可以完全抵制水。在那时，很清楚地是自清洁效果是和可润湿性相联系的。

这种效果特别明显得表现在莲属坚果莲中：从显微镜下看发现莲叶子上有小的茸毛和小的蜡质覆盖在叶子上，水滴下来就象从热的炉盘上滴下来一样。Barthlott解释说：在光滑表面，水会在污垢上蔓延。在粗糙表面，水滴粘不牢，形成球状，在可以到达的污垢粒子上滚