發(fā)明創(chuàng)造的事例

蒼蠅，是細(xì)菌的傳播者，誰(shuí)都討厭它?？墒巧n蠅的楫翅又叫平衡棒是“天然導(dǎo)航儀”，人們模仿它制成了“振動(dòng)陀螺儀”。這種儀器目前已經(jīng)應(yīng)用在火箭和高速飛機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛。蒼蠅的眼睛是一種“復(fù)眼”，由30O0多只小眼組成，人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”。“蠅眼透鏡”是用幾百或者幾千塊小透鏡整齊排列組合而成的，用它作鏡頭可以制成“蠅眼照相機(jī)”，一次就能照出千百?gòu)埾嗤南嗥?。這種照相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版和大量復(fù)制電子計(jì)算機(jī)的微小電路，大大提高了工效和質(zhì)量。“蠅眼透鏡”是一種新型光學(xué)元件，它的用途很多。自然界形形色色的生物，都有著怎樣的奇異本領(lǐng)？它們的種種本領(lǐng)，給了人類哪些啟發(fā)？模仿這些本領(lǐng)，人類又可以造出什么樣的機(jī)器？這里要介紹的一門新興科學(xué)——仿生學(xué)。仿生學(xué)是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學(xué)，它是在本世紀(jì)中期才出現(xiàn)的一門新的邊緣科學(xué)。仿生學(xué)研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術(shù)之中，發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機(jī)器，創(chuàng)造新技術(shù)。從仿生學(xué)的誕生、發(fā)展，到現(xiàn)在短短幾十年的時(shí)間內(nèi)，它的研究成果已經(jīng)非?？捎^。仿生學(xué)的問(wèn)世開(kāi)辟了獨(dú)特的技術(shù)發(fā)展道路，也就是向生物界索取藍(lán)圖的道路，它大大開(kāi)闊了人們的眼界，顯示了極強(qiáng)的生命力?！救祟惙律蓙?lái)已久】自古以來(lái)，自然界就是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。種類繁多的生物界經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程，使它們能適應(yīng)環(huán)境的變化，從而得到生存和發(fā)展。勞動(dòng)創(chuàng)造了人類。人類以自己直立的身軀、能勞動(dòng)的雙手、交流情感和思想的語(yǔ)言，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，促進(jìn)了神經(jīng)系統(tǒng)尤其是大腦獲得了高度發(fā)展。因此，人類無(wú)與倫比的能力和智慧遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)生物界的所有類群。人類通過(guò)勞動(dòng)運(yùn)用聰明的才智和靈巧的雙手制造工具，從而在自然界里獲得更大自由。人類的智慧不僅僅停留在觀察和認(rèn)識(shí)生物界上，而且還運(yùn)用人類所獨(dú)有的思維和設(shè)計(jì)能力模仿生物，通過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)增加自己的本領(lǐng)。魚(yú)兒在水中有自由來(lái)去的本領(lǐng)，人們就模仿魚(yú)類的形體造船，以木槳仿鰭。相傳早在大禹時(shí)期，我國(guó)古代勞動(dòng)人民觀察魚(yú)在水中用尾巴的搖擺而游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎，他們就在船尾上架置木槳。通過(guò)反復(fù)的觀察、模仿和實(shí)踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動(dòng)力，掌握了使船轉(zhuǎn)彎的手段。這樣，即使在波濤滾滾的江河中，人們也能讓船只航行自如。鳥(niǎo)兒展翅可在空中自由飛翔。據(jù)《韓非子》記載魯班用竹木作鳥(niǎo)“成而飛之，三日不下”。然而人們更希望仿制鳥(niǎo)兒的雙翅使自己也飛翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奧那多·達(dá)·芬奇和他的助手對(duì)鳥(niǎo)類進(jìn)行仔細(xì)的解剖，研究鳥(niǎo)的身體結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥(niǎo)類的飛行。設(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī)，這是世界上第一架人造飛行器。以上這些模仿生物構(gòu)造和功能的發(fā)明與嘗試，可以認(rèn)為是人類仿生的先驅(qū)，也是仿生學(xué)的萌芽?！景l(fā)人深省的對(duì)比】人類仿生的行為雖然早有雛型，但是在20世紀(jì)40年代以前，人們并沒(méi)有自覺(jué)地把生物作為設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)造發(fā)明的源泉?？茖W(xué)家對(duì)于生物學(xué)的研究也只停留在描述生物體精巧的結(jié)構(gòu)和完美的功能上。而工程技術(shù)人員更多的依賴于他們卓越的智慧，辛辛苦苦的努力，進(jìn)行著人工發(fā)明。他們很少有意識(shí)的向生物界學(xué)習(xí)。但是，以下幾個(gè)事實(shí)可以說(shuō)明:人們?cè)诩夹g(shù)上遇到的某些難題，生物界早在千百萬(wàn)年前就曾出現(xiàn)，而且在進(jìn)化過(guò)程中就已解決了，然而人類卻沒(méi)有從生物界得到應(yīng)有的啟示。在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期，出于軍事上的需要，為使艦艇在水下隱蔽航行而制造出潛水艇。當(dāng)工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)原始的潛艇時(shí)，是先用石塊或鉛塊裝在潛艇上使它下沉，如果需要升至水面，就將攜帶的石塊或鉛塊扔掉，使艇身回到水面來(lái)。以后經(jīng)過(guò)改進(jìn)，在潛艇上采用浮箱交替充水和排水的方法來(lái)改變潛艇的重量。以后又改成壓載水艙，在水艙的上部設(shè)放氣閥，下面設(shè)注水閥，當(dāng)水艙灌滿海水時(shí)，艇身重量增加使可它潛入水中。需要緊急下潛時(shí)，還有速潛水艙，待艇身潛入水中后，再把速潛水艙內(nèi)的海水排出。如果一部分壓載水艙充水，另一部分空著，潛水艇可處于半潛狀態(tài)。潛艇要起浮時(shí)，將壓縮空氣通入水艙排出海水，艇內(nèi)海水重量減輕后潛艇就可以上浮。如此優(yōu)越的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)了潛艇的自由沉浮。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)魚(yú)類的沉浮系統(tǒng)比人們的發(fā)明要簡(jiǎn)單得多，魚(yú)的沉浮系統(tǒng)僅僅是充氣的魚(yú)鰾。鰾內(nèi)不受肌肉的控制，而是依靠分泌氧氣進(jìn)入鰾內(nèi)或是重新吸收鰾內(nèi)一部分氧氣來(lái)調(diào)節(jié)魚(yú)鰾中氣體含量，促使魚(yú)體自由沉浮。然而魚(yú)類如此巧妙的沉浮系統(tǒng)，對(duì)于潛艇設(shè)計(jì)師的啟發(fā)和幫助已經(jīng)為時(shí)過(guò)遲了。聲音是人們生活中不可缺少的要素。通過(guò)語(yǔ)言，人們交流思想和感情，優(yōu)美的音樂(lè)使人們獲得藝術(shù)的享受，工程技術(shù)人員還把聲學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和軍事技術(shù)中，成為頗為重要的信息之一。自從潛水艇問(wèn)世以來(lái)，隨之而來(lái)的就是水面的艦船如何發(fā)現(xiàn)潛艇的位置以防偷襲；而潛艇沉入水中后，也須準(zhǔn)確測(cè)定敵船方位和距離以利攻擊。因此，在第一次世界大戰(zhàn)期間，在海洋上，水面與水中敵對(duì)雙方的斗爭(zhēng)采用了各種手段。海軍工程師們也利用聲學(xué)系統(tǒng)作為一個(gè)重要的偵察手段。首先采用的是水聽(tīng)器，也稱噪聲測(cè)向儀，通過(guò)聽(tīng)測(cè)敵艦航行中所發(fā)出的噪聲來(lái)發(fā)現(xiàn)敵艦。只要周圍水域中有敵艦在航行，機(jī)器與螺旋槳推進(jìn)器便發(fā)出噪聲，通過(guò)水聽(tīng)器就能聽(tīng)到，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)敵人。但那時(shí)的水聽(tīng)器很不完善，一般只能收到本身艦只的噪聲，要偵聽(tīng)敵艦，必須減慢艦只航行速度甚至完全停車才能分辨潛艇的噪音，這樣很不利于戰(zhàn)斗行動(dòng)。不久，法國(guó)科學(xué)家郎之萬(wàn)1872～1946研究成功利用超聲波反射的性質(zhì)來(lái)探測(cè)水下艦艇。用一個(gè)超聲波發(fā)生器，向水中發(fā)出超聲波后，如果遇到目標(biāo)便反射回來(lái)，由接收器收到。根據(jù)接收回波的時(shí)間間隔和方位，便可測(cè)出目標(biāo)的方位和距離，這就是所謂的聲納系統(tǒng)。人造聲納系統(tǒng)的發(fā)明及在偵察敵方潛水艇方面獲得的突出成果，曾使人們?yōu)橹@嘆不已。豈不知遠(yuǎn)在地球上出現(xiàn)人類之前，蝙蝠、海豚早已對(duì)“回聲定位”聲納系統(tǒng)應(yīng)用自如了。生物在漫長(zhǎng)的年代里就是生活在被聲音包圍的自然界中，它們利用聲音尋食，逃避敵害和求偶繁殖。因此，聲音是生物賴以生存的一種重要信息。意大利人斯帕蘭贊尼很早以前就發(fā)現(xiàn)蝙蝠能在完全黑暗中任意飛行，既能躲避障礙物也能捕食在飛行中的昆蟲(chóng)，但是堵塞蝙蝠的雙耳后，它們?cè)诤诎抵芯痛绮诫y行了。面對(duì)這些事實(shí)，帕蘭贊尼提出了一個(gè)使人們難以接受的結(jié)論:蝙蝠能用耳朵“看東西”。第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，1920年哈臺(tái)認(rèn)為蝙蝠發(fā)出聲音信號(hào)的頻率超出人耳的聽(tīng)覺(jué)范圍。并提出蝙蝠對(duì)目標(biāo)的定位方法與第一次世界大戰(zhàn)時(shí)郎之萬(wàn)發(fā)明的用超聲波回波定位的方法相同。遺憾的是，哈臺(tái)的提示并未引起人們的重視，而工程師們對(duì)于蝙蝠具有“回聲定位”的技術(shù)是難以相信的。直到1983年采用了電子測(cè)量器，才完完全全證實(shí)蝙蝠就是以發(fā)出超聲波來(lái)定位的。但是這對(duì)于早期雷達(dá)和聲納的發(fā)明已經(jīng)不能有所幫助了。另一個(gè)事例是人們對(duì)于昆蟲(chóng)行為為時(shí)過(guò)晚的研究。在利奧那多·達(dá)·芬奇研究鳥(niǎo)類飛行造出第一個(gè)飛行器400年之后，人們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期反復(fù)的實(shí)踐，終于在1903年發(fā)明了飛機(jī)，使人類實(shí)現(xiàn)了飛上天空的夢(mèng)想。由于不斷改進(jìn)，30年后人們的飛機(jī)不論在速度、高度和飛行距離上都超過(guò)了鳥(niǎo)類，顯示了人類的智慧和才能。但是在繼續(xù)研制飛行更快更高的飛機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)師又碰到了一個(gè)難題，就是氣體動(dòng)力學(xué)中的顫振現(xiàn)象。當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，機(jī)翼發(fā)生有害的振動(dòng)，飛行越快，機(jī)翼的顫振越強(qiáng)烈，甚至使機(jī)翼折斷，造成飛機(jī)墜落，許多試飛的飛行員因而喪生。飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?yōu)榇嘶ㄙM(fèi)了巨大的精力研究消除有害的顫振現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的努力才找到解決這一難題的方法。就在機(jī)翼前緣的遠(yuǎn)端上安放一個(gè)加重裝置，這樣就把有害的振動(dòng)消除了?？墒?，昆蟲(chóng)早在三億年以前就飛翔在空中了，它們也毫不例外地受到顫振的危害，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的進(jìn)化，昆蟲(chóng)早已成功地獲得防止顫振的方法。生物學(xué)家在研究蜻蜓翅膀時(shí)，發(fā)現(xiàn)在每個(gè)翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質(zhì)加厚區(qū)——翼眼或稱翅痣。如果把翼眼去掉，飛行就變得蕩來(lái)蕩去。實(shí)驗(yàn)證明正是翼眼的角質(zhì)組織使蜻蜓飛行的翅膀消除了顫振的危害，這與設(shè)計(jì)師高超的發(fā)明何等相似。假如設(shè)計(jì)師們先向昆蟲(chóng)學(xué)習(xí)翼眼的功用，獲得有益于解決顫振的設(shè)計(jì)思想，就可似避免長(zhǎng)期的探索和人員的犧牲了。面對(duì)蜻蜓翅膀的翼眼，飛機(jī)設(shè)計(jì)師大有相見(jiàn)恨晚之感！以上這三個(gè)事例發(fā)人深省，也使人們受到了很大啟發(fā)。早在地球上出現(xiàn)人類之前，各種生物已在大自然中生活了億萬(wàn)年，在它們?yōu)樯娑窢?zhēng)的長(zhǎng)期進(jìn)化中，獲得了與大自然相適應(yīng)的能力。生物學(xué)的研究可以說(shuō)明，生物在進(jìn)化過(guò)程中形成的極其精確和完善的機(jī)制，使它們具備了適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力。生物界具有許多卓有成效的本領(lǐng)。如體內(nèi)的生物合成、能量轉(zhuǎn)換、信息的接受和傳遞、對(duì)外界的識(shí)別、導(dǎo)航、定向計(jì)算和綜合等，顯示出許多機(jī)器所不可比擬的優(yōu)越之處。生物的小巧、靈敏、快速、高效、可靠和抗干擾性實(shí)在令人驚嘆不已?！具B接生物與技術(shù)的橋梁】自從瓦特James Watt，1736～1819在1782年發(fā)明蒸汽機(jī)以后，人們?cè)谏a(chǎn)斗爭(zhēng)中獲得了強(qiáng)大的動(dòng)力。在工業(yè)技術(shù)方面基本上解決了能量的轉(zhuǎn)換、控制和利用等問(wèn)題，從而引起了第一次工業(yè)革命，各式各樣的機(jī)器如雨后春筍般的出現(xiàn)，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展極大地?cái)U(kuò)大和增強(qiáng)了人的體能，使人們從繁重的體力勞動(dòng)解脫出來(lái)。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谡羝麢C(jī)以后又經(jīng)歷了電氣時(shí)代并向自動(dòng)化時(shí)代邁進(jìn)。20世紀(jì)40年代電子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，更是給人類科學(xué)技術(shù)的寶庫(kù)增添了可貴的財(cái)富，它以可靠和高效的本領(lǐng)處理著人們手頭上數(shù)以萬(wàn)計(jì)的各種信息，使人們從汪洋大海般的數(shù)字、信息中解放出來(lái)，使用計(jì)算機(jī)和自動(dòng)裝置可以使人們?cè)诜彪s的生產(chǎn)工序面前變得輕松省力，它們準(zhǔn)確地調(diào)整、控制著生產(chǎn)程序，使產(chǎn)品規(guī)格精確。但是，自動(dòng)控制裝置是按人們制定的固定程序進(jìn)行工作的，這就使它的控制能力具有很大的局限性。自動(dòng)裝置對(duì)外界缺乏分析和進(jìn)行靈活反應(yīng)的能力，如果發(fā)生任何意外的情況，自動(dòng)裝置就要停止工作，甚至發(fā)生意外事故，這就是自動(dòng)裝置本身所具有的嚴(yán)重缺點(diǎn)。要克服這種缺點(diǎn)，無(wú)非是使機(jī)器各部件之間，機(jī)器與環(huán)境之間能夠“通訊”，也就是使自動(dòng)控制裝置具有適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力。要解決這一難題，在工程技術(shù)中就要解決如何接受、轉(zhuǎn)換。利用和控制信息的問(wèn)題。因此，信息的利用和控制就成為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要矛盾。如何解決這個(gè)矛盾呢？生物界給人類提供了有益的啟示。人類要從生物系統(tǒng)中獲得啟示，首先需要研究生物和技術(shù)裝置是否存在著共同的特性。1940年出現(xiàn)的調(diào)節(jié)理論，將生物與機(jī)器在一般意義上進(jìn)行對(duì)比。到1944年，一些科學(xué)家已經(jīng)明確了機(jī)器和生物體內(nèi)的通訊、自動(dòng)控制與統(tǒng)計(jì)力學(xué)等一系列的問(wèn)題上都是一致的。在這樣的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，1947年，一個(gè)新的學(xué)科——控制論產(chǎn)生了?？刂普揅ybernetics是從希臘文而來(lái)，原意是“掌舵人”。按照控制論的創(chuàng)始人之一維納Norbef Wiener，1894～1964給予控制論的定義是“關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊”的科學(xué)。雖然這個(gè)定義過(guò)于簡(jiǎn)單，僅僅是維納關(guān)于控制論經(jīng)典著作的副題，但它直截了當(dāng)?shù)匕讶藗儗?duì)生物和機(jī)器的認(rèn)識(shí)聯(lián)系在了一起?？刂普摰幕居^點(diǎn)認(rèn)為，動(dòng)物尤其是人與機(jī)器包括各種通訊、控制、計(jì)算的自動(dòng)化裝置之間有一定的共體，也就是在它們具備的控制系統(tǒng)內(nèi)有某些共同的規(guī)律。根據(jù)控制論研究表明，各種控制系統(tǒng)的控制過(guò)程都包含有信息的傳遞、變換與加工過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)工作的正常，取決于信息運(yùn) 行過(guò)程的正常。所謂控制系統(tǒng)是指由被控制的對(duì)象及各種控制元件、部件、線路有機(jī)地結(jié)合成有一定控制功能的整體。從信息的觀點(diǎn)來(lái)看，控制系統(tǒng)就是一部信息通道的網(wǎng)絡(luò)或體系。機(jī)器與生物體內(nèi)的控制系統(tǒng)有許多共同之處，于是人們對(duì)生物自動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的興趣，并且采用物理學(xué)的、數(shù)學(xué)的甚至是技術(shù)的模型對(duì)生物系統(tǒng)開(kāi)展進(jìn)一步的研究。因此，控制理論成為聯(lián)系生物學(xué)與工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。成為溝通生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)的橋梁。生物體和機(jī)器之間確實(shí)有很明顯的相似之處，這些相似之處可以表現(xiàn)在對(duì)生物體研究的不同水平上。由簡(jiǎn)單的單細(xì)胞到復(fù)雜的器官系統(tǒng)如神經(jīng)系統(tǒng)都存在著各種調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制的生理過(guò)程。我們可以把生物體看成是一種具有特殊能力的機(jī)器，和其它機(jī)器的不同就在于生物體還有適應(yīng)外界環(huán)境和自我繁殖的能力。也可以把生物體比作一個(gè)自動(dòng)化的工廠，它的各項(xiàng)功能都遵循著力學(xué)的定律；它的各種結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作；它們能對(duì)一定的信號(hào)和刺激作出定量的反應(yīng)，而且能像自動(dòng)控制一樣，借助于專門的反饋聯(lián)系組織以自我控制的方式進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。例如我們身體內(nèi)恒定的體溫、正常的血壓、正常的血糖濃度等都是肌體內(nèi)復(fù)雜的自控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的結(jié)果?？刂普摰漠a(chǎn)生和發(fā)展，為生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)的連接架起了橋梁，使許多工程人員自覺(jué)地向生物系統(tǒng)去尋求新的設(shè)計(jì)思想和原理。于是出現(xiàn)了這樣一個(gè)趨勢(shì)，工程師為了和生物學(xué)家在共同合作的工程技術(shù)領(lǐng)域中獲得成果，就主動(dòng)學(xué)習(xí)生物科學(xué)知識(shí)。