
蛇,总给人一种神秘的感觉,它盘着那细长的身躯神出鬼没地游走于草石间。蛇以更快、狠、准的攻击特征称霸一方,令人望而生畏。不过,这位神秘的大自然“杀手”却有着许多值得人们效仿的过人之处。模仿蛇的生理结构、特殊本领等研制出的蛇形机器人、红外夜视仪、响尾蛇导弹等,样样都令人叹为观止。
师蛇追踪响尾蛇导弹紧盯目标
科学家们仿照响尾蛇出奇制胜的“热定位”特性,研制出红外夜视仪和空对空响尾蛇导弹。
说起关于蛇的仿生学,最著名的莫过于响尾蛇导弹和红外线夜视仪了。蛇天生出色的本能毫无保留地被人们加以利用。
大家或许都了解过,响尾蛇总能准确无误锁定猎物,并且一击将其致命。但大家是否知道响尾蛇的视力其实是十分差的呢?一位视力很有问题的“杀手”,为什么总能在黑夜中准确追踪对手并取其性命?
众所周知,有温度的物体都会不停地向外发射红外线,这些红外线带有热量,同时能使被照射到的物体也产生热量,而科学家经过长时间的研究,发现响尾蛇的视力虽然几乎为零,但其鼻子上的颊窝器官却具有“热定位”功能,它对0.001℃的温差都能感觉出来,且反应时间不超过0.1秒。即使爬虫、小兽等在夜间入睡后,凭借它们身体所发出的热能,响尾蛇都能感知并敏捷地前往捕食。
于是,科学家们仿照响尾蛇这一出奇制胜的“热定位”特性,研制出红外夜视仪和空对空响尾蛇导弹。
军事专家李莉解释说,红外夜视仪实际上就是利用物体间温度的差异所形成的热红外图像,从而实现对目标的追踪。军人在黑夜或者是进入伸手不见五指的山洞隧道进行追踪,一般都配备红外线夜视仪。
不过,响尾蛇之所以能成为人人惶恐的动物,不仅是因为它过人的追踪能力,更重要的是它本身所具有的敏锐性和攻击性。响尾蛇的颊窝上密布着红外感受单位,这些红外感受单位能够产生脉冲并传给脑中枢,经过加工后,脑中枢便能迅速发出攻击猎物的命令。
能不能制造一种像响尾蛇的武器,利用“热定位”功能发现敌人后,再通过“大脑”思考给出反应?于是,科学家们在热定位的基础上进一步研发了可将“被动跟踪”升级为“主动追踪”的武器———响尾蛇导弹。
这种武器除了迅速通过热定位原理感应到目标位置外,还能直接追踪目标并将其击落。而完成从追踪到攻击的一系列动作的关键是导弹头上安装了红外探测器。
中国空空导弹研究院高级工程师赵鸿燕指出,作为红外空空导弹探测、截获和跟踪目标红外辐射的重要组件,红外探测器常被比作导弹的“眼睛”和“心脏”。红外探测器的功能就是将红外入射辐射转换成电信号。在红外线探测器中,有一个信号处理器,其能检测高温物体的存在或移动,并把输入信号转换成电压信号。然后,对电压信号进行波形分析再输出检测信号。例如高空发射的响尾蛇导弹会在弹头红外探测器的指引下,紧紧盯着飞机的喷火口,直至击中目标。
学蛇爬行蛇形机器人大显神威
蛇形机器人在抢险救灾、军事侦察等方面大派用场,甚至将来的交通工具也可仿蛇而造。
除了热定位追踪,自由伸缩、曲折前行也是蛇的法宝之一。
蛇身的横截面积一般比较小,这使得蛇能穿越各种狭小的空间,人类由此想到了将蛇这种特性应用在机器人的研发上,使其在抢险救灾、军事侦察中大派用场。
中国科学院研究生院郁树梅表示,可针对沼泽、浅滩等复杂环境,设计一种环境适应性强的新型两栖蛇形机器人,该机器人除了能进行基本二维运动步态(即蜿蜒运动)外,还能将水平面和竖直面上基本步态进行复合,从而实现S形翻滚运动和螺旋翻滚运动等运动陆地步态和水下步态,且该机器人由多个具有密封设计的万向运动单元组成,保证了机器人在陆地和水中均能灵活运动。
以色列理工大学科学家就成功研制出了一款“机械蛇”。这条“机械蛇”身长约1.83米,身形像竹节一样,灵活多变,颜色也颇具隐蔽性,由电驱动,具体的动作则由设计好的软件控制,从而可选择“因地制宜”、“因时制宜”的行动策略。如果是在直行的情况下,“机械蛇”能够达到最快的速度。如果需要爬楼梯,那么“机械蛇”能够起身直行。如果地表平滑,那么它会选择滚动的方式。如果在地下潜行,那么它会“昂首挺胸”,以捕获最佳视野。“机械蛇”内部配备敏感的传感器,能精确地找出目标的位置,并通过判断目标与自身的距离、移动的速率与方向,作出隐藏或是攻击的反应。
而日本HiBot公司研制出的一款仿生机器蛇,则还能在水中自由游动,其装有电子摄像系统,能够完成勘测地形、自动生成三维地图等工作,由近万行计算机控制定位程序。一旦进入水中,它便可自由灵活地游动。
两栖行动的仿生机器蛇在未来的应用具有很大的想像空间,它可以作为威胁性潜行武器,也可用于帮助解决搜救洪流、地震等灾难。
中国船舶重工集团公司第七一三研究所的张玲玲认为,蛇形机器人实现了像蛇一样的“无肢运动”,是机器人运动方式的一个重大突破。其在许多领域有着广泛的应用前景,如在有辐射、有剧毒、地震、狭小管道等不适宜人类工作的场合。
仿照生物蛇的运动特点和运动机理,蛇形机器人可通过协调控制各个相同模块的运动,从而实现多种运动形式,而这个特点也被人们联想到未来的交通工具。
随着人类社会的不断进步,人们对交通工具的要求越来越趋于多功能便捷化。现有的交通工具一般受地形的影响比较大。若能将蛇形机器人的仿生原理应用于现代交通工具,势必大大增加交通工具的便利性。例如蛇形概念车具有稳定性好、横截面小、柔性等特点,能在各种粗糙、陡峭、崎岖的复杂地形上轻松行走,甚至可攀爬障碍物,比普通交通工具具有更强的适应环境能力。
蛇皮取经乐器地板均可应用
用蛇皮来制作二胡等乐器的琴膜,颇具“骨感韧劲”。而蛇皮纹运动地板的防滑功能更是强大。
蛇蕴藏的智慧远不止如此。
蛇的皮比较坚韧,主要由碳酸钙等钙质物组成,但亦未骨质化,不脆硬,为软钙骨层。而且本身没毛的蛇没有太多毛孔,这就使得蛇皮更加结实,再加上皮上的鳞片由纤维束组成,平行于表皮的下部主要成分是网状结构的纤维物质,因此蛇皮柔韧性十分出色。此外,动物皮都富含油质,能在皮张力大且薄的情况下,藉由油质加上本身的纤维弹性缓冲来抵抗高频震动。
由于二胡的声音质感特征与野生天然蛇皮的软钙层(即角质层)有一定关系,加之蛇皮蛋白质纤维层织体的固有结构和弹性特点,所以在民族乐器京胡的制作中,特地选用了蛇皮来作为琴筒的覆盖膜,而蒙上蛇皮的京胡拉出来的声音刚柔相济,圆润有韵,颇具“骨感韧劲”。
据介绍,蛇皮以无破损、无霉无蛀、皮张大而厚实者为佳。加工工艺品及乐器的皮张,以大而厚实无损者为佳。我国很早就用蛇皮作为乐器的琴膜和手鼓皮。其中蟒蛇皮厚而质地坚韧,用来制作二胡、四胡、大胡等乐器的琴膜,单调低沉、婉转、悠扬。
此外,人们还发现蛇皮表面具有凹凸有致、紧密相连的结构特点。这特性使得蛇在光滑的石面上也能轻松游走。仿照这一生理特征,国内英利体育用品有限公司就结合体育场地的需求,成功研发出一种仿生蛇皮纹运动地板。从设计理念上,这是首次引入蛇皮纹路仿生技术。与以往涂刮与轧花类产品相比,独特的蛇皮状纹路的摩擦力大为增加。应用这种地板,再也不用害怕因场地表面残留汗水而造成的突发性滑倒与扭伤了,而且紧密的纹路缝隙还可以有效阻挡灰尘的沉积。
蛇形优美为设计师带来灵感
蛇线条是“富有吸引力的线条的曲线”,很多设计师都在其作品中加以应用。
线条在服装设计中占据了绝对重要的地位,设计师对于服装设计的理念表达需要借助于线条勾勒的服装画来实现。
18世纪英国最杰出、最负有影响力的画家和艺术理论家荷加斯曾提出了一个美学线条理论,他认为蛇形线,灵活生动,同时朝着不同的方向旋绕,这根线条具有非常多的不同转折,包含着各种不同的内容,能使眼睛得到满足,引导眼睛追逐其无限的多样,是“富有吸引力的线条的曲线”。
荷加斯的美学线条理论在后世的服装画、服装造型和服装结构上都得以应用。《英国经典服装纸样设计》作者娜塔列·布雷表示,许多设计师已经有意或无意的在服装结构设计时运用荷加斯的美学线条理论。
线条的运用不局限于服装。2011年,美国设计师凯莱恩从蛇线条获取灵感,突破了当前仿生前手臂的传统设计,制造出一种更具柔韧性的仿生手臂,能够更轻松有效地完成日常工作。这一新款仿生手臂最大的特征是柔韧性设计,能拿起不同外形的物体,该仿生手臂还结合了马达转子和线缆,可帮助使用者在不同任务中控制盘卷力。基于简单有效的设计,该仿生手臂使残疾人群变得“独断专行”,可以在无需任何援助下完成日常工作和任务。