仿生鱼形机器 大海任我遨游

稿件来源：成都日报           2007-1-14 02:56:57
    
      
四川新闻网-成都日报讯：

　　
　　——瞧！ 这些以假乱真的机器动物（上）

　　曹福成/文

　　广袤的大自然，生活着奇妙多姿的各种动物，它们不仅给人们带来美的享受，也源源不断地为人们提供了技术创新的灵感。动物身上具备各种丰富多彩的功能，它们具有极其复杂和精巧的机构，其奇妙程度远远超过迄今为止的许多人造机器。

　　仿生学便是以研究生物系统的结构和性质来为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等等。

　　随着仿生学的不断发展，人类开始制造出仿生鱼、仿生猫、仿生狗，甚至仿生啄木鸟、仿生蜻蜓、仿生蜘蛛，这些集各种现代高新技术于一身的机器，其外型和自然界的生物非常相近，几可以假乱真。它们在给人们干各种活路的同时，也给人们带来了无穷的欢乐和情趣。

　　从人类舰船的发展史不难看出，舰船的发明是受鱼的启发，并从鱼类身上寻找"蓝图"的。虽然现今的舰船在不少功能上已超过了鱼类，但在身体结构和航行技巧上还远远比不上鱼。在仿生学研究中，研究海洋中的鱼类是个大课题，模仿鱼类的各种机器不断问世。海洋学家认为，随着当代高新科技的不断发展，不久的将来，一种外形和运动形态都酷似真正鱼类的机器鱼将代替潜艇和潜水员，帮助人类探索海底世界的秘密、解决海洋污染的难题，并且执行军事探测和侦察任务，成为最新型的海洋"间谍"。

　　鲔鱼：高速潜艇和高速飞机之父

　　鱼类终生生活在水中，对水环境有很好的适应。自从人类懂得造船开始，就一直为如何提高船的航行速度而努力。人们在设计船的式样时，无疑可从这些动物身上得到提高船速的启发。

　　鱼类游得飞快的奥妙在哪里？人们发现，尽管鱼类有多种多样的体型，但其中最常见的一种体型是纺锤型，又称流线型。这种体型的特点是：头、躯干和尾三部分比例适中。鱼身的三个体轴以从头到尾的长度最长，背到腹的高度次之，左到右的宽度最短。整个鱼体形状就像一只纺梭，两头尖中间厚，其横切面为椭圆形。它的身体最厚的部位是在头后至体前这一段，自此均匀地向后方渐渐地变窄，整个体型显得浑圆结实光滑，可以减少湍流，将水流的摩擦力减少至最低限度。一些快速游动的鱼类如金枪鱼、马鲛鱼、鲔鱼、鲣鱼、箭鱼和鲨鱼等都这种体型。

　　关于鱼类的游泳速度很少有精确的记录。有人说鲔鱼的时速可以达到每小时90公里，鱼类学家戈特教授就曾说过，今天在美洲海边见到的鲔鱼，有可能是在前天晚上经过南非好望角的。不论这种说法是否有点夸张，总之说明鲔鱼游泳速度非常之快。对于这样的著名速游鱼类，仿生学家当然不会放过。

　　经研究，鲔鱼的身体剖面相对长度是3.6米，相对厚度是0.28米。这个相对厚度对于鲔鱼的快速游动起到什么作用呢?实验证明，当相对厚度小于 0.28米时，形状阻力虽有减少但摩擦阻力增大很多；当相对厚度大于0.28米时，摩擦阻力虽有减少但形状阻力又增大很多；可以说，0.28米这个相对厚度是恰到好处的。鲔鱼获得了最理想的相对厚度，这种体型使之受到的摩擦阻力和形状阻力的共同作用减少到最低程度，难怪鲔鱼会在转眼之间游离人的视线之外。

　　美国科学家按照鲔鱼的体型，设计制造成功"飞鱼"号核潜艇，它具有航速快、灵活性大的特点。现代的潜艇和鱼雷也大多是按照流线型来设计的。不仅如此，舰船设计师可以模拟的东西，对于航空设计师来说也是有用的。因为空气和水都是流体，两者都受流体力学规律的制约。航空设计师们也模拟鲔鱼的体型，增加机身的相对厚度，设计出新的喷气式高速客机，它不仅减少了飞行阻力，而且也扩大了机舱，可谓一举两得。

　　一条大鱼？还是潜艇？

　　猛一看这个大家伙，很象是海洋中的大型鱼类吧？其实，它是一艘正宗的潜艇！最近，英国科学家研制出了这种可以靠尾鳍摆动的鱼形潜艇。这种潜艇毋须使用螺旋桨和涡轮机，而靠一个由内部压力系统控制的尾鳍来推动，艇侧面和顶部的鳍则有助于潜艇准确移动和保持平衡。其创新之处还在于使用了"象鼻致动器"的装置。"象鼻"由一组用薄而柔软的材料做成的软管组成，模仿肌肉活动，推动鳍的运动。它比常规潜艇更快、更安静和机动性更好。

　　自动电子鱼

　　看起来，它酷似一条很大的热带鱼，但它却是一条地地道道的机器鱼。这个美国佛罗里达州中央大学计算机工程系研制的自动电子机器鱼长0.6米，动力装置采用太阳能充电，当动力不足时可以浮出水面自行充电。机器鱼的尾翼长0.35米，由一种可变换形状的特殊金属制成。当电流通过时，金属发生收缩反应，尾翼向一边摆动，电流被阻断后尾翼又会恢复原状。科学家通过控制这一金属尾翼中的电流强弱，就能使机器鱼最大限度地模仿鱼类的游动姿态。机器鱼的人工智能计算机系统可以自由地调节运动方向及形态，使其在运动中保持高度的灵活性。机器鱼的腹腔内还装有充气的气囊，用于在游动过程中改变入水的深度。

　　这种机器鱼的外形和运动形态与真正的鱼类无异，容易接近被测目标。它还有一个突出优点是可以实现完全的静音操作，而此前的探测器在工作时都会产生一定的噪声，往往还没等靠近被测目标就已将其吓跑，更别提执行探测操作了。

　　更为重要的是，机器鱼的设计以模块线装为主，因而可将各种传感器、摄像机及卫星跟踪系统的模块插入主设计模块，使机器鱼能及时向海上和陆地的控制中心发送图像资料。控制中心也可以利用卫星跟踪系统提供的数据准确地判定机器鱼的海底坐标，从而大大提高探测效率。

　　穿皮衣的现代潜艇

　　如何提高潜艇的航速，仿生学家从海洋生物的皮肤上得到不少灵感。科学家发现，海豚之所以游得快，和其有特殊的皮肤结构有关。物理学表明，水接触坚硬的表面，水流会产生混乱现象，会增大水的阻力；相反，若水接触的是柔软且具有极微细不平的表面时，则会消除水流混乱现象，从而减少水的阻力。海豚皮肤表面就比较柔软且具有弹性，人们模仿海豚的皮肤构造，用橡胶制成了人造海豚皮，装在潜水艇上，使湍流减少了50%，大大提高了潜艇的航行速度。

　　美国海军还模仿鳐鱼和鳗的运动特点，设计出的一种新潜艇，它没有推进器，也没有垂直舵和水平舵，只是用弹性皮代替了潜艇的传统外壳。这种"皮" 采用特别坚固的尼奥普林胶制成，全身分成17对磁性环节，附于弹性皮的里层。当电流有规律地通过时，潜艇的皮外壳就能运动起来。当它在海水里前进时，人们很难分辨是鱼还是船，这样既可以突然袭击敌人，又能巧妙地隐蔽自己。

　　鲎鱼眼电视摄影机

　　这条看上去傻乎乎的仿生鱼是做什么的？想不到吧，它是一台水下摄影机，内部装有一个电视摄影机，是模仿鲎鱼的眼睛制造的。

　　鲎鱼的前面有2个单眼，后面有2个复眼。单眼是接受紫外线突然增多的感受器；复眼包括1000多个小眼。每个感光细胞都有自己的透镜，将投射在上面的光聚焦。有神经末梢通过这些感光细胞，在这里光线转变为脉冲电流，脉冲沿轴突传给脑。当用光线照射单个小眼某个点时，只有这个点的纤维中才产生脉冲，而另一个点没有光照射则无脉冲。人们模仿鲎鱼眼视神经之间的相互抑制原理制成的电视摄影机，能在微弱光下提高电视图像清晰度。

　　模仿蓝枪鱼 轮船转弯快

　　科学家们已经知道鱼类的体型对其运动速度有很大影响，但疑问依然存在。如蓝枪鱼和马鲛鱼同样具有完美的流线型体型，为什么蓝枪鱼总是游得比马鲛鱼快呢?这说明体型仅是影响鱼类游速的一个方面，还有许多因素可以影响游速。英国人瓦兹发现，蓝枪鱼的尾鳍前比马鲛鱼多了一个臀鳍，并认为这个构造有利于鱼身作急转弯。瓦兹按照蓝枪鱼的这一构造在设计"武尔维吉"号轮船时，在船尾前增加了一个类似"侧鳍"的装置。试航结果表明，它缩小了船体转弯时的距离和时间，自然也就提高了航速。