谁知道哪种昆虫有什么本领

昆虫仿生学DD昆虫与自动化的微妙联系控制与自动化技术有一个很重要的应用领域就是生物控制。生物控制是生命科学和信息科学相结合的产物。生物控制研究的内容十分广泛，主要包括:研究生物体中通信和控制的动态过程，研究生命体遗传、发育、进化中的动力学规律，研究生物体与周围环境相互联系和制约中的反馈机制；进一步通过信息技术和自动化手段在不同的结构层次群体、个体、器官、细胞、分子、量子上予以控制，乃至把高度发达的生物机能作为工程系统或社会经济系统控制或决策中的“参考系”等。在生物控制中，有一个比较年轻的研究方向就是仿生学。仿生，简单地讲就是用人造装置对有生命物质进行模拟。广义地，仿生技术可用概括为模拟生物系统的信息加工、能量转换和力学结构，用以改进或建造工程技术系统。而昆虫仿生学，则是以昆虫为研究对象，模拟昆虫的感官、定向系统、肢体运动等，并将其应用于工程实践。仿生技术研究的内容非常广泛，大致有信息仿生、控制仿生、力学仿生、化学仿生以及医学仿生这五个方面，本文结合昆虫仿生学中的成功案例和最新成果，从其中的几个方面来介绍昆虫仿生学的应用，以阐明昆虫与自动化技术的微妙联系。1 信息仿生信息仿生包括感官仿生，细胞内和细胞间通信、动物间通信仿生，以及智能仿生等方面，在昆虫仿生学中，信息仿生主要是模仿昆虫的感觉器官进行信息的收集与加工，具有这种功能的装置我们称之为仿生传感器。目前的仿生传感器模仿昆虫的视觉和嗅觉的居多。复眼是昆虫的主要视觉器官，通常在昆虫的头部占有突出的位置。复眼是由许多六角形的小眼组成的，每个小眼与单眼的基本构造相同。复眼的体积越大，小眼的数量就越多，看东西的视力也就越强。复眼中的小眼的数目变化很大，从最少的只有一个小眼，到最多的有数万个小眼。例如有一种蚂蚁的的工蚁只有一个小眼，蝴蝶有1.2～1.7万个小眼，蜻蜓则有1～28万个小眼，家蝇有4千个小眼。 小眼的构造很精巧，它有一个如凸透镜一样的集光装置，叫角膜镜，就是小眼表面的六角形凸镜，下面连着圆锥形的晶体，在这些集光器下面连接着视觉神经。神经感受集光器传入的光点而感觉到光的刺激，而后造成“点的影像”，许多小眼的点的影像相互作用就组成“镶嵌的影像”。如果把昆虫的一只复眼纵向剖开，在放大镜或显微镜小观察，多棱的小眼聚集在一起，很象一只奇妙的万花筒。科学家们根据昆虫单复眼的构造特点，造出了大屏幕彩电，又可将一台台小彩电荧光屏组成一个大画面，且可在同一屏幕上任意位置框出某几个特定的小画面，既可播映相同的画面，又可播映不同的画面；根据昆虫复眼的结构特点研制成功的多孔径光学系统装置，更易于搜索到目标，已在国外一些重要武器系统中应用。根据某些水生昆虫的组成复眼的单眼之间相互抑制的原理，制成的侧抑制电子模型，用于各类摄影系统，拍出的照片可增强图像边缘反差和突出轮廓，还可用来提高雷达的显示灵敏度，也可用于文字和图片识别系统的预 处理工作。美国利用昆虫复眼加工信息及定向导航原理，研制了具有很大实用价值的仿昆虫复眼寻的末制导导引头的工程模型。虽然有这么多昆虫复眼的仿生装置应用于工程实际，但对于昆虫复眼的仿生研究从未停息过。科尔-吉尔伯特，康奈尔大学昆虫学教授，他现在正在研究肉蝇交配过程中雄蝇快速抓住雌蝇的机理。他说:肉蝇的脑袋虽然很小，但飞行的速度非常快，每秒钟能超过2米。如果考虑体积与速度二者的比例关系，将人与肉蝇进行对比，为了达到与肉蝇同样的速度，这个人必须以每秒408米的超音速速度飞跑，或者必须要达到F-15 Eagle战斗机最高速时的一半速度。奇怪的是，在这样高速飞行且头部高速转动的情况下，雄肉蝇仍能准确轻松地抓住雌肉蝇，这说明雄肉蝇将复眼的高分辨力部分始终聚焦于雌肉蝇身上。为了追逐雌肉蝇进行交配，雄肉蝇在它们的复眼中进化出来高分辨力区域，但这些高分辨力区域并不总是必要的。吉尔伯特说，一些雄肉蝇是盯住了它们的目标，但一些没有。认清雄肉蝇的视线目标是很重要的，因为像空间敏锐性、图像接收细胞处理速度等视觉机制是随着雄肉蝇的视网膜和视角的不同而不同的。为了研究雄肉蝇的性追逐行为，吉尔伯特及其同事利用一台每秒250帧的高速数码摄像机来拍摄飞行中的肉蝇。通过观察单帧图像，昆虫学家计算出每只雄肉蝇头部的精确旋转角度。经过仔细研究复眼的不同小平面，他们测量出雄肉蝇的视轴间距，并区分出复眼的高分辨力区和低分辨力区。接着，昆虫学家将数字影像导入计算机中一种图像软件程序，并添加入雌肉蝇的方位图，然后经由该电脑图像软件将数字文档转变为三维动画。他们还在三维动画中进一步运用一种“光线追踪”技术，收集雄肉蝇视线方位，以此来观察雄肉蝇是利用复眼的哪一部位来跟踪雌肉蝇的。然而昆虫学家发现，雄肉蝇在追逐雌肉蝇的飞行过程中转动头部，虽然有高精确度的复眼平面部位，但它们并不是非得使用。吉尔伯特说，关于这种奇怪的视觉生理和神经处理过程的详细解释，将有助于军事和航天工程师制造出具有先进追踪探测系统的炮弹和飞机。我们的下一步目标是，研究雄肉蝇在头部高速转动情况下如何进行视觉引导昆虫的绝大部分嗅觉感受器位于触角。如多音柞蚕的触角上至少有6万根感觉毛，15万个感觉细胞。也就是说，昆虫主要是靠触角来“闻”植物气味。但某些鳞翅目昆虫幼虫的下鄂须上也有嗅觉感受器，只是灵敏度要比触角低得多Dethier，1951。触角按其形状特点可分为羽状、棒槌状、球杆状、念珠状和刚毛状等。羽毛状触角可以看作是最发达的“气味滤器”。它的各个分枝的表面有成千上万的、与分枝相垂直的感觉毛，从而使表面积大大增加。巨大的表面和特别的几何排列，使触角能够从过往的气流中有效地筛选出气味分子。触角上的嗅觉感器有毛形、锥形、腔锥形和板形等。前二者具有象毛一样的外形；腔锥形感器是包埋在由表皮内陷而成的、开口在表面上的腔内的一个钉状物；板形感器则是一个环形的表面结构，其上有很多微孔。正是这些形形色色的嗅觉感器接受气味信息而引导昆虫找到宿主植物的。在静息空气中，植物散发的气味分子在气味源附近形成一个球形的活性区间，而在流动的空气中，这个活性区间是半椭球形，其长轴沿顺风方向。所谓的活性区间是指气味分子的浓度可以引起昆虫行为上的反应的空间范围。在活性区间内气味分子的浓度并不是均匀一致的。 Murlis and Jones1981发现在高气味源下风方向5米处测得的气味分子的浓度是高、低相间突发性变比的，也就是说处于这个位置的昆虫一段时间内感受到极低浓度的气味，而过一段时间则可能感受到高浓度的气味。人们推测形成这种现象的原因与受温差影响的空气湍流和气味分子本身的运动有关。在空中飞行的昆虫一旦进入活性区间，总是表现出一种侧逆风“之”字形飞行运动。当感受到较高浓度的气味分子时，昆虫保持原有飞行方向；当失去气味分子时，昆虫则改变飞行方向，直到重新遇到气味分子为止David，1982。步行昆虫寻找气味源的行为与此类似Tobin．1981:1、感受到气味后逆风运动；2、在活性区间以“之”字形路径步行；3、能感受活性区间边缘，即在遇到气味浓度突然下降时，昆虫转向相反方向运动，使自己保持在活性区间内。根据昆虫嗅觉定向的原理，科学家们通过对蛾类进行训练，可以使之对特定的气味作出反应。目前，昆虫学家正将这项昆虫研究转移到军事应用上，试图利用受过训练的蛾类来探 测出人造爆炸物、大麻之类的非法、危险物品。当然也有利用昆虫其他感觉器官的仿生传感器。科研人员研究一种名为Melanophila的甲虫，它能遥感50千米以外森林火灾引起的红外辐射。这种甲虫会群聚在森林火灾附近，在树皮内侧产卵。研究人员现，这种甲虫具有一种独特的结构，帮助它们探测红外辐射。这种甲虫翅膀下的碟式结构包含70个很小的洋葱状结构，能起到红外传感器的作用。科研人员复制和改进这种天然的压电晶体传感器结构，以便制造出一种无需专门冷却、却可室温下工作的红外探测器。2 控制仿生控制仿生包括体内稳态稳态调控、肢体运动控制、动物的定向导航、生态系统的涨落等。控制仿生最早应用在航天事业中，用来调节人造卫星的温度。人造卫星在太空中由于位置的不断变化可引起温度骤然变化，有时温差可高达两、三百度，严重影响许多仪器的正常工作。科学家们受蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变换角度而调节体温的启发，将人造卫星的控温系统制成了叶片正反两面辐射、散热能力相差很大的百叶窗样式，在每扇窗的转动位置安装有对温度敏感的金属丝，随温度变化可调节窗的开合，从而保持了人造卫星内部温度的恒定，解决了航天事业中的一大难题。目前，控制仿生的研究热点是仿生机器人。据报道，一种称为“仿生苍蝇”的机器人可能会引起战场外科的一场革命。它将是第一种在战场上那能被带领到负伤军人那里和给他们作紧急处理的机器人，在那里，由外科医生操作太危险了。以前的外科医生机器人局限性很大，因为它们依靠受伤的军人携带。 “仿生苍蝇”找到伤员后，就展开它的马达驱动的手臂，执行外科手术，由可能在数百英里远的医生来引导。这种新的机器人是第一次使用两只手臂来进行遥控外科操作。远程外科医生用视频照相机， 3D视频图像，立体声和远程工具和力量反馈来控制机器人。当外科医生移动工具，仿生苍蝇的手臂就进行模仿。当机器人碰到软组织，外科医生就通过力量反馈感到有阻力。它已经被美国军医使用，作为训练帮助，并且在动物身上进行一些复杂的操作。轮子的滚动被认为是效率最高的运动形式，已经有悠久的历史。正因为如此，老一代的机器人大多是靠轮子作上下、前后、左右的机械运动。虽然近年来一些科学家提出“类人机器人”这一新的机器人的发展趋势，但为什么要用两条腿交替行走代替轮子的滚动？前者是否有优势，其优势又在哪里等，一直是科学家所关心的问题。美国加州大学伯克利分校波利-佩达尔实验室的罗伯特?菲尔教授希望通过研究昆虫的运动方式，找出这些问题的答案。他发现所有的生物，从人类到蟑螂，它们的行走方式都是相同的。但它们并不滚动，而是双足或多足交替行走。 罗伯特教授指出，这种交替行走的方式之所以被所有的生物采纳，是因为它具有明显的优势，那就是灵活的自我操控能力。通过观察表明，当动物跑过复杂地形时，会对遇到的干扰进行自我调整。这对于用轮子前行的机器人而言，就很难做到。研究人员所做的试验之一就是，将蟑螂放在运动的平板传送带上，观察它的运动方式。结果发现，蟑螂运动时，总是三条腿为一组，交替前行。 斯坦福大学的马克?库特科斯基教授说:“对我而言，最有意思的是当你去抓昆虫的时候，它们跑得非常快，例如蟑螂的逃跑速度就非常快，当它快速逃窜时，根本不用思考。蟑螂长了六条腿，而六条腿的分布形式允许它这样运动。人们从中学到的是，在细节上如何让机器人绕过障碍物快速运动，同时不需要复杂的控制系统。” 通过对蟑螂的模仿，马克的研究小组研制出了仿生机器人，或者更形象地说——机器蟑螂“斯普罗利塔”。它不但有六条腿，在外形上也与蟑螂相似。马克还使用了一些自然界中能够灵活变形的材料，让“斯普罗利塔”从行动上更像只昆虫。其实，“斯普罗利塔”并不是唯一的“仿蟑螂”机器人，美国麦吉尔大学的机器人“莱科斯”同样“长”了六条灵活的腿，它不但可以跨越障碍，而且行动更快速，每秒可以行走3米。科研人员表示，依照目前研究的结果，他们有信心制造出新一代操控灵活的仿蟑螂机器人用来从事搜寻、援救这些任务。当有地震或恐怖袭击或紧急事件发生时，一批这样的机器人可以快速出击，并在任何地方灵活快捷地锁定目标。3力学仿生控制仿生主要是关于动物飞行、运动动力学的研究。力学仿生主要应用于航空航天事业。蜻蜒通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流，并利用气流产生的涡流来使自己上升。蜻蜒能在很小的推力下翱翔，不但可向前飞行，还能向后和左右两侧飞行，其向前飞行速度可达72km/小时。此外，蜻蜒的飞行行为简单，仅靠两对翅膀不停地拍打。科学家据此结构基础研制成功了直升飞机。飞机在高速飞行时，常会引起剧烈振动，甚至有时会折断机翼而引起飞机失事。蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飞行时安然无恙，于是人们仿效蜻蜒在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题。家蝇的特别之处在于它的快速的飞行技术，这使得它很难被人类抓住。即使在它的后面也很难接近它。它设想到了每一种情况，非常小心，并能快速移动。那么，它是怎么做到的呢？昆虫学家研究发现，苍蝇的后翅退化成一对平衡棒。当它飞行时，平衡棒以一定的频率进行机械振动，可以调节翅膀的运动方向，是保持苍蝇身体平衡的导航仪。科学家据此原理研制成一代新型导航仪——振动陀螺仪，大大改进了飞机的飞行性能，可使飞机自动停止危险的滚翻飞行，在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡，即使是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失。跳蚤的跳跃本领十分高强，航空专家对此进行了大量研究，英国一飞机制造公司从其垂直起跳的方式受到启发，成功制造出了一种几乎能垂直起落的鹞式飞机。4 化学仿生化学仿生主要研究生物体内一些特殊的化学过程，以便使这些过程也能在工业中实现。化学仿生最早应用于军事。屁步甲炮虫自卫时，可喷射出具有恶臭的高温液体“炮弹”，以迷惑、刺激和惊吓敌害。科学家将其解剖后发现甲虫体内有3个小室，分别储有二元酚溶液、双氧水和生物酶。二元酚和双氧水流到第三小室与生物酶混合发生化学反应，瞬间就成为100℃的毒液，并迅速射出。这种原理目前已应用于军事技术中。二战期间，德国纳粹为了战争的需要，据此机理制造出了一种功率极大且性能安全可靠的新型发动机，安装在飞航式导弹上，使之飞行速度加快，安全稳定，命中率提高，英国伦敦在受其轰炸时损失惨重。美国军事专家受甲虫喷射原理的启发研制出了先进的二元化武器。这种武器将两种或多种能产生毒剂的化学物质分装在两个隔开的容器中，炮弹发射后隔膜破裂，两种毒剂中间体在弹体飞行的8—10秒内混合并发生反应，在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌人。它们易于生产、储存、运输，安全且不易失效。萤火虫可将化学能直接转变成光能，且转化效率达100%，而普通电灯的发光效率只有6%。人们模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源可将发光效率提高十几倍，大大节约了能量。5 总结上面主要结合自动化技术阐述了昆虫仿生学在检测技术、自动控制以及仿生机器人方面的应用。当然昆虫仿生学的应用远不止如此。昆虫在亿万年的进化过程中，随着环境的变迁而逐渐进化，都在不同程度地发展着各自的生存本领。随着社会的发展，人们对昆虫的各种生命活动掌握得越来越多，越来越意识到昆虫对人类的重要性，再加上信息技术特别是计算机新一代生物电子技术在昆虫学上的应用，模拟昆虫的感应能力而研制的检测物质种类和浓度的生物传感器，参照昆虫神经结构开发的能够模仿大脑活动的计算机等等一系列的生物技术工程，将会由科学家的设想变为现实，并进入各个领域，昆虫将会为人类做出更大的贡献。