大自然的能量科技

来源 :走近科学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:surezheng12345678
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  阳光和植物,是自然界的能量之源。动物们无一例外地通过最原始的方式,捕获食物获取能量。
  当人类解开火的秘密,能量的释放就获得了一种新的方式:燃烧。燃烧千百年前深埋地底下的植物,释放出储存千百年的太阳的能量,让我们得以摆脱自然界的束缚,并直接推动了工业革命。直到今天,我们利用的大多数能量,仍然源自这种燃烧史前植物的原始过程。然而,它又让我们的地球付出了代价,大气中的二氧化碳逐渐增多,环境遭到严重破坏。
  现在,仿生科学家们有了一种全新的思路,如果人类回到最初获取能量的方式——捕食,会不会找到一条全新的无污染的能源之路呢?
  任何生物的生存都需要能量。幸运的是,这个世界充满了可再生能源:食物。不过,真正的挑战在于,如何找到自己的食物而不成为其他生物的盘中餐。这种古老的争夺,是能量在动物界中传递的唯一途径,千百万年来,动物们获取能量的唯一方式,就是捕食。
  这种寻找能量的方式引起了工程师的关注:如果机器人也能做到会是怎么样呢?一种”食虫机器人”获取能量的方法是吃苍蝇。
  不过目前它还不会捕捉苍蝇,还得靠人喂。在特殊的微生物溶液中,苍蝇会被机器人消化掉。但是,即使饱餐一顿苍蝇,它获得的能量也不多。而且它得呆上几分钟消化食物,才能储存足够的能量走上几厘米。但是这个系统的确起作用,在20分钟之内,它就能前进好几米。用生态术语来说,“食虫机器人”属于食肉动物。(图1)
  要获取更多的能源,还有一个办法也许就是降低利用能源的门槛。
  飞蛾的眼睛能够捕捉最微弱的光线,这是因为它们的眼睛外面有抗反射层。
  放大2.5万倍后可以看到,它们的眼睛表面覆盖着间距精确的小突起,这些微小突起的间距完全相同,能够阻止光线反射,从而增加光线的吸收。这是自然界惊人的纳米级构造。德国的科学家研制出了一种同类的纳米结构,它的商标就是飞蛾的眼睛。
  在玻璃的表面加工,让其附着上一层纳米结构膜,这层膜和蛾眼一样全是间距相等的微型突起,它们几乎吸收了照射上来的所有阳光。效果非常明显,一个监测器的一半使用常规材料,另一半则覆盖了蛾眼。 直视表面,没有太大的差别,但是从某个角度看去,覆盖蛾眼的表面,看不到一点强光。
  在太阳能电池上应用蛾眼技术,被吸收的阳光增加了,电池的效率也提高了。而同样是利用太阳光产生能量,树叶的效率要比太阳能电池低得多,相对成本也非常低廉。自然界的解决之道尽管效率不高,但很廉价,毕竟,树叶无处不在。
  白蚁是自然界的建筑大师,它们建造巨大的土城堡。这些“城堡”并不是简单的土堆,而是很复杂的建筑物。一窝白蚁产生的热量与一头奶牛一样多,而且它们又生活在密闭的土堆里,所以,它们必须以某种构造方式使蚁巢通风。(图2)
  通过测量科学家们发现,蚁巢内部确实整天都维持着一个非常合适的温度。白蚁调节空气的秘密,就在于蚁巢的建筑细节中。科学家们用JCB(作业控制块)精细挖掘技术把蚁巢切开,试图看清其基本结构。
  但是,这个纵切面太粗糙,无法看清蚁巢的建筑细节。
  于是,科学家想出了一个新的主意:向巢内注入石膏,让石膏在所有隧道中流通,然后凝固堵住。这件事非常难办,因为浆液不能太稠,要刚好能够流到所有的隧道中;却又不能太稀,太稀会无法凝固。最难的是他们得弄清巢穴何时才能充满,以免灌入过多的水,冲坏了蚁巢的结构。
  漫长的等待后,终于可以检验实验的成果了。在高压水流的冲刷下,蚁穴的泥被冲走了,石膏定型的复杂隧道系统留了下来。摆在科学家们面前的,是一尊白蚁穴的雕塑,这个王国的建筑第一次以这样的方式呈现在人们面前。(图3-1、3-2)
  但是,科学家们仍不满意。这种办法揭示了较大的隧道如何相连,但同时也毁坏了一层很窄的隧道。科学家们在JCB的挖掘中曾经注意到有这样一层。
  于是,他们想出了一种非同寻常的方法,可以看清土堆的最细微处。
  他们在白蚁穴上方安装了世界上最大的平板扫描仪。削去巢穴顶部很薄的一层,就拍摄一张照片,在接下来的两周里,土堆被昼夜不停地一毫米一毫米地削去,每削去一层都会拍摄一张照片。
  科学家们将大量的连续照片输入计算机,利用专门的软件合成,最后生成出一个从来没有人见过的蚁巢结构三维图。
  这几乎就是一个蚁巢的复制品,我们可以完全看清白蚁是如何修建它的王国的。蚁巢调节温度的秘密就在于风的流通。科学家们发现,蚁巢复杂的隧道网络控制着风速和风力的变化,风从中心管道进入蚁巢,然后在巢穴内部各个细小的隧道中形成稳定的气流,如果循环的气流不够强,白蚁就会把土堆加高些,多建些隧道来予以补充。
  而这样环保节能却复杂的设计,我们目前恐怕连想都不敢想。
  在信息社会,掌握大量的信息是立于不败之地的关键。这一点我们也能在自然界中找到高手——蟑螂。蟑螂能够非常敏感地获得信息,比如在哪里找到食物,在哪里能够藏身,它们还能敏锐地侦察到危险。
  这一切都是因为蟑螂的两根尾毛,尾毛上覆盖的细毛能够对细微的空气流动作出反应。由于有成百上千根向不同方向弯曲的毛发,蟑螂就能够准确地定位气流来自何处,而且还能确定产生气流的物体有多大。
  蟑螂尾毛的神经纤维一直通向腿部的控制中心,因而,蟑螂在逃跑时连想都不用想。
  这种一流而经济的结构,引起了空间科学家的注意。火星表面有很强的旋风,足以摧毁目前的火星探测器,然而,如果探测器能像蟑螂那样有探测风力强度和方向的能力,就能够避开麻烦。
  空间探测器的另一个研究方向是团队协作。设想如果它们每一个都能与其他探测器进行对话,像蚂蚁那样协调自己的行为,那么我们在外太空搜索生命的效率会高得多。
  说到蚂蚁,它们最擅长的就是团队合作。但是,并没有哪只蚂蚁的头脑里有总体的规划设计,没有哪只蚂蚁能够全面了解整个蚁群试图达到什么目标。蚂蚁社会的密切合作源于每一个个体都只遵循着一些简单的规则。这种完成复杂任务的简单程序,激发了机器人设计师的灵感,他们试图设计出能够以类似方式合作的机器人。
  西英格兰大学的机器人就是模仿蚂蚁的规则设计的,它们只会几个动作,捡起光盘,放下和转身。但设计师们对它们输入了一些简单的规则程序。
  第一,如果碰到光盘,就捡起来。
  第二,如果碰到墙壁或另一个机器人,就转身。
  第三,如果已经拿到一个光盘,又碰到了另一个,就把手里的放下。将12个输入这些规则的机器人放在一个随意放着光盘的区域,奇怪的事情发生了:
  大约过了一小时,这队机器人齐心协力拾起了所有散放的光盘,并整齐地将它们码成一堆。这或许就是我们向制造出人工蚁群迈出的第一步。
  
  仿生学可以开创新材料的未来,可以找到人类用之不尽的新能源,而所有的这些潜力还仅仅来自目前对几百个物种的研究。自然界有千百万个物种,每一种都有我们尚未解开的秘密。
  地球上生命的多样性,40亿年的生物大繁荣,是人类最大的资源。然而,这种资源正在消失,其速度与史前几次毁灭性的自然灾难不分伯仲,就像是烧掉地球上最伟大的图书馆,而这些问题的发生,都是由我们人类造成的。
  也许仿生学能够改变这一切。只要仿生学确实能给人类带来巨大益处,那么这种新的学科就会成为我们更好地管理地球的指南。人类要生存下去,就必须爱护一切蕴藏着自然秘密的生命。
其他文献
说到银行卡的用卡安全,大家更多注意的是自动提款机的提款安全和网上交易的交易安全。您有没有想过,打电话也有可能被人把密码偷走呢?浙江金华警方就破获了一起利用电话盗取密码的犯罪案件。犯罪嫌疑人究竟是怎么盗取密码的呢?  2010年5月27日,金华一家电器配件公司的负责人王女士,一觉醒来后,发现自己手机上有两条银行发来的转账信息。  王女士说,我一看有短信,是我账上有3万多元转出去了;再一看,晚上12点
期刊
恐龙曾经是地球的霸主,统治地球长达1.6亿年。然而,这样一个带给人类无限想像力的物种,竟然在6500万年前戏剧般地消失了。是什么原因让恐龙彻底销声匿迹?更让人担忧的是,恐龙的消失是距离人类最近的一次生物大灭绝。人类是否会重蹈恐龙的命运?    它是曾经令人生畏的巨无霸  它是曾经统治地球者的代名词  然而神秘力量使恐龙王国瞬间覆灭  天外来客的袭击牵引着我们探寻恐龙灭亡之谜     《“天外来客”
期刊
历史上有这么一部奇书,虽然它不能帮人们练成盖世武功,但能够帮人们发财致富。有一个国家得到了它,实现了国家富强;有一个人得到了它,成为天下首富。这部奇书就是《计然之策》。靠着《计然之策》,实现国家富强的是春秋时期的越国,成为天下首富的是帮着越王勾践消灭了吴王夫差的著名政治家范蠡。  关于《计然之策》指导越国实现富强的故事,记载在《史记·货殖列传》里,原文说:“昔者越王勾践困于会稽之上,乃用范蠡、计然
期刊
自从肿瘤在临床上出现以来,全世界针对肿瘤的科研工作就没有停止过。手术、放疗、化疗等手段相继出现,肿瘤病人的存活率有了大幅度提升。1年、3年、5年,10年甚至更久。但是,这样或那样的问题还是困扰着医生,阻扰着肿瘤病人的长期生存。  60岁的张翠吉是一位有着35年教龄的退休老师。退休后的张老师并没有闲着,帮老伴打理养猪场、扭秧歌、学书法,生活很充实。  无论是精气神,身板,还是心理状态,张老师都非常过
期刊
1997年,考古学家在重庆云阳的巴人墓葬群中发现了大量奇特的墓坑,这些再次见到阳光的真实图景令人惊奇。这些墓主的遗骸旁,骇然放着成堆的散碎人骨,而且都与随葬品放在一起。这引起了人们的疑问和猜想。  这些场景都是真实的,一些杀戮者,一些被杀的人。远古的人们需要这种血腥的盛宴和舞蹈,从死亡中获得荣耀、信心。这些被时间和泥土凝固下来的图像,成为历史长河中触目惊心的闪回。  考古发现表明,早在商代初期,中
期刊
1935年,共产党人方志敏被秘密处决,烈士遗体散落何处?历史留下谜团。22年后,遗骨终于找到。然而,又过了20年,葬礼才终于举行。  “朋友!中国是生育我桐”的母亲。你们觉得这位母亲可爱吗?……  不错,目前的中国,固然是江山破做碎,国敝民穷,但谁能断言,中国没没有一个光明的前途呢?……  朋友,我相信,到那时……欢歌将代替了悲叹,笑脸将代替了哭脸,富裕将代替了贫穷,康健将代替了疾苦,智慧将代替了
期刊
最近,刘文贤越来越担心沉默孤僻的儿子嘉东。一天,儿子在窗台上随意摆放着作业本,她忍不住看了起来。本子上誊写着名为《蒲公英》的小诗:在梦中,依稀残存着家的温度;漂着,漂着,我找不到回家的路……这首诗像霹雳一样击中了刘文贤,让她发抖、心痛。原来,儿子心里什么都清楚。  1.用小诗试探父母  这首诗,是不是儿子故意给自己看的?刘文贤越想越心惊,她甚至都不敢去问问儿子。傍晚,丈夫张应洲回来了,刘文贤偷偷说
期刊
三千多年前,一条跨越西南山水通往西亚的古道,曾是经贸往来,文化交流的商旅通道,它比灿烂的“丝绸之路”还要早二百多年。    古蜀边关    2007年11月18日,四川广汉三星堆博物馆的工作人员正在布置一场特殊的展览。陈列的展品除了人们熟知的巨大青铜面具,还有其它一些奇怪的青铜器。它们并非都是三星堆博物馆的收藏,而是来自四川南部和云南地区。  这些文物被组合在一起的原因在于,它们都来自于一条古老的
期刊
在心脏外科领域挑战自我。创造一个个生命奇迹,让濒临绝境的生命重获新生。  吴清玉是清华大学第一附属医院院长、我国著名心脏外科专家。有人说他胆子大,别人不敢碰的手术他都接下来。其实在一次次自我超越的复杂手术背后是他精湛的医术和高度的责任心。  吴院长从事心脏外科手术30多年。在日常工作中几乎从来不拒绝他的病人,不管病情多么复杂,做手术有多大的风险,只要有希望他就会争取。他特别能理解病人及亲属面对病情
期刊
王守红是安徽省临泉县一位普通农民,只有小学文化程度,却依靠智慧赚了钱。他养牛,却不仅仅卖牛,还把堆积的牛粪变成了源源不断的财富。从2005年到现在,他每年卖牛粪赚十几万,全镇的牛粪经他卖了一千万。他不仅卖牛粪,还利用牛粪种蘑菇、养蚯蚓、搞沼气、做肥料。一个普通农民靠牛粪循环利用过上了幸福生活。  千真万确,王守红真的把牛粪卖出了天价。  王守红家在安徽省阜阳市临泉县,祖祖辈辈都以种田为生,王守红出
期刊