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动物行踪启迪军事研发者,多个让人没想到, [复制链接]

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本报特约撰稿人:都重阳

在目前的仿生学研究中,用于军事技术方面的占了重要地位。其目的是通过生物模拟来改进舰艇、飞机和战车的设计,雷达、声纳等探测装置和导航、计算等系统的改善或创新。

雷达和声纳联系大

生物的感受器不仅有高度的灵敏性、抗干扰性和可靠性,而且它小巧玲珑,耗能也少。

例如,一种叫小褐蝠的蝙蝠,能用自己的超声“雷达”发现O.18毫米粗的铁丝,但它的探测器官只有0.05克重,发射功率仅百万分之一瓦!蝙蝠能非常准确地把食物——昆虫和障碍区分开,还能同时探测几个目标的形貌和位置。即使噪声比自己发出的信号强两千倍,蝙蝠也能检测到自身“雷达”的反射信号。这种抗干扰能力是现代雷达所不及的。特别是热带水域的食鱼蝠,用超声“雷达”能探测到水面下的鱼类。要知道,此时它在空中接收到的鱼体反射信号强度仅为原来信号的一百五十万分之一。因而,蝙蝠便引起了研制雷达和发现潜水艇的仪器的军事技术人员的注意。看来,有希望模仿蝙蝠耳制造出更灵敏的雷达和雷达抗干扰装置。

海豚是一种海洋哺乳动物,它也能用超声波发现和识别目标。假如我们把几只海豚放在交混回响(由于水面和池底的反射的发声)的混水池中,再放几条鱼在水里,就会看到:虽然池水混浊不堪,能见度很差,但海豚们却纷纷向鱼扑去。每只海豚都能排除交混回响声音的干扰,借助自己的“声纳”迅速而准确地探测到许多物体的位置以及复杂的空间运动图景。

实验表明,海豚不仅能区别鱼的大小和性质,还能分辨形状不同(球状和锥状等)的物体,甚至能辨别出同样形状和大小,但材料不同的物体。即使用橡皮吸盘蒙住海豚的双眼,它们的分辨能力也丝毫不受影响。原来,海豚的“声纳”系统有类似眼的作用,所以被称为“声眼”。海豚的这种“眼”能“看”到三公里远处的鱼,比现代超声探鱼仪的探测距离还远。因此,对海豚的研究受到海军部门的重视。

识别和跟踪具有连贯性

海豚的眼睛也是很奇特的,在水里和在空气中宽有相同的视敏度(视觉的敏锐程度)。它在水里就能发现水面上空四五米高处的小物体,并能像优秀的跳高运动员一样,准确地选择起跳点,衡量跳力,一举跃出水面攫取之。

热带水域的射水鱼也有类似的本领:在水里发现空中目标后,精确确定身体的位置和姿势,并实现光线折射畸变的复杂校正,从嘴里喷射出一串水滴,将四五米远的几毫米大小的飞虫一下子击落于水面吞食之。如果你吸着香烟站在这种鱼缸旁,香烟往往被它击灭。研究和模拟这些动物眼睛的特点,有助于改善潜水员和舰艇上用的一些仪器装备。

人眼是世界上最完善的“仪器”,它在大脑的支配下具有良好的图像识别和跟踪能力。根据人的视觉研究,制造了一种“人造眼”,它可以接收影像,进行测量和传递信息。这种装置可以用于宇宙航行。另一种像人眼的传感器,不需要扫描,能连续搜索和跟踪多个目标。毫无疑问,它将被用来探测和跟踪导弹。人们还在研究人的空间视觉,以研制一种景深自动测量仪,用来分析航空照片,或自动“绘制”立体地形图。

动物感觉器官的研究和模拟,是仿生学的一个重要领域。这是改善机器输入装置,自动调节系统中高灵敏度的传送器,或研制崭新原理的导航、跟踪和探测系统的迫切需要。在这方面现已获得一些新的成果。例如,根据青蛙迅速辨认活动目标的原理制造的电子蛙眼,已被用来预防飞机碰撞和跟踪人造地球卫星。

同样,可以迅速辨识导弹的系统,以缩短弹道计算的时间。也可以研制一种电子系统,使武器的火力集中于目标。

鸽子的眼睛具有发现定向运动目标的性质,根据这一启示又可设计一种无线电定位系统,以发现向指定方向(如向空军机场)飞行的飞机。

鲎眼具有突出被观察物体边框的能力。模拟的电子鲎眼可使雷达的灵敏度得到提高,或使模糊的航空照片变得清晰起来。

甲虫的复眼是特别的“速度计”,根据运动目标在各个小眼中先后出现的时间,甲虫便知道了目标的速度。据此制造的飞机地速计正在试用。这是在飞机前部安上两个成一定角度的光电接收器,它们依次接收位于飞机航线上同一地面目标的光信号,根据高度和时间差,便能计算出飞机对地面的速度。同样也可用来测量导弹进攻目标的速度。

动物界有不少杰出的“导航能手”,如鸟、鱼、鲸和海龟等,它们在空中飞行或海上航行几千公里,乃至万余公里也不迷航,这对我们研制导航仪又会提供不少宝贵的启示。作为仿生学第一批成果,模仿蚊、蝇等楫翅的振动陀螺仪已用于超音速飞机和导弹。这种导航仪没有普通陀螺仪的高速转子,因而几乎没有摩擦,显得灵敏而稳定。模仿蜜蜂复眼的偏光罗盘也已用于航海和航空,即使阴天它也能根据太阳定出方位。

此外,根据草原动物听觉的特点,人们改进了无线电定位器天线的安装。雄蚊是根据雌蚊飞行时翅膀发出的声音定向的。这种被动式定向原理启发人们设计了一种新型定向仪,它体积小、造价低,可用来定位雾角(警告雾中船只的号角)信号,跟踪鱼群和潜水员的定向。

研究动物的听觉系统也大有益处,如对夜蛾等动物听觉的研究,就有助于我们提高通信系统的抗干扰能力。

新奇的坦克

近来,坦克设计师们提出了一种新奇的设计:以双壳贝壳作样板,设计出来的坦克炮塔具有很好的流线型。坦克车内的武器装备是按软体动物的消化器官排列的,因此达到了很紧密的程度。像软体动物吃食物那样,弹药从弹药盒进入炮塔,然后沿着类似食道的送弹槽,弹药被送到炮的后身(尾部)。尾部类似软体动物的胃,周围的药室(收集和排出射击时形成的火药气)类似消化腺。在像贝壳的顶盖下,有两个供坦克乘员半躺的座椅。于是在解决现代坦克制造中很重要的问题,即减小坦克的高度方面,便取得了显著的效果。

为了提高坦克的通行能力,有人模仿某些虫子一屈一伸的运动方式,提出了一种轻型坦克行走部分的设计:坦克的底盘上有两对大滚子,其中每个都有自己的燃料箱和动力系统。滚子成对地排列在两个大梁末端,大梁用铰链固定在车身上。发动机有两种工作状态:在第一种状态时,滚子完成轮子的功能。由于它们的直径大,表面宽,就能越过大的障碍。在第二种状态时,坦克驾驶员将前滚子制动,开动后滚子大梁折叠;后滚子前进,然后制动后滚子,大梁伸展,前滚子运动,坦克前进。这样的推进系统可用于战斗机动:把坦克隐蔽在掩体后,升起炮塔,射击后再隐蔽起来。

舰艇和飞机

在造船、航海和海军活动方面,游弋于辽阔海洋中的许多“游泳能手”,可以给我们提供一些启示。例如,海豚的游泳速度很高,每小时可达70公里。它不仅有很好的流线型体型,而且其皮肤还有特殊的构造。

有一种核潜艇的原型艇,其比例和轮廓都类似海豚的体型,因而获得了较快的速度。试验表明,如果用橡胶和硅树脂液体制成一种“人造海豚皮”,将其包裹在小型船只和鱼雷的外壳上,在水中的阻力便大大降低。

除海豚外,其他鲸类和某些鱼类的游泳速度也很快。现已制造出水下部分类似鲸体型的一种轮船,它受到的水阻力可减小20%左右。还有人仿照鱼身上的粘液制造了几种液体,倘若涂在船上阻力就随之下降。

近来又出现了一些船用发动机的设计方案,它们在一定程度上模仿了鱼类的运动方式。

此外,鱼在运动时会产生一种特殊的弯曲波,借以提高游泳速度,一旦揭示了其中的奥秘,人们就可据此仿造出高速舰艇。

对游泳生物和飞行生物的研究,也将有助于现代航空的发展。鸟类的翅膀很善于飞行,翅膀上的小翼,前缘和上侧的辅助结构,以及翅端裂开的“缝翼”,使鸟类飞行时升力大,阻力小,而且能防侧滑。这对工程有一定参考价值。人们已模仿海鸟的翼尖形状,造出具有锥形弯曲机翼的飞机,它的稳定性很大。

蝙蝠(哺乳类动物)虽然不是鸟类,但在空中也能飞行自如。根据蝙蝠翅膀制造的“蝙蝠翼”是一种着陆设备,它可以和降落伞一样折叠起来备用;但用起来比现在的降落伞更机动,可以选择着陆地点。

人们不难发现,现代飞机的机身按长度和粗细比例并不是最好的流线型,如果把机身加粗,改成类似海豚或鲔鱼形状,于是飞机一下子变成了很好的流线型,随着底舱的变大,又可在其间安装升力发动机,以发展垂直起落飞机,真是一举两得!

可靠性和微小型化

对军事技术来说,可靠性是个大问题。所谓可靠性,是指在一定时期内和在一定使用条件下,技术系统以应有的精确性、效率等完成指定工作的能力。假定防卫某个地区需要可靠性0.(即出现故障的可能性为0.O)的防空导弹枚,如果导弹的可靠性只有0.(即出现故障的可能性为0.),防卫该地区就需要原来数量的倍——10万枚!

一般来说,现代技术系统的可靠性并不是很高,所以在电子计算机驾驶的机车里,还得有人“以防万一”。但生物在亿万年的进化过程中,获得了高度的可靠性。人脑每小时有个神经元衰亡,活岁就损失10亿个神经元,但只占人脑神经元总数的十分之一,故仍能正常思维。这不仅因为人脑神经元有一定储备量,而且还因为它们有特殊的联接和功能方式。仿照生物的这一原理,已制造出类似神经元联接的储备线路。为了保证与普通线路同样的可靠性,只要求原来二百分之一的元件,而且每个元件的可靠性可低至原来的十分之一。这样的试验线路在百分之五十元件发生故障时仍能可靠地工作。

飞机、人造卫星、潜水艇的设计人员还常碰到这样的情况,即所载仪器重量每增加1公斤,就必须多载几十甚至几百公斤燃料。因此,要提高可靠性,还要缩小元件的尺寸,减轻重量,增大元件本身的可靠性。这就需要向微小型化发展。人脑是微小型化最好的模型:它有~亿神经元,但只有1.5立方分米大,耗能1O瓦。现已制造出许多种神经元电子模型和物理化学模型。由一定数量的人造神经元构成的自动驾驶仪模型,可靠性就比一般自动驾驶仪提高1倍。

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