人们学习动物的能力,并且把它们应用在生产生活中,这就是仿生学。在航空航天事业发展中,很多发明其实都效仿了各种自然生物。
航天服效仿小龙虾、长颈鹿
众所周知,航天员能顺利出舱完成各项任务,全靠航天服的保护。航天服能为航天员提供一个类似地球的环境,防止真空、高低温、太阳辐射和微流星等环境因素的危害。
航天服除了要求安全系数高,还需要拥有很好的灵活度。关节部位是航天服设计中的一大难点,如果太硬,航天员难以活动;如果太软,又无法达到防护效果。在设计新一代“飞天”航天服时,我国航天工程师在吃小龙虾时,从虾尾既坚硬又灵活的鳞片结构中,获得了意想不到的灵感。
小龙虾全身大部分都是坚硬的外壳,却不影响它任意弯曲,而且它在水中十分灵活。原来它身上有一种鳞片层叠的结构,将坚硬的躯壳和柔软的组织完美结合在一起,才让它如此灵活。于是工程师在航天服关节处,设计了类似虾尾鳞片的层叠结构,同时使用气密轴承,让航天服严格保证气密性的同时,使关节活动自如。
此外,当航天器升空时,速度非常快,压力是人体无法承受的。而科学家发现,长颈鹿的血液通过长长的颈部输送到头部时,不会发生脑出血现象。于是,通过对长颈鹿的研究,科学家研制出适合航天飞行的抗荷服。当飞船飞行速度增加时,抗荷服可以充入一定量的气体,从而对血管产生一定压力,这样可以让航天员的血压保持正常。同时,航天员腹部以下部位,要套入抽去空气的密封装置中,这样可以降低腿部的血压,有利于身体上部血液向下输送。
太空导航,灵感来自苍蝇
在宇宙中,因为缺少定位标,有时航天器会偏离航向,飞上错误的轨道。这个问题如何解决?科学家注意到苍蝇不用跑道就能直接起飞,经过研究发现,苍蝇后面一对翅膀已经退化,并形成了一对哑铃状的小棒,这就是楫翅。
楫翅是苍蝇飞行时的天然导航仪,苍蝇飞行时,楫翅迅速振动,一旦身体倾斜或偏离航向,楫翅就会扭转、振动,并向大脑发出信号。这时大脑会即刻调整有关肌肉,纠正偏离的航向,保持身体平衡。
科学家根据苍蝇楫翅的导航原理,成功研制出一种音叉式振动的陀螺仪,并将它安装在高速飞行的火箭、飞机或其他航天器上,以自动纠正偏转的航向,保持正确的轨道。
苍蝇的复眼包含4 千只可以独立成像的小眼,几乎可以360 度看到物体。受其启发,由1300 多个小镜头组成的“飞眼”相机,一次可拍摄1300 多张高分辨率照片,在航天领域得到广泛应用。
当飞机高速飞行时,常会剧烈震动,有时甚至会折断机翼而发生事故。而蜻蜓的每只翅膀前沿,都有一块加厚的深色角质层或色素斑,称为“翅痣”。依靠加重的翅痣,蜻蜓在高速飞行时安然无恙。于是,人们效仿蜻蜓,在飞机两翼加上了长方形金属板,作为抗震颤装置,解决了高速飞行引起震动这个棘手问题。
卫星调温原理来自蝴蝶
研究发现,蝴蝶的鳞片具有巧妙调节体温的作用。在炎热的盛夏,当太阳光直射到蝴蝶身上时,它的鳞片会自动张开,以减小太阳光的辐射角度,从而减少对阳光热能的吸收;当气温下降时,鳞片又会自动闭合,紧贴体表,使阳光直射到身上,以便吸收更多热量。
人造地球卫星在太空飞行时,会受到太阳光的强烈辐射,向阳一面的温度可高达200 摄氏度,而背阴一面会降到零下200 摄氏度。这样,卫星装备上的各种精密仪器、仪表很容易被烧坏或冻裂,加上温差极大,很多仪器测量也会不精准。
科学家模仿蝴蝶鳞片的功能,为人造地球卫星设计出一种高效率的调控温度装置,使卫星部分表面也有和蝴蝶一样的鳞片。当太阳直射而使其温度很高时,鳞片便会自动打开,并转换一个角度,这样就大大减少了对太阳能的吸收,使卫星温度不会太高。当外界气温下降时,鳞片便会自动闭合并紧贴体表,以吸收更多太阳能,使卫星温度不会降得太低。
此外,蝴蝶翅膀上柔软的外膜和血管时紧时松,使其能在任何飞行阶段收放自如。工程师效仿蝴蝶这一结构特征,尝试在机翼设计中,采用小型可移动表面及灵活的内部组件,从而提高飞行效率。
蜜蜂与导航偏光罗盘
蜜蜂在无数花朵上采蜜,从来不会迷路,这是为什么?原来,在各个方向振动的太阳光,被大气层折射和反射后,会变成某个方向占优势的偏振光,蜜蜂就是利用偏振光来确定太阳方位的。
蜜蜂有一双复眼,每只眼睛都由6300 只小眼组成,由于复眼的特殊构造和特殊功能,使它们对偏振光很敏感,即使乌云密布,它们也能根据太阳方位的变化,进行时间校正,外出采蜜和回巢从来不会迷失方向。在此启示下,科学家研制出偏光罗盘,无论是烟雾弥漫的白天,还是伸手不见五指的黑夜,无论是海面还是夜空,这种罗盘都能使轮船和一些航天器保持正确的航向。
蜂窝由一个个排列整齐的六边形小蜂房组成。事实上,蜂窝并不是一个纯粹的六棱镜,而是一个底部由3 个菱形组成的“尖顶六棱柱形”。
为了使航天器能达到足够的速度,运载火箭必须提供相当大的推力。航天器重量越轻,运载火箭的“负担”就越轻,航天器就可以飞得越高越远。为了减轻航天器的重量,科学家从蜂窝结构中得到了灵感。在制造飞船时,首先将金属材料做成蜂窝状,然后用两块金属板夹住,形成蜂窝状结构。这种结构的飞船容量大、强度高、重量轻,不易传导声音和热量。因此,当今的航天器和其他飞行器都普遍采用这种蜂窝结构。
航天技术打造仿生毛毛虫
在火箭生产制造以及发射前的准备工作中,如何对狭小区域内的多余物、设备状态进行查看,一直是个难题。我国科学家发明了一款尺蠖仿生机器人,有望解决这一难题。
尺蠖就是我们所说的毛毛虫。这款机器人通过电能驱动机械运动,模拟毛毛虫“收缩—展开”的爬行动作,实现弯曲、扭转等大幅变形,具备更强的环境适应能力,后续经过改进,还能通过陡峭或上下起伏的路径,完成各种角度的转弯、掉头等动作。
未来,这款机器人还可搭载微型摄像头、红外线等传感设备,在管道、发动机内部等狭小或有毒危险环境下,完成检测、废墟救援等工作,应用前景十分广阔。
(摘自《齐鲁晚报》,宫可可图)
