再先进的无人机,也模拟不出苍蝇的高端走位

原点阅读 2022/11/19 18:02:02 责编:远生

阿兰・图灵(Alan Turing,1912—1954)作为一名数学家,对自然界中那些规律性重复图案的形成产生了兴趣。

他于 1952 年发表了《形态发生的化学基础》,提出,自然界的许多生物如斑马、猎豹、贝壳上自然形成的斑纹图像,可能是由两种特定的物质(可以是分子层次、染色体层次或细胞层次),相互“反应”和“扩散”交替作用产生的,也就是按照一个被称为“反应 - 扩张”的模型,这两种组分将会自发地、自组织形成斑纹、环纹、螺旋或斑驳的斑点等结构,此被称为“图灵结构”。

仿生联想与“图灵结构”图

牛津大学数学生物学名誉教授詹姆斯・莫里(JamesMurry)曾对这一现象打了一个有趣的比方,要想直观地了解反应扩展模型是如何工作的,可以设想有一片干草地,上面有大量的蚱蜢,草地上发生了阴燃,火势正慢慢蔓延到整个草场。蚱蜢们被窒息了,大部分留在原地,当火蔓延到每个蚱蜢附近时,由于蚱蜢体内水分蒸发,充当了局部灭火剂。由于火的氧化反应与蚱蜢体内的水分蒸发扩散及其他各种参数相互作用的巧妙搭配,燃烧后的草地上出现不同的黑 - 黄色、近程无序远程有序的斑块。这就把“图灵结构”的生成作了形象的解释。

在对这一生物斑纹形成机制的研究中,我们能否得到联想启示,由人工合成类似的物质?2018 年《科学》杂志报道,研究人员把哌嗪和均苯三甲酰氯两种小分子物质,分别溶解于水和油中,两种小分子在水、油相交接界面处发生聚合反应,因扩散速度与反应速度的大小交替,几秒钟内在界面形成一层平滑的高分子薄膜,致密层厚度约为 100 纳米。通过向聚合反应中添加聚乙烯醇,调整哌嗪的扩散速度,最终制成一张具有纳米尺度的、有“图灵结构”的高分子斑纹膜。作为一种新型纳滤膜,这种膜材料,可用于饮用水的深度净化,如咸水淡化、工业水回收等领域,制净水的速度可以较传统的纳滤膜提高三、四倍,这也是一种从自然现象联想进行有效发明创新的实例。

仿生学研究常常引发出许多奇思妙想。大家看到一只苍蝇轻快地转身,倒挂在天花板上,不觉得是一件新鲜事。然而多年来,科学家一直没有能搞清楚,这类昆虫是如何完成这一空中特技的,即使现代无人机也无法与苍蝇的复杂降落技巧相媲美。探索这一奥秘,可以帮助机器人、飞行员模拟昆虫独特飞行动作,更是一项引人入胜的研究工作。

苍蝇如何着陆

据《中国科学报》报道,为了制造能够模仿昆虫运动的机器,美国宾夕法尼亚州立大学机械工程师 Bo Cheng 和其团队,使用高速摄像机拍摄并分析了 20 多只绿头苍蝇在一个飞行舱内倒立着着陆的场景。

苍蝇降落的方式是多种多样的。有些苍蝇会先把自己的前腿放在物体表面上,就像后空翻一样,然后再把身体摆到位;有的着陆方式看起来更像侧翻滚筒。

研究团队发现,苍蝇主要依靠视觉线索来完成这些动作。当苍蝇看到它即将与天花板相撞时,必须在 50 毫秒内决定自己如何倒转身体并用脚抓住天花板或者飞离。

Cheng 和他的同事在 2019 年 10 月 23 日出版的《科学进展》上报告了这一研究成果。还描述了 15 次失败的着陆,说明最敏捷的苍蝇有时也会犯错。

研究者认为,这项跨物种(苍蝇、蚊子、蜜蜂)飞行动作的研究,只是刚刚起步,希望用苍蝇来教机器人模仿苍蝇的滚筒等飞行技能,就像让孩子模仿父母一样。仿生学的研究既充满了挑战,又充满了乐趣。

类似的仿生联想发明还有:化学武器。虽然化学武器现在已被国际禁用,但在它最初的发展过程中也曾受到生物机制的启示,由联想而得到改进。鲜为人知的一个事实是,化学气体储存于钢瓶之中,长期存储不用,会导致阀门等装置锈蚀严重,没有办法正常使用,从而变成一个烫手的山芋。

为了解决这一难题,研究人员由一种“气步甲虫”处得到启示。他们发现在甲虫的身上分别有两个小囊,分别储存有对苯醌 O O 和双氧水(H2O2),两者都不是有害物质。

甲虫在撕咬其他生物时,两个囊同时放射出两种化学物质,瞬间反应,生成剧毒物质以击退敌人。由于此机制的联想,科学家发明了二元化学武器,就是分别在两个容器中存储非毒物质,而在使用时让两种物质混合,瞬间合成为化学武器,从而解决了原有化学武器存储的问题。

当然,对这样一种联想的发明如何评价?这是不是一个有害社会的发明?是否对化学武器的监控、核查制造了困难?这个问题考验着人类的文明和道德水平,也考验着创新发明的评价体系。

来源:《科技创新启示录:创新与发明大师轶事》
作者:金涌
清华大学出版社
部分图片来源于网络版权归原作者所有

★ 作者简介 ★

金涌,清华大学化学工程系教授;中国工程院院士;1959 年毕业于苏联乌拉尔工业大学,1959—1973 年在中国科技大学任教,1973—2019 年在清华大学任教至退休;专业方向为化学反应工程、生态工业工程,近年来热心科学普及工作。现任中国化工学会、中国颗粒学会常务理事,中国生态经济学会副理事长,工业生态经济与技术专业委员会主任,清华大学产业创新与金融研究院顾问;曾任第四、五、六届国务院学位委员会学科评议组成员并化工组召集人,第三~ 六届北京市政府专业顾问。曾荣获国家科技进步奖、国家发明奖各 1 项,美国化学工程师协会(AIChE)讲座教授奖;曾荣获全国五一劳动奖章、全国劳动模范、全国优秀教师奖、光华工程科技奖,以及“典赞・2016 科普中国十大科学传播人物”等荣誉。

★ 作品介绍 ★

这是一本关于创新的普及读物。在本书中,作者把自己对创新的理解和领悟,用“接地气”的方式向公众做了通俗的解释;其中穿插了创新与发明大师的上百个故事,将本该抽象、晦涩而又复杂的内容,转化为一个个形象而又生动的画面,从中传递出创新的激情和凝练的启示。在当前大力建设创新型国家的大变革时代,在我们国家正在从经济大国迈向经济强国的转折时期,作者期待这本书能对激流勇进的青少年读者、对踯躅于发明创造门槛的各行业的探索者,以及渴望开创变革新局面的领导干部和公务员们,都能有所裨益。

本文来自微信公众号:原点阅读 (ID:tupydread),作者:金涌

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关键词:苍蝇科普常识

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