眼睛與仿生學(xué)

王谷巖

    眼睛是人和動(dòng)物的重要感覺器官。人眼從外界獲得的信息，不僅比其他感覺器官多得多，而且有些是其他感覺器官所不能獲得的。據(jù)研究，從外界進(jìn)入人腦的信息，有百分之九十以上來自眼睛。

    眼睛的基本功能是感受光的刺激、識(shí)別圖像：從外界景物來的光線，通過眼的光學(xué)系統(tǒng)投射到視網(wǎng)膜的感覺細(xì)胞上，感覺細(xì)胞把光的刺激轉(zhuǎn)換成一種電信號(hào)，而后通過視神經(jīng)傳到大腦，再經(jīng)過腦的綜合分析，人和動(dòng)物便看到了景物的形象、色彩和運(yùn)動(dòng)的狀況。

    人和各種動(dòng)物的眼睛，構(gòu)造是不同的。各種構(gòu)造不同的眼睛，功能又都有特殊的地方。研究、認(rèn)識(shí)眼睛的各種構(gòu)造和功能，可以從中得到重要的啟示。這對(duì)發(fā)展現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)有重要的意義。

    人眼的光學(xué)系統(tǒng)跟照相機(jī)是十分類似的。但跟照相機(jī)只是把外界景物的圖像映在照相軟片上不同，人眼并不是把投射到視網(wǎng)膜上的圖像一點(diǎn)不漏地傳給大腦，而是先對(duì)圖像進(jìn)行信息加工，抽取線段、角度、弧度、運(yùn)動(dòng)、色度和明暗對(duì)比等包含重要信息的簡單特征，并把它們編制成神經(jīng)密碼信號(hào)，再傳給大腦。人眼的這種信息加工原理，對(duì)于改進(jìn)某些機(jī)器的輸入裝置和自動(dòng)控制系統(tǒng)的傳送器，研制新型跟蹤和發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)，都具有十分重要的參考價(jià)值。

    人眼還可以對(duì)比周圍的景物，使人感知自身的運(yùn)動(dòng)和位置狀態(tài)，確定物體的距離、形狀和相對(duì)大小。人們由此得到啟示，研制成功了一種叫做“生物一電子位置傳送器”的“人造眼”。進(jìn)一步完善這種技術(shù)裝置，將可以用來自動(dòng)控制宇宙飛船下降階段的制導(dǎo)，選擇合適的著陸場地，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)妥的著陸；還可以控制無人駕駛探險(xiǎn)車，使它準(zhǔn)確靈活地避開障礙，選擇道路，在人跡從未到過的地方長途巡行。

    你如果看過科教片《保護(hù)青蛙》，一定會(huì)為青蛙動(dòng)作的敏捷、捕食的準(zhǔn)確而贊嘆不已。青蛙所以能夠具有這樣一套特殊本領(lǐng)，主要是因?yàn)樗幸浑p機(jī)能優(yōu)異的大眼睛。

    蛙眼對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體簡直是“明察秋毫”，而對(duì)靜止不動(dòng)的物體卻“視而不見”。這是它長期適應(yīng)特定生活環(huán)境所獲得的一套獨(dú)特本領(lǐng)。就是靠這套本領(lǐng)，青蛙才能準(zhǔn)確地捕捉食物和逃避敵害，在地球上生存了二百萬年之久。

    蛙眼能敏捷地發(fā)現(xiàn)具有特定形狀的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，準(zhǔn)確地確定目標(biāo)的位置、運(yùn)動(dòng)方向和速度，并能選擇最佳的攻擊時(shí)刻。這種機(jī)能特性，用在技術(shù)上，特別是用在軍事技術(shù)上，可以起重要的作用。根據(jù)蛙眼的視覺原理，借助于電子技術(shù)，人們制成了多種“電子蛙眼”。有一種電子蛙眼可以像真蛙眼一樣，從出示給它的各種形狀的物體當(dāng)中，識(shí)別出類似蒼蠅等昆蟲形狀的物體。這種識(shí)別圖像的能力正是雷達(dá)系統(tǒng)所需要的。不斷改進(jìn)這種電子蛙眼，并把它用到雷達(dá)系統(tǒng)中，就可以準(zhǔn)確地把預(yù)定要搜索的目標(biāo)同其他物體分開，特別是把目標(biāo)同背景分開，因而大大提高雷達(dá)系統(tǒng)的抗干擾能力，在顯示屏上顯示出十分清晰的目標(biāo)。裝有改進(jìn)了的電子蛙眼的雷達(dá)系統(tǒng)，還有可能根據(jù)導(dǎo)彈的飛行特性，輕而易舉地把真假導(dǎo)彈區(qū)分開來，使人們能夠及時(shí)地截?fù)粽鎸?dǎo)彈而不為假導(dǎo)彈所迷惑。國外已經(jīng)投入使用的一種人造衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)，也是模仿蛙眼視覺原理的。

    由于受到視野和視敏度的限制，在高空飛行的飛行員單憑肉眼很難發(fā)現(xiàn)和識(shí)別地面目標(biāo)。例如飛機(jī)在六千米高空作水平飛行時(shí)，飛行員只能看到兩側(cè)八九公里和前方一二十公里狹窄范圍內(nèi)的地面。即使在這個(gè)區(qū)域里，對(duì)比較大的目標(biāo)也不是總能準(zhǔn)確無誤地發(fā)現(xiàn)和識(shí)別的。但是，老鷹眼睛的視野卻比人眼廣闊得多。展翅翔翔于兩三千米高空的雄鷹，一下子就能發(fā)現(xiàn)地面上寬廣范圍內(nèi)的一只小兔或小雞。如果我們能夠研制出一種類似鷹眼的搜索、觀測技術(shù)系統(tǒng)，就能夠大大擴(kuò)充和提高飛行員的視野和視敏度。如果能夠研制出具有鷹眼視覺原理的“電子鷹眼”，就有可能用于控制遠(yuǎn)程激光制導(dǎo)武器的發(fā)射。如果能夠給導(dǎo)彈裝上小巧的“鷹眼系統(tǒng)”，那么它就可以像雄鷹一樣，自動(dòng)尋找、識(shí)別、追蹤目標(biāo)，做到百發(fā)百中。

    跟人和上述各種動(dòng)物的眼睛不同，另一類動(dòng)物的眼睛別具一格。例如蜻蜓的眼睛，沒有人眼的那種眼球，也不能轉(zhuǎn)動(dòng)，而是靠著頭部的轉(zhuǎn)動(dòng)朝向物體的。它的表面是一層比較硬的半透明角膜，邊緣與頭部表面融為一體。我們用顯微鏡觀察，會(huì)驚異地看到，蜻蜓的一只大眼睛竟是由兩萬多只表面呈六角形的“小眼”緊密排列組合而成的。每只小眼都自成體系，有自己的光學(xué)系統(tǒng)和感覺細(xì)胞，都能看東西。這類由幾十至幾萬個(gè)獨(dú)立小眼構(gòu)成的眼睛，叫做“復(fù)眼”。蝦、蟹、蜂、蟻、蠅等節(jié)肢動(dòng)物的眼睛都是復(fù)眼。復(fù)眼構(gòu)造的精巧、功能的奇異，在某些方面為人眼所不及。因此，復(fù)眼已成為人們極感興趣的研究對(duì)象，給了人們種種有益的啟示。

    有一種小甲蟲，叫象鼻蟲，它的眼睛是復(fù)眼，呈半球形，許多小眼排列在曲面上。在飛行中，不同的小眼是在不同的時(shí)刻看到外界同一個(gè)物體的。象鼻蟲根據(jù)各個(gè)小眼看到同一個(gè)物體的時(shí)間差以及自身在此期間飛過的距離，可以很快地“計(jì)算”出它相對(duì)于地面的飛行速度。它的眼睛竟是天然速度計(jì)。模仿象鼻蟲復(fù)眼的這種功能原理，人們研制成了一種測量飛機(jī)著陸時(shí)相對(duì)于地面的飛行速度的儀器——地速計(jì)，已經(jīng)在飛機(jī)上試用。這種地速計(jì)也可以用來測量導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的相對(duì)速度。

    太陽光本來是自然光，它的振動(dòng)均勻地分布在各個(gè)方向上。但是當(dāng)它穿過大氣層時(shí)由于受到大氣分子和塵埃顆粒等的散射，它的振動(dòng)就只分布在某個(gè)方向上，或者在某個(gè)方向上的振動(dòng)占了優(yōu)勢。這種現(xiàn)象叫做光的偏振現(xiàn)象。具有偏振現(xiàn)象的光叫做偏振光，人眼不借助于儀器是觀察不到的，但是蜜蜂、螞蟻和某些甲蟲卻可以憑借復(fù)眼看到偏振光的折動(dòng)方向，并且能夠利用天空中的太陽偏振光來導(dǎo)航，確定行動(dòng)的方向蜜蜂的復(fù)眼因?yàn)榫哂刑厥獾慕Y(jié)構(gòu)，能夠看到太陽偏振光的振動(dòng)方向，而這種方向與太陽的位置有確定的關(guān)系，所以蜜蜂能夠隨時(shí)辨別太陽的方位，確定自身的運(yùn)動(dòng)方向，準(zhǔn)確無誤地找到蜜源或回巢。人們按照蜜蜂的復(fù)眼的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，制成了一種根據(jù)天空偏振光導(dǎo)航的航海儀器——“偏光天文羅盤”。應(yīng)用這種羅盤，即使在陰云密布以及黎明或傍晚看不到太陽的時(shí)候，也不會(huì)迷失方向。特別是在不能使用磁羅盤的靠近南北兩極的高緯度地區(qū)，使用這種偏光羅盤就更顯得優(yōu)越了。

    蜻蜓和蒼蠅等的復(fù)眼的角膜，具有一種奇特的成像特點(diǎn)。剝?nèi)◎唑押蜕n蠅復(fù)眼的角膜，放在顯微鏡下觀察，盡管在角膜前面只放一個(gè)目標(biāo)，但通過角膜卻可以看到許許多多個(gè)像。這是因?yàn)檫@種復(fù)眼角膜是由許許多多個(gè)六角形的小眼角膜排列構(gòu)成，而每個(gè)小眼的角膜又都能形成一個(gè)像。人們從這里得到啟示，模仿這些昆蟲復(fù)眼角膜的結(jié)構(gòu)，用許多小的光學(xué)透鏡有規(guī)則地排列起來，制成了一種新型光學(xué)元件——“復(fù)眼透鏡”。用它作鏡頭制成的“復(fù)眼照相機(jī)”，一次就能照出千百張相同的像。這種復(fù)眼照相機(jī)已用于印刷制版和大量復(fù)制大規(guī)模集成電路中精細(xì)的顯微電路，大大提高了工效與質(zhì)量。

    上述各方面的研究工作，是進(jìn)行技術(shù)設(shè)計(jì)的一條新途徑，屬于一門新興邊緣科學(xué)——“仿生學(xué)”的研究范疇。仿生學(xué)是在生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間發(fā)展起來的，它的任務(wù)是用生物體結(jié)構(gòu)與功能的原理，去改善現(xiàn)有的或創(chuàng)造新型的機(jī)械系統(tǒng)、儀器設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)和工藝過程探索人和動(dòng)物眼睛奧秘的仿生學(xué)研究工作，稱為視覺仿生。它跟聽覺仿生、嗅覺仿生、觸覺仿生和味覺仿生一起，統(tǒng)稱為感覺仿生。感覺仿生已經(jīng)成為目前仿生學(xué)的發(fā)展重點(diǎn)。

【學(xué)習(xí)提示】

《眼睛與仿生學(xué)》是一篇根據(jù)有關(guān)材料改寫的科技說明文。文章介紹人和動(dòng)物的眼睛的不同結(jié)構(gòu)和功能及從中得到的重要啟示，使讀者對(duì)仿生學(xué)有較形象的了解。

仿生學(xué)是近一二十年發(fā)展起來的一門介于生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間的邊緣學(xué)科。它把各種生物系統(tǒng)所具有的功能原理和作用機(jī)理作為生物模型進(jìn)行研究，希望在技術(shù)創(chuàng)新中得到應(yīng)用。

說明中心：主要介紹人和動(dòng)物的眼睛的不同結(jié)構(gòu)和功能，從而向我們揭示了研究各種不同構(gòu)造和功能的眼睛，對(duì)發(fā)展仿生學(xué)、發(fā)展現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的重要意義。

【自我測試】

1、仔細(xì)閱讀下段文字，空格中應(yīng)填入的詞語是（      )。

    展翅朝翔于兩三千米高空的雄鷹，一下子就能發(fā)現(xiàn)地面上寬廣范圍內(nèi)的一只小兔或小雞。如果能夠研制出一種類似鷹眼的搜索、觀測技術(shù)系統(tǒng)，就能夠擴(kuò)大飛行員的視野，提高他們的視敏度。如果能夠研制出具有鷹眼視覺原理的“電子鷹眼”就有可能用于控制遠(yuǎn)程激光制導(dǎo)武器的發(fā)射。如果能夠給導(dǎo)彈裝上小巧的“鷹眼系統(tǒng)”，那么它就像鷹眼一樣，自動(dòng)                、               、               目標(biāo)，做到百發(fā)百中。

A.搜索    觀測    跟蹤

B.尋找    識(shí)別    追蹤

C.觀測    跟蹤    搜索

D.識(shí)別    尋找    追蹤

2、鑒別正誤，正確的一項(xiàng)是（      )。

A.仿生學(xué)是在生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間發(fā)展起來的，它的作用是用生物體結(jié)構(gòu)與功能的原理，去改善現(xiàn)有的或創(chuàng)造新型的機(jī)械系統(tǒng)、儀器設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)和工藝過程。

B.仿生學(xué)是在生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間發(fā)展起來的，它的任務(wù)是用生物體結(jié)構(gòu)與功能的原理，去改變現(xiàn)有的或創(chuàng)造新型的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、儀器設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)和工藝過程。

C.仿生學(xué)是在生物科學(xué)與物理科學(xué)之間發(fā)展起來的，它的任務(wù)是用生物體結(jié)構(gòu)與功能的原理，去改善現(xiàn)有的或創(chuàng)造新型的機(jī)械系統(tǒng)、儀器設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)和工藝過程。

D.仿生學(xué)是在生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間發(fā)展起來的，它的任務(wù)是用生物體結(jié)構(gòu)與功能的原理，去改善現(xiàn)有的或創(chuàng)造新型的機(jī)械系統(tǒng)、儀器設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)和工藝過程。

3、文章寫了多種動(dòng)物的眼睛，請(qǐng)以兩種為例簡要說明它們的特點(diǎn)。

【參考答案】

1、D

2、D

3、蛙（捕捉運(yùn)動(dòng)目標(biāo)）、鷹（視野開闊、視敏度高）、蜻蜓和蜜蜂等（復(fù)眼及其不同的特點(diǎn)）。