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眼睛與仿生學

王谷巖

    眼睛是人和動物的重要感覺器官。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。據研究，從外界進入人腦的信息，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、識別圖像：從外界景物來的光線，通過眼的光學系統(tǒng)投射到視網膜的感覺細胞上，感覺細胞把光的刺激轉換成一種電信號，而后通過視神經傳到大腦，再經過腦的綜合分析，人和動物便看到了景物的形象、色彩和運動的狀況。

    人和各種動物的眼睛，構造是不同的。各種構造不同的眼睛，功能又都有特殊的地方。研究、認識眼睛的各種構造和功能，可以從中得到重要的啟示。這對發(fā)展現代科學技術有重要的意義。

    人眼的光學系統(tǒng)跟照相機是十分類似的。但跟照相機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膜上的圖像一點不漏地傳給大腦，而是先對圖像進行信息加工，抽取線段、角度、弧度、運動、色度和明暗對比等包含重要信息的簡單特征，并把它們編制成神經密碼信號，再傳給大腦。人眼的這種信息加工原理，對于改進某些機器的輸入裝置和自動控制系統(tǒng)的傳送器，研制新型跟蹤和發(fā)現系統(tǒng)，都具有十分重要的參考價值。

    人眼還可以對比周圍的景物，使人感知自身的運動和位置狀態(tài)，確定物體的距離、形狀和相對大小。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”。進一步完善這種技術裝置，將可以用來自動控制宇宙飛船下降階段的制導，選擇合適的著陸場地，并實現穩(wěn)妥的著陸；還可以控制無人駕駛探險車，使它準確靈活地避開障礙，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《保護青蛙》，一定會為青蛙動作的敏捷、捕食的準確而贊嘆不已。青蛙所以能夠具有這樣一套特殊本領，主要是因為它有一雙機能優(yōu)異的大眼睛。

    蛙眼對運動的物體簡直是“明察秋毫”，而對靜止不動的物體卻“視而不見”。這是它長期適應特定生活環(huán)境所獲得的一套獨特本領。就是靠這套本領，青蛙才能準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)現具有特定形狀的運動目標，準確地確定目標的位置、運動方向和速度，并能選擇最佳的攻擊時刻。這種機能特性，用在技術上，特別是用在軍事技術上，可以起重要的作用。根據蛙眼的視覺原理，借助于電子技術，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中，識別出類似蒼蠅等昆蟲形狀的物體。這種識別圖像的能力正是雷達系統(tǒng)所需要的。不斷改進這種電子蛙眼，并把它用到雷達系統(tǒng)中，就可以準確地把預定要搜索的目標同其他物體分開，特別是把目標同背景分開，因而大大提高雷達系統(tǒng)的抗干擾能力，在顯示屏上顯示出十分清晰的目標。裝有改進了的電子蛙眼的雷達系統(tǒng)，還有可能根據導彈的飛行特性，輕而易舉地把真假導彈區(qū)分開來，使人們能夠及時地截擊真導彈而不為假導彈所迷惑。國外已經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)現和識別地面目標。例如飛機在六千米高空作水平飛行時，飛行員只能看到兩側八九公里和前方一二十公里狹窄范圍內的地面。即使在這個區(qū)域里，對比較大的目標也不是總能準確無誤地發(fā)現和識別的。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)現地面上寬廣范圍內的一只小兔或小雞。如果我們能夠研制出一種類似鷹眼的搜索、觀測技術系統(tǒng)，就能夠大大擴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程激光制導武器的發(fā)射。如果能夠給導彈裝上小巧的“鷹眼系統(tǒng)”，那么它就可以像雄鷹一樣，自動尋找、識別、追蹤目標，做到百發(fā)百中。

    跟人和上述各種動物的眼睛不同，另一類動物的眼睛別具一格。例如蜻蜓的眼睛，沒有人眼的那種眼球，也不能轉動，而是靠著頭部的轉動朝向物體的。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，有自己的光學系統(tǒng)和感覺細胞，都能看東西。這類由幾十至幾萬個獨立小眼構成的眼睛，叫做“復眼”。蝦、蟹、蜂、蟻、蠅等節(jié)肢動物的眼睛都是復眼。復眼構造的精巧、功能的奇異，在某些方面為人眼所不及。因此，復眼已成為人們極感興趣的研究對象，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刻看到外界同一個物體的。象鼻蟲根據各個小眼看到同一個物體的時間差以及自身在此期間飛過的距離，可以很快地“計算”出它相對于地面的飛行速度。它的眼睛竟是天然速度計。模仿象鼻蟲復眼的這種功能原理，人們研制成了一種測量飛機著陸時相對于地面的飛行速度的儀器——地速計，已經在飛機上試用。這種地速計也可以用來測量導彈攻擊目標的相對速度。

    太陽光本來是自然光，它的振動均勻地分布在各個方向上。但是當它穿過大氣層時由于受到大氣分子和塵埃顆粒等的散射，它的振動就只分布在某個方向上，或者在某個方向上的振動占了優(yōu)勢。這種現象叫做光的偏振現象。具有偏振現象的光叫做偏振光，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眼看到偏振光的折動方向，并且能夠利用天空中的太陽偏振光來導航，確定行動的方向蜜蜂的復眼因為具有特殊的結構，能夠看到太陽偏振光的振動方向，而這種方向與太陽的位置有確定的關系，所以蜜蜂能夠隨時辨別太陽的方位，確定自身的運動方向，準確無誤地找到蜜源或回巢。人們按照蜜蜂的復眼的結構特點和工作原理，制成了一種根據天空偏振光導航的航海儀器——“偏光天文羅盤”。應用這種羅盤，即使在陰云密布以及黎明或傍晚看不到太陽的時候，也不會迷失方向。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。

    蜻蜓和蒼蠅等的復眼的角膜，具有一種奇特的成像特點。剝取蜻蜓和蒼蠅復眼的角膜，放在顯微鏡下觀察，盡管在角膜前面只放一個目標，但通過角膜卻可以看到許許多多個像。這是因為這種復眼角膜是由許許多多個六角形的小眼角膜排列構成，而每個小眼的角膜又都能形成一個像。人們從這里得到啟示，模仿這些昆蟲復眼角膜的結構，用許多小的光學透鏡有規(guī)則地排列起來，制成了一種新型光學元件——“復眼透鏡”。用它作鏡頭制成的“復眼照相機”，一次就能照出千百張相同的像。這種復眼照相機已用于印刷制版和大量復制大規(guī)模集成電路中精細的顯微電路，大大提高了工效與質量。

    上述各方面的研究工作，是進行技術設計的一條新途徑，屬于一門新興邊緣科學——“仿生學”的研究范疇。仿生學是在生物科學與技術科學之間發(fā)展起來的，它的任務是用生物體結構與功能的原理，去改善現有的或創(chuàng)造新型的機械系統(tǒng)、儀器設備、建筑結構和工藝過程探索人和動物眼睛奧秘的仿生學研究工作，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。感覺仿生已經成為目前仿生學的發(fā)展重點。

【學習提示】

《眼睛與仿生學》是一篇根據有關材料改寫的科技說明文。文章介紹人和動物的眼睛的不同結構和功能及從中得到的重要啟示，使讀者對仿生學有較形象的了解。

仿生學是近一二十年發(fā)展起來的一門介于生物科學與技術科學之間的邊緣學科。它把各種生物系統(tǒng)所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究，希望在技術創(chuàng)新中得到應用。

說明中心：主要介紹人和動物的眼睛的不同結構和功能，從而向我們揭示了研究各種不同構造和功能的眼睛，對發(fā)展仿生學、發(fā)展現代科學技術的重要意義。

【自我測試】

1、仔細閱讀下段文字，空格中應填入的詞語是（      )。

    展翅朝翔于兩三千米高空的雄鷹，一下子就能發(fā)現地面上寬廣范圍內的一只小兔或小雞。如果能夠研制出一種類似鷹眼的搜索、觀測技術系統(tǒng)，就能夠擴大飛行員的視野，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程激光制導武器的發(fā)射。如果能夠給導彈裝上小巧的“鷹眼系統(tǒng)”，那么它就像鷹眼一樣，自動                、               、               目標，做到百發(fā)百中。

A.搜索    觀測    跟蹤

B.尋找    識別    追蹤

C.觀測    跟蹤    搜索

D.識別    尋找    追蹤

2、鑒別正誤，正確的一項是（      )。

A.仿生學是在生物科學與技術科學之間發(fā)展起來的，它的作用是用生物體結構與功能的原理，去改善現有的或創(chuàng)造新型的機械系統(tǒng)、儀器設備、建筑結構和工藝過程。

B.仿生學是在生物科學與技術科學之間發(fā)展起來的，它的任務是用生物體結構與功能的原理，去改變現有的或創(chuàng)造新型的機構系統(tǒng)、儀器設備、建筑結構和工藝過程。

C.仿生學是在生物科學與物理科學之間發(fā)展起來的，它的任務是用生物體結構與功能的原理，去改善現有的或創(chuàng)造新型的機械系統(tǒng)、儀器設備、建筑結構和工藝過程。

D.仿生學是在生物科學與技術科學之間發(fā)展起來的，它的任務是用生物體結構與功能的原理，去改善現有的或創(chuàng)造新型的機械系統(tǒng)、儀器設備、建筑結構和工藝過程。

3、文章寫了多種動物的眼睛，請以兩種為例簡要說明它們的特點。

【參考答案】

1、D

2、D

3、蛙（捕捉運動目標）、鷹（視野開闊、視敏度高）、蜻蜓和蜜蜂等（復眼及其不同的特點）。