眼睛与仿生学(1)
王谷岩
一、要点提示
这是一篇介绍仿生学的一个分支一一视觉仿生学的说明文。主要介绍人和动物的眼睛的不同结构和功能,从而向我们揭示了研究各种不同构造和功能的眼睛,对发展仿生学、发展现代科学技术都有重要意义。
文章的说明对象是眼睛,而人和动物的各种眼睛的构造多种多样。要把繁复的内容介绍得有条不紊,确定说明的顺序就显得非常重要了。
学习本文,可以把文章的说明顺序作为重点,看看作者是怎样由一般到个别,由简单到复杂地对人和动物的各种眼睛的构造、功能以及在仿生学中的意义一一介绍的。
眼睛是人和动物的重要感觉器官。人眼从外界获得的信息,不仅比其他感觉器官多得多,而且有些是其他感觉器官所不能获得的。据研究,从外界进入人脑的信息,有90%以上来自眼睛。
眼睛的基本功能是感受光的刺激、识别图像:从外界景物来的光线,通过眼的光学系统投射到视网膜的感觉细胞上,感觉细胞把光的刺激转换成一种电信号,而后通过视神经传到大脑,再经过脑的综合分析,人和动物便看到了景物的形象、色彩和运动的状况。
人和各种动物的眼睛,构造是不同的。各种构造不同的眼睛,功能又都有特殊的地方。研究、认识眼睛的各种构造和功能,可以从中得到重要的启示。这对发展现代科学技术有重要的意义。
人眼的光学系统跟照相机是十分类似的。但跟照相机只是把外界景物的图像映在照相软片上不同,人眼并不是把投射到视网膜上的图像一点不漏地传给大脑,而是先对图像进行信息加工抽取线段、角度、弧度、运动、色度和明暗对比等包含重要信息的简单特征,并把它们编制成神经密码信号,再传给大脑。人眼的这种信息加工原理,对于改进某些机器的输入装置和自动控制系统的传送器,研制新型跟踪和发现系统都具有十分重要的参考价值。
人眼还可以对比周围的景物,使人感知自身的运动和位置状态,确定物体的距离、形状和相对大小。人们由此得到启示,研制成功了一种叫做“生物——电子位置传送器”的“人造眼”。进一步完善这种技术装置,将可以用来自动控制宇宙飞船下降阶段的制导,选择合适的着陆场地,并实现稳妥的着陆;还可以控制无人驾驶探险车,使它准确灵活地避开障碍,选择道路,在人迹从未到过的地方长途巡行。
你如果看过科教片《保护青蛙》,一定会为青蛙动作的敏捷、捕食的准确而赞叹不已。青蛙所以能够具有这样一套特殊本领,主要是因为它有一双机能优异的大眼睛。
蛙眼对运动的物体简直是“明察秋毫”,而对静止不动的物体却“视而不见”。这是它长期适应特定生活环境所获得的一套独特本领。就是靠这套本领,青蛙才能准确地捕捉食物和逃避敌害,在地球上生存了200万年之久。
蛙眼能敏捷地发现具有特定形状的运动目标,准确地确定目标的位置、运动方向和速度,并能选择最佳的攻击时刻。这种机能特性,用在技术上,特别是用在军事技术上,可以起重要的作用。根据蛙眼的视觉原理,借助于电子技术,人们制成了多种“电子蛙眼”。有一种电子蛙眼可以像青蛙眼一样,从出示给它的各种形状的物体当中,识别出类似苍蝇等昆虫形状的物体。这种识别图像的能力正是雷达系统所需要的。不断改进这种电子蛙眼,并把它用到雷达系统中,就可以准确地把预定要搜索的目标同其他物体分开,特别是把目标同背景分开,因而大大提高雷达系统的抗干扰能力,在显示屏上显示出十分清晰的目标。装有改进了的电子蛙眼的雷达系统,还有可能根据导弹的飞行特性,轻而易举地把真假导弹区分开来,使人们能够及时地截击真导弹而不为假导弹所迷惑。国外已经投人使用的一种人造卫星跟踪系统,也是模仿蛙眼视觉原理的。
由于受到视野和视敏度的限制,在高空飞行的飞行员单凭肉眼很难发现和识别地面目标。例如飞机在6000米高空作水平飞行时,飞行员只能看到两侧八九公里和前方一二十公里狭窄范围内的地面。即使在这个区域里,对比较大的目标也不是总能准确无误地发现和识别的。但是,老鹰眼睛的视野却比人眼广阔得多。展翅翱翔于两三千米高空的雄鹰,一下子就能发现地面上宽广范围内的一只小兔或小鸡。如果我们能够硏制出一种类似鹰眼的搜索、观测技术系统,就能够扩大和提高飞行员的视野,提高他们的视敏度。如果能够研制出具有鹰眼视觉原理的“电子鹰眼”,就有可能用于控制远程激光制导武器的发射。如果能够给导弹装上小巧的“鹰眼系统”,那么它就可以像雄鹰一样,自动寻找、识别、追踪目标,做到百发百中。
跟人和上述各种动物的眼睛不同,另一类动物的眼睛别具一格。例如蜻蜓的眼睛,没有人眼的那种眼球,也不能转动,而是靠着头部的转动朝向物体的。它的表面是一层比较硬的半透明角膜,边缘与头部表面融为一体。我们用显微镜观察,会惊异地看到,蜻蜓的一只大眼睛竟是由两万多只表面呈六角形的“小眼”紧密排列组合而成的。每只小眼都自成体系,有自己的光学系统和感觉细胞,都能看东西。这类由几十至几万个独立小眼枃成的眼睛,叫做“复眼”。虾、蟹、蜂、蚁、蝇等节肢动物的眼睛都是复眼。复眼构造的精巧、功能的奇异,在某些方面为人眼所不及。因此,复眼已成为人们极感兴趣的研究对象给了人们种种有益的启示。
有一种小甲虫,叫象鼻虫,它的眼睛是复眼,呈半球形,许多小眼排列在曲面上。在飞行中,不同的小眼是在不同的时刻看到外界同一个物体的。象鼻虫根据各个小眼看到同一个物体的时间差以及自身在此期间飞过的距离,可以很快地“计算”出它相对于地面的飞行速度。它的眼睛竟是天然速度计。模仿象鼻虫复眼的这种功能原理,人们研制成了一种测量飞机着陆时相对于地面的飞行速度的仪器—地速计,已经在飞机上试用。这种地速计也可以用来测量导弹攻击目标时的相对速度。
太阳光本来是自然光,它的振动均匀地分布在各个方向上。但是当它穿过大气层时,由于受到大气分子和尘埃颗粒等的散射,它的振动就只分布在某个方向上,或者在某个方向上的振动占了优势。这种现象叫做光的偏振现象。具有偏振现象的光叫做偏振光。人眼不借助于仪器是观察不到的,但是蜜蜂、蚂蚁和某些甲虫却可以凭借复眼看到偏振光的振动方向,并且能够利用天空中的太阳偏振光来导航,确定行动的方向。
蜜蜂的复眼因为具有特殊的结构,能够看到太阳偏振光的振动方向,而这种方向与太阳的位置有确定的关系,所以蜜蜂能够随时辨别太阳的方位,确定自身的运动方向,准确无误地找到蜜源或回巢。人们按照蜜蜂的复眼的结构特点和工作原理,制成了一种根据天空偏振光导航的航海仪器---“偏光天文罗盘”。应用这种罗盘,即使在阴云密布以及黎明或傍晚看不到太阳的时候,也不会迷失方向。特别是在不能使用磁罗盘的靠近南北两极的高纬度地区,使用这种偏光罗盘就更显得优越了。
蜻蜓和苍蝇等的复眼的角膜,具有一种奇特的成像特点。剥取蜻蜓和苍蝇复眼的角膜,放在显微镜下观察,尽管在角膜前面只放一个目标,但通过角膜却可以看到许许多多个像。这是因为这种复眼角膜是由许许多多个六角形的小眼角膜排列构成,而每个小眼的角膜又都能形成一个像。人们从这里得到启示,模仿这些昆虫复眼角膜的结构,用许多小的光学透镜有规则地排列起来,制成了一种新型光学元件—“复眼透镜”。用它作镜头制成的“复眼照相机”,一次就能照出千百张相同的像。这种复眼照相机已用于印刷制版和大量复制大规模集成电路中精细的显微电路,大大提高了工效与质量。
上述各方面的研究工作,是进行技术设计的一条新途径,属于一门新兴边缘科学—“仿生学”的研究范畴。仿生学是在生物科学与技术科学之间发展起来的,它的任务是用生物体结构与功能的原理,去改善现有的或创造新型的机械系统、仪器设备建筑结构和工艺过程。
探索人和动物眼睛奥秘的仿生学研究工作,称为视觉仿生。它跟听觉仿生、嗅觉仿生、触觉仿生和味觉仿生一起,统称为感觉仿生。感觉仿生已经成为目前仿生学的发展重点。
(1)本文是作者根据有关资料编写的。
