福建农林大学公选课奇妙的昆虫与仿生学测验性论文仿生学在材料中的应用
专业：统计学
姓名：李
学号：
座号：20
成绩：
时间：2011年11月10日
摘要：自然界生物在漫长的进化过程中优胜劣汰，为了生存、自卫、竞争和发展的需要，强化了许多优异的结构和特殊功能，值得人们在材料上很好地借鉴并发挥。材料研究仿生学就是模仿生物系统的原理来建造先进材料装备技术系统或者使人造材料装备技术系统具有生物系统特征的一门科学。
关键词：仿生学仿生设计材料
自然界在亿万年的选择进化演变过程中，形成了具有完美结构和组织形态及
独特优异性能的生物材料，如哺乳动物的蚯蚓表面的润滑功能和减阻特性，苍
蝇的复眼和平衡棒的特性，鲨鱼盾鳞片肋条结构以及其减阻的特性，蝴蝶翅膀
表面的疏水性和自清洁的特性等等。这些天然生物复合材料一方面具有许多优
异于绝大多数人工材料的物理化学性能，如人工材料难以达到的损伤自我愈合、功能自恢复、机能自稳定及环境适应性的等优良性能，另一方面，其性能
具有一般人工材料所无法达到的数值。如蜘蛛丝具有极好的机械强度，是钢丝
的5倍以上，且蜘蛛丝的弹性为尼龙的2倍，另外它还就有高柔韧性和较高的
干湿模量。
1 模仿苍蝇平衡棒的应用
1.1苍蝇的简介
在生物学上，苍蝇属于典型的“完全变态昆虫”。70年代末统计，全世界有双翅目的昆虫132个科12万余种，其中蝇类就有64个科3万4千余种。主要蝇种是家蝇、市蝇、丝光绿蝇、大头金蝇等。
苍蝇具有一次交配可终身产卵的生理特点，一只雌蝇一生可产卵5-6次，每次产卵数约100-150粒，最多可达300粒左右。一年内可繁殖10-12代。苍蝇多以腐败有机物为食，因此常见于卫生较差的环境。苍蝇具有舐吮式口器，会污染食物，传播痢疾等疾病。在生态系中，苍蝇的幼虫扮演动植物分解者的重要角色。苍蝇的成虫由于嗜食甜物质，因此也能代替蜜蜂用于农作物的授粉和品种改良。临床医学上，活蝇蛆可接种于伤口之中，起杀菌清创，促进愈合之作用。富含蛋
苍蝇白质的蝇蛆又是重要的饵料、饲料，可工厂化生
1.2苍蝇飞行和触觉方面的行为习惯
苍蝇临危一跃之前，它的小脑瓜里就已经在盘算着潜在威胁来袭的方位了，它想好逃跑方案，将6条腿调整至最佳位置，然后朝着与苍蝇拍来袭方向相反的方向一溜烟地飞跑了。从苍蝇觉察到苍蝇拍，到这一整套动作全部完成，只需短短100毫秒。
苍蝇善于飞翔。飞行速度可达每小时6～8 千米，最高每昼夜飞行8～18 千米。
但平常多在孳生地半径100 ～200 米范围内活动，大都不超过1～2 千米。
苍蝇身上有“全景摄像机”——一对复眼包含着3000只单眼(所谓的小眼)，白天可进行全方位扫描；一到夜晚，单眼便起余光放大作用。尽管苍蝇看见的图像有点歪斜、有点变形，但这并不影响它们发现“敌人”的每一个动作。所以，要想对付苍蝇，必须具有比苍蝇更神速的感觉和行动。作为控制中心的一对触角是苍蝇的信息收发系统，它们能处理化学刺激、电刺激、接触刺激；同时，苍蝇的毛腿具有触觉、嗅觉、味觉和爬行等多种功能。苍蝇尚有一种天生的起飞艺术：在展翅飞翔前，先将自己的身体垂直地弹射到空中。所以不能想当然地从前上方拍苍蝇或抓苍蝇，而是应从正上方落手。
1.3苍蝇的平衡棒
苍蝇只用一对前翅飞行，一对后翅己退化成哑铃状的“平衡棒”。这对小棒能使它飞行时保持身体平衡并随时纠正航向，不致于在原地兜圈子。
如果没有平衡棒，，可以飞行，但是不能控制航向或者在原地兜圈子。
1.4苍蝇的蝇眼
蝇眼十分特殊，共有5只。其中3只较小的是单眼，是感觉亮度强弱的，另外2只为复眼，每只由许多六角形的视觉单位小眼组成。这众多的小眼都自成体系，有独立的光学系统和通向大脑的神经，这些小眼的视觉神经都能互相配合，既能协调一致又能独立工作。因此，蝇眼不仅有速度、高度的分辨能力，并且能从不同的方位感受视像，这也就是人们用蝇拍从背后打它也易被发现的原因。这种复眼具有很高的时间分辨率，它能把运动的物体分成连续的单个镜头，并由各个小眼轮流“值班”。
1.5苍蝇的平衡棒在火箭上的应用
（1）火箭苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶。
火箭依靠火箭发动机产生的推力，得到向前飞行的速度，同时，这个速度已经足够的大，使得火箭可以依靠自身弹体产生的气动升力托起火箭（导弹也这样，不过导弹有一些弹翼，可以产生部分气动升力）。同时，火箭在平飞过程中，弹身轴线并非水平，而是与水平面有一定夹角（迎角）。该迎角既是保证弹体产生气动升力的原因，同时也使得火箭的推力有向下分量，可起到平衡部分火箭重量的作用。
（2）三轴陀螺的差分控制，以及加速度计的计算得到的，如果火箭偏离方向，那么这些传感器得到信号，经过处理和放大之后，通过液压系统推动火箭喷口方向（或导向火箭方向）使其改变力作用的方向而控制飞行。
2 模仿蝴蝶翅膀表面疏水性与自清洁性
2.1疏水性于自清洁性研究的意义
湿润性事固体表面的重要特征之一，同时由于当前水资源的短缺，表面节能问题也越来越引起人们的兴趣。而超疏水表面在工农业生产和人们的日常生活中有着极其广阔的应用前景，由此引起了人们的普遍关注。
人们发现自然界许多生物的表面具有自清洁性，当有污染物落到其表面上时，它们能够很轻易的达到自清洁目的，而要想清洗同等面积的人工表面却要花费几倍的努力。如果从仿生学的角度出发对这些表面进行研究，并把研究成果应用到生产生活中，显然对于节约水资源和提高国民生产总值意义重大。
2.2蝴蝶的形态及生长发育
蝴蝶成虫的外部形态分为体躯、翅、足和腹4大部分。体躯分为圆球形或者半球形的头部和作为蝶类的运动中心的胸部两大部分。头部上有1对复眼、1对触角、一个进食用的口器和一对下唇须。胸部分为前胸、中胸和后胸3部分，它们的下部分分别长有一对足。在中胸和后胸的背面分别生有一对翅膀，其中前翅膀比后翅膀大。
蝴蝶是一类完全变态的昆虫。它的一生包括了四个时期：卵期、幼虫期、蛹期和成虫期。平时看到的蝴蝶大多是它们的成虫。蝴蝶在完成四个时期时的时间长短不一，视蝴蝶种属而定。蝴蝶成虫的寿命因为种类的不同而有着明显的差别。蝴蝶中有的是短命鬼，如菜粉蝶只活20余天：有的却是老寿星，例如尖钩粉蝶能活10个月左右。
2.3蝴蝶翅膀表面的湿润性和自清洁性
湿润是一种流体取代界面上另一种流体的界面现象，通常是指液体从固体表面取代气体的过程。表面湿软是固体表面的重要特征之一，也是最为常见的一类界面现象，它不仅直接影响自然界中东、植物的生命活动，而且在人类的日常生活和工农业生产中也起着重要的作用。
不同种类的蝴蝶表面进行静态接触角度测定，发现蝴蝶翅膀表面具有超疏水性，其接触角在141——163.5之间。研究了甲醇/水溶液对蝴蝶翅膀表面湿润性的影响，同时用油脂和酸碱溶液对蝴蝶翅膀表面进行湿润性试验，计算了蝴蝶表面的自由能。试验结果表面，蛱蝶科、凤蝶科等具有大鳞片种类的接触角于湿润性普遍要比弄蝶科、灰蝶科种类的要好。因此认为蝴蝶翅膀表面的疏水性是由其表面
