一種新型自動定相裝置的研製與應用

Ⅰ 大自然的啟示資料

1。由令人討厭的蒼蠅，仿製成功一種十分奇特的小型氣體分析儀。已經被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內氣體的成分。
2。從螢火蟲到人工冷光；
3。電魚與伏特電池；
4。水母的順風耳，仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳風暴預測儀，能提前15小時對風暴作出預報，對航海和漁業的安全都有重要意義。
5。人們根據蛙眼的視覺原理，已研製成功一種電子蛙眼。這種電子蛙眼能像真的蛙眼那樣，准確無誤地識別出特定形狀的物體。把電子蛙眼裝入雷達系統後，雷達抗干擾能力大大提高。這種雷達系統能快速而准確地識別出特定形狀的飛機、艦船和導彈等。特別是能夠區別真假導彈，防止以假亂真。
電子蛙眼還廣泛應用在機場及交通要道上。在機場，它能監視飛機的起飛與降落，若發現飛機將要發生碰撞，能及時發出警報。在交通要道，它能指揮車輛的行駛，防止車輛碰撞事故的發生。
6。根據蝙蝠超聲定位器的原理，人們還仿製了盲人用的「探路儀」。這種探路儀內裝一個超聲波發射器，盲人帶著它可以發現電桿、台階、橋上的人等。如今，有類似作用的「超聲眼鏡」也已製成。
7。模擬藍藻的不完全光合器，將設計出仿生光解水的裝置，從而可獲得大量的氫氣。
8。根據對人體骨胳肌肉系統和生物電控制的研究，已仿製了人力增強器——步行機。
9。現代起重機的掛鉤起源於許多動物的爪子。
10。屋頂瓦楞模仿動物的鱗甲。
11。船槳模仿的是魚的鰭。
12。鋸子學的是螳螂臂，或鋸齒草。
13。蒼耳屬植物獲取靈感發明了尼龍搭扣。
14。嗅覺靈敏的龍蝦為人們製造氣味探測儀提供了思路。
15。壁虎腳趾對製造能反復使用的粘性錄音帶提供了令人鼓舞的前景。
16。貝用它的蛋白質生成的膠體非常牢固，這樣一種膠體可應用在從外科手術的縫合到補船等一切事情上。

人類的發明——來自動物的靈感 船和潛艇來自人們對魚類和海豚的模仿。科學家根據火野豬的鼻子測毒的奇特本領製成了世界上第一批防毒面具。火箭升空利用的是水母、墨魚反沖原理。科研人員通過研究變色龍的變色本領，為部隊研製出了不少軍事偽裝裝備。科學家研究青蛙的眼睛，發明了電子蛙眼。美國空軍通過毒蛇的「熱眼」功能，研究開發出了微型熱感測器。人類還利用蛙跳的原理設計了蛤蟆夯(hang)。人類模仿警犬的高靈敏嗅覺製成了用於偵緝的「電子警犬」。
仿生與高科技 現代的雷達，一種無線電定位和測距裝置:科學家研究發現蝙蝠魔不是靠眼睛，而是靠嘴、喉和耳朵組成的回聲定位系統。因為蝙蝠魔在飛行時發出超聲波，又能覺察出障礙物反射回來的超聲波。科學家據此設計出了現代的雷達——一種無線電定位和測距裝置 …科學家通過對海豚游泳阻力小的研究發明了能提高魚雷航速的人工海豚皮；以及模仿袋鼠在沙漠運動形式的無輪汽車(跳躍機)等。
前蘇聯科學院動物研究所的科學家在企鵝王的啟示下，他們設計了一種新型汽車－－「企鵝王」牌極地越野汽車。這種汽車的寬闊的底部，直接貼在雪面上，用輪勺撐動著前進，行駛速度可達50公里／小時。
科學家模仿昆蟲製造了太空機器人。
澳大利亞國立大學的一個科研小組通過對幾種昆蟲的研究，已經研製出一個小型的導航和飛行控制裝置。這種裝置可以用來裝備用於火星考察的小型飛行器。

英國科學家在仿生學啟發下，正在研製一種可以靠尾鰭擺動以S形「游水」的潛艇新式潛艇的主要創新之處是使用了被稱為「象鼻致動器」的裝置。「象鼻」由一組用薄而柔軟的材料做成的軟管組成，模仿肌肉活動，推動鰭的運動。這種新式潛艇可以充當水底掃雷潛艇，用來對付最輕微的聲響或干擾便會引爆的水雷。

1666年前後，牛頓在老家居住的時候已經考慮過萬有引力的問題。假期里，他常常在花園里小坐片刻。有一次，象以往屢次發生的那樣，一個蘋果從樹上掉了下來……
一個蘋果的偶然落地，卻是人類思想史的一個轉折點，它使坐在花園里的牛頓頭腦開了竅，引起他的沉思：究竟是什麼原因使一切物體都受到差不多總是朝向地心的吸引呢？牛頓思索著。終於，他發現了對人類具有劃時代意義的萬有引力。

蠅眼照相機的由來

昆蟲的復眼是由千萬個小眼組成的，由於小眼之間的相互抑制，使眼具有突出影像的邊框、增大清晰度的功能。人們仿效蒼蠅腹眼中小眼的蜂窩型結構製成了用於科研的「蠅眼照相機」，一次就能拍攝1329張照片， 其分辯率達4千條線。

大自然的啟示是：蠅眼照相機的由來：昆蟲的復眼是由千萬個小眼組成的！

Ⅱ 請熟悉科學的來幫幫我!!!回答完追加30分。

蝴蝶
五彩的蝴蝶顏色粲然，如重月紋鳳蝶、褐脈金斑蝶等，尤其是螢光翼鳳蝶，其後翊在陽光下時而金黃，時而翠綠，有時還由紫變藍。科學家通過對蝴蝶色彩的研究，為軍事防禦帶來了極大的稗益。在二戰期間，德軍包圍了列寧格勒，企圖用轟炸機摧毀其軍事目標和其他防禦設施。蘇聯昆蟲學家施萬維奇根據當時人們對偽裝缺乏認識的情況，提出利用蝴蝶的色彩在花叢中不易被發現的道理，在軍事設施上覆蓋蝴蝶花紋般的偽裝。因此，盡管德軍費盡心機，但列寧格勒的軍事基地仍然無恙，為贏得最後的勝利奠定了堅實的基礎。根據同樣的原理，後來人們還生產出了迷彩服，大大減少了戰斗中的傷亡。
人造衛星在太空中由於位置的不斷變化可引起溫度驟然變化，有時溫差可高達兩、三網路，嚴重影響許多儀器的正常工作。科學家們受蝴蝶身上的鱗片會隨陽光的照射方向自動變換角度而調節體溫的啟發，將人造衛星的控溫系統製成了葉片反兩面輻射、散熱能力相差很大的百葉窗樣式，在每扇窗的轉動位置安裝有對溫度敏感的金屬絲，隨溫度變化可調節窗的開合，從而保持了人造衛星內部溫度的恆定，解決了航天事業中的一大難題。

甲蟲
甲蟲自衛時，可噴射出具有惡臭的高溫液體「炮彈」，以迷惑、刺激和驚嚇敵害。科學家將其解剖後發現甲蟲體內有3個小室，分別儲有二元酚溶液、雙氧水和生物酶。二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶混合發生化學反應，瞬間就成為100℃的毒液，並迅速射出。這種原理目前已應用於軍事技術中。二戰期間，德國納粹為了戰爭的需要，據此機理製造出了一種功率極大且性能安全可靠的新型發動機，安裝在飛航式導彈上，使之飛行速度加快，安全穩定，命中率提高，英國倫敦在受其轟炸時損失慘重。美國軍事專家受甲蟲噴射原理的啟發研製出了先進的二元化武器。這種武器將兩種或多種能產生毒劑的化學物質分裝在兩個隔開的容器中，炮彈發射後隔膜破裂，兩種毒劑中間體在彈體飛行的8—10秒內混合並發生反應，在到達目標的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人。它們易於生產、儲存、運輸，安全且不易失效。螢火蟲可將化學能直接轉變成光能，且轉化效率達100%，而普通電燈的發光效率只有6%。人們模仿螢火蟲的發光原理製成的冷光源可將發光效率提高十幾倍，大大節約了能量。另外，根據甲蟲的視動反應機制研製成功的空對地速度計已成功地應用於航空事業中。

蜻蜓
蜻蜓通過翅膀振動可產生不同於周圍大氣的局部不穩定氣流，並利用氣流產生的渦流來使自己上升。蜻蜓能在很小的推力下翱翔，不但可向前飛行，還能向後和左右兩側飛行，其向前飛行速度可達72公里/小時。此外，蜻蜓的飛行行為簡單，僅靠兩對翅膀不停地拍打。科學家據此結構基礎研製成功了直升飛機。飛機在高速飛行時，常會引起劇烈振動，甚至有時會折斷機翼而引起飛機失事。蜻蜓依靠加重的翅膀在高速飛行時安然無恙，於是人們效仿蜻蜓在飛機的兩翼加上了平衡重錘，解決了因高速飛行而引起振動這個令人棘手的問題。
為了研究滑翔飛行和碰撞的空氣動力學以及其飛行的效率，一個四葉驅動，用遠程水平儀控制的機動機翼（翅膀）模型被研製，並第一次在風洞內測試了各項飛行參數。
第二個模型試圖安裝一個以更快頻率飛行的翅膀，達到每秒18次震動的速度。有特色的是，這個模型採用了可變可調節前後兩對機翼之間相差的裝置。
研究的中心和長遠目標，是要研究使用「翅膀」驅動的飛機表現，以及與傳統的螺旋推動器驅動的飛機效率的比較等等。

蒼蠅
家蠅的特別之處在於它的快速的飛行技術，這使得它很難被人類抓住。即使在它的後面也很難接近它。它設想到了每一種情況，非常小心，並能快速移動。那麼，它是怎麼做到的呢？
昆蟲學家研究發現，蒼蠅的後翅退化成一對平衡棒。當它飛行時，平衡棒以一定的頻率進行機械振動，可以調節翅膀的運動方向，是保持蒼蠅身體平衡導航儀。科學家據此原理研製成一代新型導航儀——振動陀螺儀，大在改進了飛機的飛行性能，可使飛機自動停止危險的滾翻飛行，在機體強烈傾斜時還能自動恢復平衡，即使是飛機在最復雜的急轉彎時也萬無一失。蒼蠅的復眼包含4000個可獨立成像的單眼，能看清幾乎360度范圍內的物體。在蠅眼的啟示下，人們製成了由1329塊小透鏡組成的一次可拍1329張高解析度照片的蠅眼照像機，在軍事、醫學、航空、航天上被廣泛應用。蒼蠅的嗅覺特別靈敏並能對數十種氣味進行快速分析且可立即作出反應。科學家根據蒼蠅嗅覺器官的結構，把各種化學反應轉變成電脈沖的方式，製成了十分靈敏的小型氣體分析儀，目前已廣泛應用於宇宙飛船、潛艇和礦井等場所來檢測氣體成分，使科研、生產的安全系數更為准確、可靠。

蜂類
蜂巢由一個個排列整齊的六稜柱形小蜂房組成，每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成，這些結構與近代數學家精確計算出來的——菱形鈍角109○28』，銳角70○32』完全相同，是最節省材料的結構，且容量大、極堅固，令許多專家贊嘆不止。人們仿其構造用各種材料製成蜂巢式夾層結構板，強度大、重量輕、不易傳導聲和熱，是建築及製造太空梭、宇宙飛船、人造衛星等的理想材料。蜜蜂復眼的每個單眼中相鄰地排列著對偏振光方向十分敏感的偏振片，可利用太陽准確定位。科學家據此原理研製成功了偏振光導航儀，被廣泛用於航海事業中。

蒼蠅、螢火蟲、電魚、水母，見下詳述。
第五個：章魚的吸盤~

仿生學是一門模仿生物的特殊本領，利用生物的結構和功能原理來研製機械或各種新技術的科學。據傳說，我國古代著名工匠魯班，上山伐樹時，被絲矛草割破了手。他覺得奇怪，一棵小草怎麼會這樣厲害？經過仔細觀察，他發現絲茅草葉子的邊緣長著許多鋒利的細齒。於是魯班發明了木工用的鋸子。據推測，古代木船的發明，是從魚類的游泳得到了啟示。在發明飛機的過程中，人們也從蟲、鳥的飛行中學到了許多有用的知識。

現在，科學家們正帶著定向、導航、探測、能量轉換、信息處理、生物合成、結構力學和流體力學等眾多的科學難題，到生物界中去尋找啟示和答案。

蒼蠅與宇宙飛船

令人討厭的蒼蠅，與宏偉的航天事業似乎風馬牛不相及，但仿生學卻把它們緊密地聯系起來了。

蒼蠅是聲名狼藉的「逐臭之夫」，凡是腥臭污穢的地方，都有它們的蹤跡。蒼蠅的嗅覺特別靈敏，遠在幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅並沒有「鼻子」，它靠什麼來充當嗅覺的呢? 原來，蒼蠅的「鼻子」——嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上。

每個「鼻子」只有一個「鼻孔」與外界相通，內含上百個嗅覺神經細胞。若有氣味進入「鼻孔」，這些神經立即把氣味刺激轉變成神經電脈沖，送往大腦。大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈沖的不同，就可區別出不同氣味的物質。因此，蒼蠅的觸角像是一台靈敏的氣體分析儀。

仿生學家由此得到啟發，根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能，仿製成功一種十分奇特的小型氣體分析儀。這種儀器的「探頭」不是金屬，而是活的蒼蠅。就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經上，將引導出來的神經電信號經電子線路放大後，送給分析器；分析器一經發現氣味物質的信號，便能發出警報。這種儀器已經被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內氣體的成分。

這種小型氣體分析儀，也可測量潛水艇和礦井裡的有害氣體。利用這種原理，還可用來改進計算機的輸入裝置和有關氣體色層分析儀的結構原理中。

從螢火蟲到人工冷光

自從人類發明了電燈，生活變得方便、豐富多了。但電燈只能將電能的很少一部分轉變成可見光，其餘大部分都以熱能的形式浪費掉了，而且電燈的熱射線有害於人眼。那麼，有沒有隻發光不發熱的光源呢? 人類又把目光投向了大自然。

在自然界中，有許多生物都能發光，如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等，而且這些動物發出的光都不產生熱，所以又被稱為「冷光」。

在眾多的發光動物中，螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1 500種,它們發出的冷光的顏色有黃綠色、橙色，光的亮度也各不相同。螢火蟲發出冷光不僅具有很高的發光效率，而且發出的冷光一般都很柔和，很適合人類的眼睛，光的強度也比較高。因此，生物光是一種人類理想的光。

科學家研究發現，螢火蟲的發光器位於腹部。這個發光器由發光層、透明層和反射層三部分組成。發光層擁有幾千個發光細胞，它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。在熒光酶的作用下，熒光素在細胞內水分的參與下，與氧化合便發出熒光。螢火蟲的發光，實質上是把化學能轉變成光能的過程。

早在40年代，人們根據對螢火蟲的研究，創造了日光燈，使人類的照明光源發生了很大變化。近年來，科學家先是從螢火蟲的發光器中分離出了純熒光素，後來又分離出了熒光酶，接著，又用化學方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當閃光燈。由於這種光沒有電源，不會產生磁場，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。

現在，人們已能用摻和某些化學物質的方法得到類似生物光的冷光，作為安全照明用。

電魚與伏特電池

自然界中有許多生物都能產生電，僅僅是魚類就有500餘種 。人們將這些能放電的魚，統稱為「電魚」。

各種電魚放電的本領各不相同。放電能力最強的是電鰩、電鯰和電鰻。中等大小的電鰩能產生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能產生的電壓高達220伏；非洲電鯰能產生350伏的電壓；電鰻能產生500伏的電壓，有一種南美洲電鰻竟能產生高達880伏的電壓，稱得上電擊冠軍,據說它能擊斃像馬那樣的大動物。

電魚放電的奧秘究竟在哪裡?經過對電魚的解剖研究， 終於發現在電魚體內有一種奇特的發電器官。這些發電器是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細胞構成的。由於電魚的種類不同，所以發電器的形狀、位置、電板數都不一樣。電鰻的發電器呈棱形，位於尾部脊椎兩側的肌肉中；電鰩的發電器形似扁平的腎臟，排列在身體中線兩側，共有200萬塊電板;電鯰的發電器起源於某種腺體，位於皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板。單個電板產生的電壓很微弱，但由於電板很多，產生的電壓就很大了。

電魚這種非凡的本領，引起了人們極大的興趣。19世紀初，義大利物理學家伏特，以電魚發電器官為模型，設計出世界上最早的伏打電池。因為這種電池是根據電魚的天然發電器設計的,所以把它叫做「人造電器官」。對電魚的研究，還給人們這樣的啟示：如果能成功地模仿電魚的發電器官，那麼，船舶和潛水艇等的動力問題便能得到很好的解決。

水母的順風耳

「燕子低飛行將雨，蟬鳴雨中天放晴。」生物的行為與天氣的變化有一定關系。沿海漁民都知道，生活在沿岸的魚和水母成批地游向大海，就預示著風暴即將來臨。

水母，又叫海蜇，是一種古老的腔腸動物，早在5億年前,它就漂浮在海洋里了。這種低等動物有預測風暴的本能，每當風暴來臨前，它就游向大海避難去了。

原來，在藍色的海洋上，由空氣和波浪摩擦而產生的次聲波 (頻率為每秒8—13次)，總是風暴來臨的前奏曲。這種次聲波人耳無法聽到，小小的水母卻很敏感。仿生學家發現，水母的耳朵的共振腔里長著一個細柄，柄上有個小球，球內有塊小小的聽石，當風暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時，聽石就剌激球壁上的神經感受器，於是水母就聽到了正在來臨的風暴的隆隆聲。

仿生學家仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳風暴預測儀，相當精確地模擬了水母感受次聲波的器官。把這種儀器安裝在艦船的前甲板上，當接受到風暴的次聲波時，可令旋轉360°的喇叭自行停止旋轉,它所指的方向，就是風暴前進的方向；指示器上的讀數即可告知風暴的強度。這種預測儀能提前15小時對風暴作出預報，對航海和漁業的安全都有重要意義。

Ⅲ 仿生學資料

仿生學一詞是1960年由美國斯蒂爾根據拉丁文「bios」(生命方式的意思)和字尾「nlc」(「具有……的性質」的意思)構成的。他認為「仿生學是研究以模仿生物系統的方式、或是以具有生物系統特徵的方式、或是以類似於生物系統方式工作的系統的科學」。盡管人類在文明進化中不斷從生物界受到新的啟示，但仿生學的誕生，一般以1960年全美第一屆仿生學討論會的召開為標志。

仿生學的研究范圍主要包括：力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。

力學仿生，是研究並模仿生物體大體結構與精細結構的靜力學性質，以及生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環境中運動的動力學性質。例如，建築上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建築，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區域，又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結構，把人工海豚皮包敷在船艦外殼上，可減少航行揣流，提高航速；

分子仿生，是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害蟲舞毒蛾性引誘激素的化學結構後，合成了一種類似有機化合物，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺雄蟲；

能量仿生，是研究與模仿生物電器官生物發光、肌肉直接把化學能轉換成機械能等生物體中的能量轉換過程；

信息與控制仿生，是研究與模擬感覺器官、神經元與神經網路、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。例如根據象鼻蟲視動反應製成的「自相關測速儀」可測定飛機著陸速度。根據鱟復眼視網膜側抑制網路的工作原理，研製成功可增強圖像輪廓、提高反差、從而有助於模糊目標檢測的—些裝置。已建立的神經元模型達100種以上，並在此基礎上構造出新型計算機。

模仿人類學習過程，製造出一種稱為「感知機」的機器，它可以通過訓練，改變元件之間聯系的權重來進行學習，從而能實現模式識別。此外，它還研究與模擬體內穩態，運動控制、動物的定向與導航等生物系統中的控制機制，以及人-機系統的仿生學方面。

某些文獻中，把分子仿生與能量仿生的部分內容稱為化學仿生，而把信息和控制仿生的部分內容稱為神經仿生。

仿生學的范圍很廣，信息與控制仿生是一個主要領域。一方面由於自動化向智能控制發展的需要，另一方面是由於生物科學已發展到這樣一個階段，使研究大腦已成為對神經科學最大的挑戰。人工智慧和智能機器人研究的仿生學方面——生物模式識別的研究，大腦學習記憶和思維過程的研究與模擬，生物體中控制的可靠性和協調問題等——是仿生學研究的主攻方面。

控制與信息仿生和生物控制論關系密切。兩者都研究生物系統中的控制和信息過程，都運用生物系統的模型。但前者的目的主要是構造實用人造硬體系統；而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術科學的理論出發，為生物行為尋求解釋。

最廣泛地運用類比、模擬和模型方法是仿生學研究方法的突出特點。其目的不在於直接復制每一個細節，而是要理解生物系統的工作原理，以實現特定功能為中心目的。—般認為，在仿生學研究中存在下列三個相關的方面：生物原型、數學模型和硬體模型。前者是基礎，後者是目的，而數學模型則是兩者之間必不可少的橋梁。

由於生物系統的復雜性，搞清某種生物系統的機制需要相當長的研究周期，而且解決實際問題需要多學科長時間的密切協作，這是限制仿生學發展速度的主要原因。

其他生物學分支學科

生物學概述、植物學、孢粉學、動物學、微生物學、細胞生物學、分子生物學、生物分類學、習性學、生理學、細菌學、微生物生理學、微生物遺傳學、土壤微生物學、細胞學、細胞化學、細胞遺傳學、免疫學、胚胎學、優生學、悉生生物學、遺傳學、分子遺傳學、生態學、仿生學、生物物理學、生物力學、生物力能學、生物聲學、生物化學、生物數學

附：部分「仿生學」實例
蒼蠅與宇宙飛船

令人討厭的蒼蠅，與宏偉的航天事業似乎風馬牛不相及，但仿生學卻把它們緊密地聯系起來了。

蒼蠅是聲名狼藉的「逐臭之夫」，凡是腥臭污穢的地方，都有它們的蹤跡。蒼蠅的嗅覺特別靈敏，遠在幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅並沒有「鼻子」，它靠什麼來充當嗅覺的呢? 原來，蒼蠅的「鼻子」——嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上。

每個「鼻子」只有一個「鼻孔」與外界相通，內含上百個嗅覺神經細胞。若有氣味進入「鼻孔」，這些神經立即把氣味刺激轉變成神經電脈沖，送往大腦。大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈沖的不同，就可區別出不同氣味的物質。因此，蒼蠅的觸角像是一台靈敏的氣體分析儀。

仿生學家由此得到啟發，根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能，仿製成功一種十分奇特的小型氣體分析儀。這種儀器的「探頭」不是金屬，而是活的蒼蠅。就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經上，將引導出來的神經電信號經電子線路放大後，送給分析器；分析器一經發現氣味物質的信號，便能發出警報。這種儀器已經被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內氣體的成分。

這種小型氣體分析儀，也可測量潛水艇和礦井裡的有害氣體。利用這種原理，還可用來改進計算機的輸入裝置和有關氣體色層分析儀的結構原理中。

從螢火蟲到人工冷光

自從人類發明了電燈，生活變得方便、豐富多了。但電燈只能將電能的很少一部分轉變成可見光，其餘大部分都以熱能的形式浪費掉了，而且電燈的熱射線有害於人眼。那麼，有沒有隻發光不發熱的光源呢? 人類又把目光投向了大自然。

在自然界中，有許多生物都能發光，如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等，而且這些動物發出的光都不產生熱，所以又被稱為「冷光」。

在眾多的發光動物中，螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1 500種,它們發出的冷光的顏色有黃綠色、橙色，光的亮度也各不相同。螢火蟲發出冷光不僅具有很高的發光效率，而且發出的冷光一般都很柔和，很適合人類的眼睛，光的強度也比較高。因此，生物光是一種人類理想的光。

科學家研究發現，螢火蟲的發光器位於腹部。這個發光器由發光層、透明層和反射層三部分組成。發光層擁有幾千個發光細胞，它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。在熒光酶的作用下，熒光素在細胞內水分的參與下，與氧化合便發出熒光。螢火蟲的發光，實質上是把化學能轉變成光能的過程。

早在40年代，人們根據對螢火蟲的研究，創造了日光燈，使人類的照明光源發生了很大變化。近年來，科學家先是從螢火蟲的發光器中分離出了純熒光素，後來又分離出了熒光酶，接著，又用化學方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當閃光燈。由於這種光沒有電源，不會產生磁場，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。

現在，人們已能用摻和某些化學物質的方法得到類似生物光的冷光，作為安全照明用。

電魚與伏特電池

自然界中有許多生物都能產生電，僅僅是魚類就有500餘種 。人們將這些能放電的魚，統稱為「電魚」。

各種電魚放電的本領各不相同。放電能力最強的是電鰩、電鯰和電鰻。中等大小的電鰩能產生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能產生的電壓高達220伏；非洲電鯰能產生350伏的電壓；電鰻能產生500伏的電壓，有一種南美洲電鰻竟能產生高達880伏的電壓，稱得上電擊冠軍,據說它能擊斃像馬那樣的大動物。

電魚放電的奧秘究竟在哪裡?經過對電魚的解剖研究， 終於發現在電魚體內有一種奇特的發電器官。這些發電器是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細胞構成的。由於電魚的種類不同，所以發電器的形狀、位置、電板數都不一樣。電鰻的發電器呈棱形，位於尾部脊椎兩側的肌肉中；電鰩的發電器形似扁平的腎臟，排列在身體中線兩側，共有200萬塊電板;電鯰的發電器起源於某種腺體，位於皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板。單個電板產生的電壓很微弱，但由於電板很多，產生的電壓就很大了。

電魚這種非凡的本領，引起了人們極大的興趣。19世紀初，義大利物理學家伏特，以電魚發電器官為模型，設計出世界上最早的伏打電池。因為這種電池是根據電魚的天然發電器設計的,所以把它叫做「人造電器官」。對電魚的研究，還給人們這樣的啟示：如果能成功地模仿電魚的發電器官，那麼，船舶和潛水艇等的動力問題便能得到很好的解決。

水母的順風耳

「燕子低飛行將雨，蟬鳴雨中天放晴。」生物的行為與天氣的變化有一定關系。沿海漁民都知道，生活在沿岸的魚和水母成批地游向大海，就預示著風暴即將來臨。

水母，又叫海蜇，是一種古老的腔腸動物，早在5億年前,它就漂浮在海洋里了。這種低等動物有預測風暴的本能，每當風暴來臨前，它就游向大海避難去了。

原來，在藍色的海洋上，由空氣和波浪摩擦而產生的次聲波 (頻率為每秒8—13次)，總是風暴來臨的前奏曲。這種次聲波人耳無法聽到，小小的水母卻很敏感。仿生學家發現，水母的耳朵的共振腔里長著一個細柄，柄上有個小球，球內有塊小小的聽石，當風暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時，聽石就剌激球壁上的神經感受器，於是水母就聽到了正在來臨的風暴的隆隆聲。

仿生學家仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳風暴預測儀，相當精確地模擬了水母感受次聲波的器官。把這種儀器安裝在艦船的前甲板上，當接受到風暴的次聲波時，可令旋轉360°的喇叭自行停止旋轉,它所指的方向，就是風暴前進的方向；指示器上的讀數即可告知風暴的強度。這種預測儀能提前15小時對風暴作出預報，對航海和漁業的安全都有重要意義。

Ⅳ AI(人工智慧)在機械領域有哪些應用

1.機械領域的主要應用：1.1 機械設計 機械設計實際上是一個模型的綜合和分析的過程，它不僅包括大量的計算、分析、繪圖等數值計算型工作；還包括擬定初始方案，選擇最優方案，制定合理結構等方案設計工作。 目前， 有些企業已引入CAD/CAM 系統， 由於CAD/CAM系統對符號推理工作需要綜合運用多種科學的專門知識和豐富的實踐經驗才能解決，這需要CAD/CAM系統具有智能性，因此，設計智能化已成為機械設計中一個很熱門的研究課題之一，它把計算機從數值處理擴展到非數值處理，包括知識與經驗的集成、推理和決策，力圖使機械設計過程自動化，減少人類專家在設計過程中由於個人因素造成的不足。此外，與傳統設計方法相比，專家系統在機械設計中有著不可比擬的優勢，它不僅可以長期穩定工作、節省成本，還可以為專家知識特別是啟發式知識提供存儲手段和傳授途徑、易於繼承。1.2 機械製造 在機械生產製造過程中，需要為工廠中所有的裝配機器供應零件。目標可能由監控者提供，也可能由系統對當時狀態做出評估而產生。智能系統怎樣推斷出適當的目標，然後構造試圖達到目標的動作序列，這個過程通常稱為規劃(planning), 它是自動問題求解的特例，是人工智慧研究的重要子領域。 此外，計算機集成加工系統（CIMS）和柔性加工系統（FMS）在近年來獲得迅速發展。在一個復雜的加工過程中，不同條件下的多種操作是必要的。環境的不確定性以及系統軟硬體的復雜性，向當代工程師們設計和實現有效的集成控制系統提出了挑戰。為了把現有的Petri 網技術用於現代加工系統，需要開發一種新技術，把機器智能技術和Petri 網理論以及智能離散事件控制器連接起來。1.3 機械電子工程 在許多工程系統中，往往由於內部結構復雜，存在著對加工過程式控制制及故障診斷等方面的困難，一般的PID 等典型控制方法雖然能解決一些問題，但在一些場合已不能滿足生產的要求，當前，典型的機電一體化產品- 數控機床、交流伺服驅動裝置等正在向數字化、小型化、高精度等方向發展，為監控帶來新的挑戰，由於模糊神經網路控制不依賴控制對象和數學模型，具有較強的魯棒性，是一種非線性的控制方法，在解決此類問題中有很好的優勢。而專家系統主要用於復雜的機械繫統，能夠克服基於模型的故障診斷方法對模型的過分依賴性。1.4 機械繫統故障診斷 對機械設備進行故障診斷主要是通過對設備敏感部位的信號利用感測器進行數據採集和特徵提取，根據不同機械部件在不同時間和狀態下具有不同的特徵，來判斷是否工作正常。它包含兩方面的內容，即對系統運行狀態進行監測和發現異常情況後對故障進行分析、診斷。在系統運行過程中，若某一時刻系統發生故障，領域專家可以憑借視覺、聽覺、嗅覺、觸覺或測量設備得到一些客觀數據，並根據對系統結構和系統故障歷史的深刻了解很快做出判斷，確定故障的原因和部位。對於較為復雜的系統，這種基於專家系統的故障診斷方法尤為有效。2 人工智慧在機械繫統中的應用方法 應用機械繫統的AI 技術傳統上可以分為專家系統（ES）、人工神經網路(ANN)、模糊集理論(FST)和啟發式搜索(GA)四類。2.1 專家系統（Expert System .ES） 專家系統是人工智慧的主要分支之一。一個典型的專家系統由四部分組成：知識庫、推理機、知識獲取機制和人機界面。專家系統按其知識表達方式不同，可分為基於規則和基於框架的專家系統；按其推理方式不同可分為正向推理和逆向推理。在知識表達方面，利用產生式規則進行知識表達，一方面得有益於現有人工智慧語言，另一方面，它的表達合乎人的心理邏輯，便於進行知識獲取，利於人們接受，利用框架進行知識表達得到了越來越多的應用。在診斷推理方面，主要表現在對推理邏輯和推理模型的研究，在人工智慧領域，存在著許多推理邏輯，在專家系統中廣泛使用模糊推理邏輯降低系統復雜性，在機械繫統故障診斷上能產生很好的效果。專家系統技術的研究和應用正以前所未有的速度在故障診斷、模擬模擬、自動控制、工藝編程、生產規劃、產品設計等許多機械工程領域不斷發展。隨著研究工作的不斷深入，一些新的技術方法和先進製造技術正融入機械工程專家系統技術的研究和應用中，不僅使知識表示、知識庫構建、知識獲取和推理模式等關鍵技術的研究取得了一定成果，還出現了一些集成式的新型專家系統，如神經網路專家系統、模糊專家系統、基於Internet 的專家系統、CAD 專家系統、CAPP 專家系統等。他們綜合利用了專家系統啟發性、透明性、靈活性以及具有處理不確定知識能力的特點，使機械工程專家系統的應用領域不斷拓寬。2.2 人工神經網路（artificial neural network. ANN） 人工神經網路是模擬的生物激勵系統，將一系列輸入通過神經網路產生輸出。這里輸出、輸入都是標准化的量，輸出是輸入的非線性函數，其值可由連接各神經元的權重改變，以獲得期望的輸出值，即所謂的訓練過程。基於數值計算方法的神經網路，將已有數據和已知系統模式作樣本，通過學習獲得兩者的映射關系，實現了對人類經驗思維的模擬。 由於神經網路具有原則上容錯、結構拓撲魯棒、聯想、推測、記憶、自適應、自學習、並行和處理復雜模式的功能，使其在工程實際存在著大量的多故障、多過程、突發性故障、龐大復雜機器和系統的監測及診斷中發揮著較大作用。 在機械繫統的應用方式有：從模式識別角度應用神經網路作為分類器進行故障診斷；從預測角度應用神經網路作為動態預測模型進行故障預測；利用神經網路極強的非線性動態跟蹤能力進行基於結構映射的故障診斷；從知識處理角度建立基於神經網路的診斷專家系統等。目前，為提高神經網路在實用中的學習和診斷性能，主要從神經網路模型本身改進和模塊化模型診斷策略兩方面開展研究；同時，與模糊邏輯的結合研究也是一個研究熱點。2.3 模糊集理論（Fuzzy Sets Theory. FSN） 人的認知世界包含大量的不確定之時，需要對所獲信息進行一定的模糊化處理，以減少問題的復雜度。1965 年Zadeh 創立的模糊集理論是處理不確定性的一種很好的方法。模糊邏輯可認為是多值邏輯的擴展，能夠完成傳統數學方法難以做到的近似推理。目前基於多類電量測試信息模糊融合的模擬電路故障診斷方法已經提出。基於K故障節點診斷法和最小標准差法的元件故障隸屬函數構造方法,以及基於可測點電壓與不同測試頻率下電路增益的模糊信息融合診斷演算法也已闡述。分別利用此兩類測試信息及K 故障診斷法和最小標准差法,對電路進行初步診斷,再運用模糊變換及故障定位規則, 得到融合的故障診斷結果。模擬實驗結果表明,所提方法大大提高了機械繫統故障定位的准確率。2.4 啟發式搜索（Heuristic Search. HS） 遺傳演算法（Genetic Algorithms ,GA）和模擬退火（Simulated Annealing ,SA）演算法是近年來逐漸興起的兩種啟發式搜索，通過隨機產生新的解並保留其中較好的結果，並避免陷入局部最小，以求得全局最優解或近似最優解。GA是由數字串的集合表示優化問題的解，通過遺傳運算元，即選擇、雜交和變異的操作對數字串尋優。SA 在已知解的鄰近區產生新的解，並逐漸縮小鄰近區域的大小，直到逼近全局的最優解。兩種方法都可以用來求解任意目標函數和約束的最優化問題。 在交流伺服系統中採用遺傳演算法的模糊神經網路控制較之傳統的PID 控制方式具有響應速度快、誤差小、無震盪、伺服性能強等優點，模擬結果表明，將遺傳演算法融入模糊神經網路控制器來控制交流伺服系統，其系統的響應超調量明顯減少，具有較好的抗干擾性、伺服性。3 人工智慧在機械繫統中的發展趨勢 人工智慧中的四種主要工具， 即ES、ANN、FST 和GA，雖然在機械領域有不同程度的應用，但各自都存在一些局限：ES 存在知識獲取的「瓶頸」、知識難以維護、應用面窄、診斷能力弱等問題。ANN 在外推時誤差較大、系統結構變化時ANN 的組成結構也要變化、難以實現基於結構化知識的邏輯推理、缺乏解釋能力等。FST 存在可維護性問題。GA 在依據的信息發生畸變時，難以保證可靠性等。 目前，缺少一種普遍有效的方法應用於機械繫統的各個領域。混合智能，即綜合多種智能技術用以設計、控制、監測機械繫統成為新的發展趨勢。結合的方式主要有基於規則的專家系統與神經網路相結合，CBR 與基於規則系統和神經網路的結合，模糊邏輯、神經網路與專家系統的結合等。其中模糊邏輯、神經網路與專家系統結合的診斷模型是最具發展前景的，也是目前人工智慧領域的研究熱點之一。混合智能在機械繫統的應用中有如下發展趨勢：由基於規則的系統到混合模型的系統，由領域專家提供知識到機器學習、由非實時診斷到實時診斷、由單一推理控制到混合推理控制策略等。4 人工智慧在機械繫統中的應用實例 智能技術在機械領域已經有了許多成功的應用。在工程中，典型的專家系統有幫助工程師發現結構分析問題的分析策略的SACON 系統；幫助識別和排除機車故障的DELTA 系統；幫助操作人員檢測和處理核反應堆事故的REACTOR 系統。 在故障診斷方面,1967 年在美國航天局（NASA）倡導下，由美國海軍研究室（ONR）主持美國機械故障預防小組（MFPG），積極從事故障診斷技術研究和開發。目前各種類型的故障診斷和維修專家系統已用於美國F- 15 戰斗機、B- 1B 轟炸機、海軍艦艇、陸軍軍械裝置等現役裝備的故障診斷和維修中。在我國，華中理工大學研製了用於汽輪機組工況監測和故障診斷的智能系統DEST；哈爾濱工業大學和上海發電設備成套設計研究所聯合研製了汽輪發電機組故障診斷專家系統MMMD- ；清華大學研製了用於鍋爐設備故障診斷的專家系統等等。 在電路和數字電子設備方面，MIT 研製用於模擬電路操作並演繹出故障可能原因的EI 系統；美國海軍人工智慧中心開發了用於診斷電子設備故障的IN- ATE 系統;波音航空公司研製了診斷微波模擬介面MSI 的IMA 系統；義大利米蘭工業大學研製用於汽車啟動器電路故障診斷的系統。 2006 年初，上海交通大學機電控制研究所、上海市農業機械研究所成功研製了適用於我國數字農業特點的兩種主要智能型農業機械：中、小型收割機智能測產系統及其配套軟體；智能變數施肥、播種機及其配套軟體。雖然相關的應用實例還有很多，但它們大都處於實驗室或小范圍試驗狀態，限於成本、技術等問題，不能得到普及應用，這將成為智能技術在機械領域應用的「瓶頸」。引用： http://teardown.eefocus.com/xuweitao/blog/08-01/141923_aa9c4.html

Ⅳ 自動控制系統的發展及技術現狀是什麼

1基本概念

如圖4-1所示框圖說明了控制系統的基本概念，動作信號通過（經由）控制系統元件後，提供一個指示，此系統的目的就是將變數c控制於該指示內。一般來說，被控變數為系統的輸出，而動作信號為系統的輸入。舉一個簡單的例子，汽車的方向控制（Steering Control），兩個前輪的方向可視為被控制變數，即輸出；而其方向盤的位置可視為輸入，即動作信號e。再如，若我們要控制汽車的速度，則加速器的壓力總和為動作信號，而速度則視為被控變數。

圖4-13自動化生產線

5）大系統理論的誕生

系統和控制理論的應用從60年代中期開始逐漸從工業方面滲透到農業﹑商業和服務行業，以及生物醫學﹑環境保護和社會經濟各個方面。由於現代社會科學技術的高度發展出現了許多需要綜合治理的大系統，現代控制理論又無法解決這樣復雜的問題，系統和控制理論急待有新的突破。在計算機技術方面，60年代初開始發展資料庫技術，1970年提出關系資料庫，到80年代資料庫技術已經達到相當的水平。60年代末計算機技術和通信技術相結合產生了數據通信。1969年美國國防部高級研究局的阿帕網（ARPA）的第一期工程投入使用取得成功，開創了計算機網路的新紀元。資料庫技術和計算機網路為80年代實現管理自動化創造了良好的條件。管理自動化的一個核心問題是辦公室自動化，這是從70年代開始發展起來的一門綜合性技術，到80年代已初步成熟。辦公室自動化為管理自動化奠定了良好的基礎。

國際自動控制聯合會（IFAC）於1976年在義大利的烏第納召開了第一屆大系統學術會議，於1980年在法國的圖魯茲召開第二屆大系統學術會議。美國電氣與電子工程師學會（IEEE）於1982年10月在美國弗吉尼亞州弗吉尼亞海灘舉行了一次國際大系統專題討論會。1980年在荷蘭正式出版國際性期刊《大系統──理論與應用》。這些活動標志著大系統理論的誕生。

6）人工智慧和模式識別

用機器來模擬人的智能，雖然是人類很早以前就有的願望，但其實現還是從有了電子計算機以後才開始的。1936年，圖靈提出了用機器進行邏輯推理的想法。50年代以來，人工智慧的研究是基於充分發揮計算機的用途而展開的。

早期的人工智慧研究是從探索人的解題策略開始，即從智力難題﹑弈棋﹑難度不大的定理證明入手，總結人類解決問題時的心理活動規律，然後用計算機模擬，讓計算機表現出某種智能。1948年美國數學家維納在《控制論》一書的附註中首先提出製造弈棋機的問題。1954年美國國際商業機器公司（IBM）的工程師塞繆爾應用啟發式程序編成跳棋程序，存儲在電子數字計算機內，製成能積累下棋經驗的弈棋機。1959年該弈棋機擊敗了它的設計者。1956年赫伯特·西蒙和艾倫·紐厄爾等研製了一個稱為邏輯理論家的程序，用電子數字計算機證明了懷特海和羅素的名著《數學原理》第二章52條定理中的33條定理。1956年M．L．明斯基、J．麥卡錫、紐厄爾、西蒙等10位科學家發起在達特茅斯大學召開人工智慧學術討論會，標志人工智慧這一學科正式誕生。1960年人工智慧的4位奠基人，即美國斯坦福大學的麥卡錫、麻省理工學院的明斯基、卡內基梅隆大學的紐厄爾和西蒙組成了第一個人工智慧研究小組，有力地推動了人工智慧的發展。從1967年開始出版不定期刊物《機器智能》，共出版了9集。從1970年開始出版期刊《人工智慧》。從1969年開始每兩年舉行一次人工智慧國際會議（IJCAI）。這些活動進一步促進了人工智慧的發展。70年代以來微電子技術和微處理機的迅速發展，使人工智慧和計算機技術結合起來。一方面在設計高級計算機時廣泛應用人工智慧的成果，另一方面又利用超級微處理機實現人工智慧，大大地加速了人工智慧的研究和應用。人工智慧的基礎是知識獲取﹑表示技術和推理技術，常用的人工智慧語言則是LISP語言和PROLOG語言，人工智慧的研究領域涉及自然語言理解﹑自然語言生成﹑機器視覺﹑機器定理證明﹑自動程序設計﹑專家系統和智能機器人等方面。人工智慧已發展成為系統和控制研究的前沿領域。

1977年E．A．費根鮑姆在第五屆國際人工智慧會議上提出了知識工程問題。知識工程是人工智慧的一個分支，它的中心課題就是構造專家系統。1973—1975年費根鮑姆領導斯坦福大學的一個研究小組研製成功一個用於診治血液傳染病和腦膜炎的醫療專家系統MYCIN，能學習專家醫生的知識，模仿醫生的思維和診斷推理，給出可靠的診治建議。1978年費根鮑姆等人研製成功水平很高的化學專家系統DENDRAL。1982年美國學者W．R．納爾遜研製成功診斷和處理核反應堆事故的專家系統REACTOR。中國也已經研製成功中醫專家系統和蠶育種專家系統。現在專家系統已應用在醫學﹑機器故障診斷﹑飛行器設計﹑地質勘探﹑分子結構和信號處理等方面。

為了擴大計算機的應用，使計算機能直接接受和處理各種自然的模式信息，即語言﹑文字﹑圖像﹑景物等，模式識別研究受到人們的重視。1956年，塞爾弗里奇等人研製出第一個字元識別程序，隨後出現了字元識別系統和圖像識別系統，並形成了以統計法和結構法為核心的模式識別理論，語音識別和自然語言理解的研究也取得了較大進展，為人和計算機的直接通信提供了新的介面。

60年代末到70年代初美國麻省理工學院﹑美國斯坦福大學和英國愛丁堡大學對機器人學進行了許多理論研究，注意到把人工智慧的所有技術綜合在一起，研製出智能機器人，如麻省理工學院和斯坦福大學的手眼裝置﹑日立公司有視覺和觸覺的機器人等。由於機器人在提高生產率，把人從危險﹑惡劣等工作條件下替換出來，擴大人類的活動范圍等方面顯示出極大的優越性，所以受到人們的重視。機器人技術發展很快，並得到越來越廣泛的應用，並在工業生產﹑核電站設備檢查﹑維修﹑海洋調查﹑水下石油開采﹑宇宙探測等方面大顯身手，正在研究中的軍用機器人也具有較大的潛在應用價值。關於機器人的設計﹑製造和應用的技術形成了機器人學。

總結人工智慧研究的經驗和教訓，人們認識到，讓機器求解問題必須使機器具有人類專家解決問題的那些知識，人工智慧的實質應是如何把人的知識轉移給機器的問題。1977年，費根鮑姆首倡專家系統和知識工程，於是以知識的獲取﹑表示和運用為核心的知識工程發展起來。自70年代以來，人工智慧學者已研製出用於醫療診斷﹑地質勘探﹑化學數據解釋和結構解釋﹑口語和圖像理解﹑金融決策﹑軍事指揮﹑大規模集成電路設計等各種專家系統。智能計算機﹑新型感測器﹑大規模集成電路的發展為高級自動化提供了新的控制方法和工具。

50年代以來，在探討生物及人類的感覺和思維機制，並用機器進行模擬方面，取得一些進展，如自組織系統﹑神經元模型﹑神經元網路腦模型等，對自動化技術的發展有所啟迪。同一時期發展起來的一般系統論﹑耗散結構理論﹑協同學和超循環理論等對自動化技術的發展提供了新理論和新方法。

Ⅵ 從仿生學的角度來看,你認為這種發現對科學發展有什麼價值

仿生設計學

仿生設計學,亦可稱之為設計仿生學（Design Bionics）,它是在仿生學和設計學的基礎上發展起來的一門新興邊緣學科，主要涉及到數學、生物學、電子學、物理學、控制論、資訊理論、人機學、心理學、材料學、機械學、動力學、工程學、經濟學、色彩學、美學、傳播學、倫理學等相關學科。
仿生設計學與舊有的仿生學成果應用不同，它是以自然界萬事萬物的「形」、「色」、「音」、「功能」、「結構」等為研究對象，有選擇地在設計過程中應用這些特徵原理進行的設計，同時結合仿生學的研究成果，為設計提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途徑。在某種意義上，仿生設計學可以說是仿生學的延續和發展，是仿生學研究成果在人類生存方式中的反映。
仿生設計學作為人類社會生產活動與自然界的鍥合點，使人類社會與自然達到了高度的統一，正逐漸成為設計發展過程中新的亮點。

自古以來，自然界就是人類各種科學技術原理及重大發明的源泉。生物界有著種類繁多的動植物及物質存在，它們在漫長的進化過程中，為了求得生存與發展，逐漸具備了適應自然界變化的本領。人類生活在自然界中，與周圍的生物作「鄰居」，這些生物各種各樣的奇異本領，吸引著人們去想像和模仿。人類運用其觀察、思維和設計能力，開始了對生物的模仿，並通過創造性的勞動，製造出簡單的工具，增強了自己與自然界斗爭的本領和能力。
人類最初使用的工具——木棒和石斧，無疑是使用的天然木棒和天然石塊；骨針的使用，無疑是魚刺的模仿……所有這些工具的創造、生活方式的選擇都不能說是人類憑空想像出來的，只能說是對自然中存在的物質及某種構成方式的直接模擬，是人類初級創造階段，也可以說是仿生設計的起源和雛形，它們雖然是比較粗糙的、表面的，但卻是我們今天得以發展的基礎。
在我國，早就有著模仿生物的事例。相傳在公元前三千多年，我們的祖先有巢氏模仿鳥類在樹上營巢，以防禦猛獸的傷害；四千多年前，我們的祖先「見飛蓬轉而知為車」，即見到隨風旋轉的飛蓬草而發明輪子，做有裝成輪子的車。古代廟宇中大殿之前的山門的建造，就其建築結構來看，頗有點像大象的架勢，柱子又圓又粗，彷彿像大象的腿。
我國古代勤勞勇敢的勞動人民對於絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想。根據秦漢時期史書記載，兩千多年前，我國人民就發明了風箏，並且應用於軍事聯絡。春秋戰國時代，魯國匠人魯班，本名公輸般，首先開始研製能飛的木鳥；並且他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉得到啟示而發明了鋸子。據《杜陽雜編》記載，唐朝有個韓志和，「善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀，飲啄動靜與真無異，以關戾置於腹內，發之則凌雲奮飛，可高達三丈至一二百步外，始卻下。」西漢時期，有人用鳥的羽毛做成翅膀，從高台上飛下來，企圖模仿鳥的飛行。以上幾例，足以說明我國古代勞動人民對鳥類的撲翼和飛行，進行了細致的觀察和研究，這也是最早的仿生設計活動之一。明代發明的一種火箭武器「神火飛鴉」，也反映了人們向鳥類借鑒的願望。

我國古代勞動人民對水生動物——魚類的模仿也卓有成效。通過對水中生活的魚類的模仿，古人伐木鑿船，用木材做成魚形的船體，仿照魚的胸鰭和尾鰭製成雙槳和單櫓，由此取得水上運輸的自由。後來隨製作水平提高而出現的龍船，多少受到了不少動物外形的影響。古代水戰中使用的火箭武器 「火龍出水」，多少有點模仿動物的意思。以上事例說明，我國古代勞動人民早期的仿生設計活動，為開發我國光輝燦爛的古代文明，創造了非凡的業績。
外國的文明史上，大致也經歷了相似的過程。在包含了豐富生產知識的古希臘神話中，有人用羽毛和蠟做成翅膀，逃出迷宮；還有泰爾發明了鋸子，傳說這是從魚背骨和蛇的齶骨的形狀受到啟示而創造出來的。十五世紀時，德國的天文學家米勒製造了一隻鐵蒼蠅和一隻機械鷹，並進行了飛行表演。
一八ОΟ年左右，英國科學家、空氣動力學的創始人之一—凱利，模仿鱒魚和山鷸的紡錘形，找到阻力小的流線型結構。凱利還模仿鳥翅設計了一種機翼曲線，對航空技術的誕生起了很大的促進作用。同一時期，法國生理學家馬雷，對鳥的飛行進行了仔細的研究，在他的著作《動物的機器》一書中，介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關系。德國人亥姆霍茲也從研究飛行動物中，發現飛行動物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。人們通過對鳥類飛行器官的詳細研究和認真的模仿，根據鳥類飛行機構的原理，終於製造了能夠載人飛行的滑翔機。
後來，設計師又根據鶴的體態設計出了掘土機的懸臂，在一戰期間，人們從毒氣戰倖存的野豬身上中獲得啟示，模仿野豬的鼻子設計出了防毒面具。在海洋中浮沉靈活的潛水艇又是運用了哪些原理？雖然我們無據考察潛艇設計師在設計潛艇時是否請教了生物界，但是不難設想，設計師一定懂得魚鰾是魚類用來改變身體同水的比重，使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陸兩棲動物，體育工作者就是認真研究了青蛙在水中的運動姿勢，總結出一套既省力、又快速的游泳動作——蛙泳。另外，為潛水員製作的蹼，幾乎完全按照青蛙的後肢形狀做成，這就大大提高了潛水員在水中的活動能力。

二、仿生設計的歷史

自古以來，自然界就是人類各種科學技術原理及重大發明的源泉。生物界有著種類繁多的動植物及物質存在，它們在漫長的進化過程中，為了求得生存與發展，逐漸具備了適應自然界變化的本領。人類生活在自然界中，與周圍的生物作「鄰居」，這些生物各種各樣的奇異本領，吸引著人們去想像和模仿。人類運用其觀察、思維和設計能力，開始了對生物的模仿，並通過創造性的勞動，製造出簡單的工具，增強了自己與自然界斗爭的本領和能力。
人類最初使用的工具——木棒和石斧，無疑是使用的天然木棒和天然石塊；骨針的使用，無疑是魚刺的模仿……所有這些工具的創造、生活方式的選擇都不能說是人類憑空想像出來的，只能說是對自然中存在的物質及某種構成方式的直接模擬，是人類初級創造階段，也可以說是仿生設計的起源和雛形，它們雖然是比較粗糙的、表面的，但卻是我們今天得以發展的基礎。
在我國，早就有著模仿生物的事例。相傳在公元前三千多年，我們的祖先有巢氏模仿鳥類在樹上營巢，以防禦猛獸的傷害；四千多年前，我們的祖先「見飛蓬轉而知為車」，即見到隨風旋轉的飛蓬草而發明輪子，做有裝成輪子的車。古代廟宇中大殿之前的山門的建造，就其建築結構來看，頗有點像大象的架勢，柱子又圓又粗，彷彿像大象的腿。
我國古代勤勞勇敢的勞動人民對於絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想。根據秦漢時期史書記載，兩千多年前，我國人民就發明了風箏，並且應用於軍事聯絡。春秋戰國時代，魯國匠人魯班，本名公輸般，首先開始研製能飛的木鳥；並且他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉得到啟示而發明了鋸子。據《杜陽雜編》記載，唐朝有個韓志和，「善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀，飲啄動靜與真無異，以關戾置於腹內，發之則凌雲奮飛，可高達三丈至一二百步外，始卻下。」西漢時期，有人用鳥的羽毛做成翅膀，從高台上飛下來，企圖模仿鳥的飛行。以上幾例，足以說明我國古代勞動人民對鳥類的撲翼和飛行，進行了細致的觀察和研究，這也是最早的仿生設計活動之一。明代發明的一種火箭武器「神火飛鴉」，也反映了人們向鳥類借鑒的願望。

我國古代勞動人民對水生動物——魚類的模仿也卓有成效。通過對水中生活的魚類的模仿，古人伐木鑿船，用木材做成魚形的船體，仿照魚的胸鰭和尾鰭製成雙槳和單櫓，由此取得水上運輸的自由。後來隨製作水平提高而出現的龍船，多少受到了不少動物外形的影響。古代水戰中使用的火箭武器 「火龍出水」，多少有點模仿動物的意思。以上事例說明，我國古代勞動人民早期的仿生設計活動，為開發我國光輝燦爛的古代文明，創造了非凡的業績。
外國的文明史上，大致也經歷了相似的過程。在包含了豐富生產知識的古希臘神話中，有人用羽毛和蠟做成翅膀，逃出迷宮；還有泰爾發明了鋸子，傳說這是從魚背骨和蛇的齶骨的形狀受到啟示而創造出來的。十五世紀時，德國的天文學家米勒製造了一隻鐵蒼蠅和一隻機械鷹，並進行了飛行表演。
一八ОΟ年左右，英國科學家、空氣動力學的創始人之一—凱利，模仿鱒魚和山鷸的紡錘形，找到阻力小的流線型結構。凱利還模仿鳥翅設計了一種機翼曲線，對航空技術的誕生起了很大的促進作用。同一時期，法國生理學家馬雷，對鳥的飛行進行了仔細的研究，在他的著作《動物的機器》一書中，介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關系。德國人亥姆霍茲也從研究飛行動物中，發現飛行動物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。人們通過對鳥類飛行器官的詳細研究和認真的模仿，根據鳥類飛行機構的原理，終於製造了能夠載人飛行的滑翔機。
後來，設計師又根據鶴的體態設計出了掘土機的懸臂，在一戰期間，人們從毒氣戰倖存的野豬身上中獲得啟示，模仿野豬的鼻子設計出了防毒面具。在海洋中浮沉靈活的潛水艇又是運用了哪些原理？雖然我們無據考察潛艇設計師在設計潛艇時是否請教了生物界，但是不難設想，設計師一定懂得魚鰾是魚類用來改變身體同水的比重，使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陸兩棲動物，體育工作者就是認真研究了青蛙在水中的運動姿勢，總結出一套既省力、又快速的游泳動作——蛙泳。另外，為潛水員製作的蹼，幾乎完全按照青蛙的後肢形狀做成，這就大大提高了潛水員在水中的活動能力。

三、仿生設計的發展

到了近代，生物學、電子學、動力學等學科的發展亦促進了仿生設計學的發展。以飛機的產生為例：
在經過無數次模仿鳥類的飛行失敗後，人們通過不泄的努力，終於找到了鳥類能夠飛行的原因：鳥的翅膀上彎下平，飛行時，上面的氣流比下面的快，由此形成下面的壓力比上面的大，於是翅膀就產生了垂直向上的升力，飛的越快，升力越大。
1852年，法國人季法兒發明了氣球飛船；1870年，德國人奧托.利連塔爾製造了第一架滑翔機。利連塔爾是十九世紀末的一位具有大無畏冒險精神的人，他望著家鄉波美拉尼亞的鸛用笨拙的翅膀從他房頂上飛過，他堅信人能飛行。1891年，他開始研製一種弧形肋狀蝙蝠翅膀式的單翼滑翔機，自己還進行試飛；此後五年，他進行了2000多次滑翔飛行，並同鳥類進行了對比研究，提供了很有價值的資料。資料證明：氣流流經機翼上部曲面所走路程，比氣流流經機翼下平直表面距離較長，因而也較快，這樣才能保證氣流在機翼的後緣點匯合；上部氣流由於走的較快，它就較為稀薄，從而產生強大吸力，約占機翼升力的三分之二大小；其餘的升力來自翼下氣流對機翼的壓力。
19世紀末，內燃機的出現，給了人類有史以來一直夢寐以求的東西：翅膀。不用說這種翅膀是笨拙的、原始的和不可靠的，然而這卻是使人類能隨風伴鳥一起飛翔的翅膀。
萊特兄弟發明了真正意義上的飛機。在飛機的設計製作過程中，怎樣使飛機拐彎和怎樣使它穩定一直困繞著他們。為此，萊特兄弟又研究了鳥的飛行。例如，他們研究鶙鵳怎樣使一隻翅膀下落，靠轉動這只下落的翅膀保持平衡；這只翅膀上增大的壓力怎樣使鶙鵳保持穩定和平衡。這兩個人給他們的滑翔機裝上翼梢副翼進行這些實驗，由地面上的人用繩控制，使之能轉動或彎翹。他們的第二個成功的實驗是用操縱飛機後部一個可轉動的方向舵來控制飛機的方向，通過方向舵使飛機向左或向右轉彎。
後來，隨著飛機的不斷發展，它們逐漸失去了原來那些笨重而難看的體形，它們變的更簡單，更加實用。機身和單曲面機翼都呈現出象海貝、魚和受波浪沖洗的石頭所具有的自然線條。飛機的效率增加了，比以前飛的更快，飛的更高。到了現代，科學高度發展但環境破*、生態失衡、能源枯竭，人類意識到了重新認識自然，探討與自然更加和諧的生存方式的高度緊迫感，亦認識到仿生設計學對人類未來發展的重要性。特別是一九六Ο年秋，在美國俄亥俄州召開了第一次仿生學討論會，成為仿生學的正式誕生之日。
此後，仿生技術取得了飛躍的發展，並獲得了廣泛的應用。仿生設計亦隨之獲得突飛猛進的發展，一大批仿生設計作品如智能機器人、雷達、聲納、人工臟器、自動控制器、自動導航器等等應運而生。
近代，科學家根據青蛙眼睛的特殊構造研製了電子蛙眼，用於監視飛機的起落和跟蹤人造衛星；根據空氣動力學原理仿照鴨子頭形狀而設計的高速列車；模仿某些魚類所喜歡的聲音來誘捕魚的電子誘魚器；通過對螢火蟲和海蠅地發光原理的研究，獲得了化學能轉化為光能的新方法，從而研製出化學熒光燈等等。

目前，仿生設計學在對生物體幾何尺寸及其外形的模仿同時，還通過研究生物系統的結構、功能、能量轉換、信息傳遞等各種優異特徵，並把它運用到技術系統中，改善已有的工程設備，並創造出新的工藝、自動化裝置、特種技術元件等技術系統；同時仿生設計學為創造新的科學技術裝備、建築結構和新工藝提供原理、設計思想或規劃藍圖，亦為現代設計的發展提供了新的方向，並充當了人類社會與自然界溝通信息的「紐帶」。
對人腦的探索，可以展望未來的電子計算機有可能具有生物原理的功能。同它相比，現在的電子計算機只能作為算盤。
對植物光合作用的研究，將為延長人類的壽命、治療疾病提供一個嶄新的醫學發展途徑。
對生物體結構和形態的研究，有可能使未來的建築、產品改變模樣。使人們從「城市」這個人造物理環境中重新回歸「自然」。
信天翁是一種海鳥，它具有淡化海水的器官——「去鹽器」。對其「去鹽器」的結構及其工作原理的研究，可以啟發人們去改善舊的或創造出新的海水淡化裝置。
白蟻能把吃下去的木質轉化為脂肪和蛋白質，對其機理的研究，將會對人工合成這些物質有所啟發。
同時仿生設計亦可對人類的生命和健康造成巨大的影響。例如人們可以通過仿生技術，設計製造製造出人造器官，如血管、腎、骨膜、關節、食道、氣管、尿道、心臟、肝臟、血液、子宮、肺、胰、眼、耳以及人工細胞。專家預測，在本世紀中後期，除腦以外人的所有器官都可以用人工器官代替。例如，模擬血液的功能，可以製造、傳遞養料及廢物，並能與氧氣及二氧化碳自動結合並分離的液態碳氫化合物人工血；模擬腎功能，用多孔纖維增透膜製成血液過濾器，也就是人工腎；模擬肝臟，根據活性碳或離子交換樹脂吸附過濾有毒物質，製成人工肝解毒器；模擬心臟功能，用血液和單向導通驅動裝置，組成人工心臟自動循環器。
隨著對宇宙的開發、認識，又將使人類不但認識宇宙中新形式的生命，而且將為人類提供嶄新的設計，創造出地球上前所未有的新的裝置……

仿生設計學的特點與研究內容

仿生設計學是仿生學與設計學互相交叉滲透而結合成的一門的邊緣學科，其研究范圍非常廣泛，研究內容豐富多彩，特別是由於仿生學和設計學涉及到自然科學和社會科學的許多學科，因此也就很難對仿生設計學的研究內容進行劃分。這里，我們是基於對所模擬生物系統在設計中的不同應用而分門別類的。歸納起來，仿生設計學的研究內容主要有：
1、形態仿生設計學研究的是生物體（包括動物、植物、微生物、人類）和自然界物質存在（如日、月、風、雲、山、川、雷、電等）的外部形態及其象徵寓意，以及如何通過相應的藝術處理手法將之應用與設計之中。
2、功能仿生設計學主要研究生物體和自然界物質存在的功能原理，並用這些原理去改進現有的或建造新的技術系統，以促進產品的更新換代或新產品的開發。
3、視覺仿生設計學研究生物體的視覺器官對圖象的識別、對視覺信號的分析與處理，以及相應的視覺流程；他廣泛應用與產品設計、視覺傳達設計和環境設計之中。
4、結構仿生設計學主要研究生物體和自然界物質存在的內部結構原理在設計中的應用問題，適用與產品設計和建築設計。研究最多的是植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、骨骼的結構。
從國內外仿生設計學的發展情況來看，形態仿生設計學和功能仿生設計學是目前研究的重點。在本文中，還將著重介紹形態仿生學和功能仿生設計學的一些情況。

作為一門新興的邊緣交叉學科，仿生設計學具有某些設計學和仿生學的特點，但他又有別與這兩門學科。具體說來，仿生設計學具有如下特點：
1、 藝術科學性
仿生設計學是現代設計學的一個分支、一個補充。同其它設計學科一樣，仿生設計學亦具有它們的共同特性——藝術性。鑒於仿生設計學是以一定的設計原理為基礎、以一定的仿生學理論和研究成果為依據，因此具有很嚴謹的科學性。
2、 商業性
仿生設計學為設計服務，為消費者服務，同時優秀的仿生設計作品亦可刺激消費、引導消費、創造消費。
3、 無限可逆性
以仿生設計學為理論依據的仿生設計作品都可以在自然界中找到設計的原型，該作品在設計、投產、銷售過程中所遇到的各種問題又可以促進仿生設計學的研究與發展。仿生學的研究對象是無限的，仿生設計學的研究對象亦是無限的；同理，仿生設計的原型也是無限的，只要潛心研究大自然，我們永遠不會有江郎才盡的一天。
4、 學科知識的綜合性
要熟悉和運用仿生設計學，必須具備一定的數學、生物學、電子學、物理學、控制論、資訊理論、人機學、心理學、材料學、機械學、動力學、工程學、經濟學、色彩學、美學、傳播學、倫理學等相關學科的基本知識。
5、 學科的交叉性
要深入研究和了解仿生設計學，必須在設計學的基礎上，既要了解生物學、社會科學的基礎知識，又要對當前仿生學的研究成果有清晰的認識。它是產生於幾個學科交叉點上的一種新型交叉學科。

五、仿生設計學的研究方法

仿生設計學的研究方法主要為「模型分析法」：
1、創造生物模型和技術模型
首先從自然中選取研究對象，然後依此對象建立各種實體模型或虛擬模型，用各種技術手段（包括材料、工藝、計算機等）對它們進行研究，做出定量的數學依據；通過對生物體和模型定性的、定量的分析，把生物體的形態、結構轉化為可以利用在技術領域的抽象功能，並考慮用不同的物質材料和工藝手段創造新的形態和結構。
① 從功能出發、研究生物體結構形態——製造生物模型。
找到研究對象的生物原理，通過對生物的感知，形成對生物體的感性認識。從功能出發，研究生物的結構形態，在感性認識的基礎上，除去無關因素，並加以簡化，提出一個生物模型。對照生物原型進行定性的分析，用模型模擬生物結構原理。目的是研究生物體本身的結構原理。
② 從結構形態出發，達到抽象功能——製造技術模型
根據對生物體的分析，做出定量的數學依據，用各種技術手段（包括材料、工藝等）製造出可以在產品上進行實驗的技術模型。牢牢掌握量的尺度，從具象的形態和結構中，抽象出功能原理。目的是研究和發展技術模型本身。
2、可行性分析與研究
建立好模型後，開始對它們進行各種可行性的分析與研究：
① 功能性分析
找到研究對象的生物原理，通過對生物的感知，形成對生物體的感性認識。從功能出發，對照生物原型進行定性的分析。
② 外部形態分析
對生物體的外部形態分析，可以是抽象的，也可以是具象的。在此過程中重點考慮的是人機工學、寓意、材料與加工工藝等方面的問題。
③ 色彩分析
進行色彩的分析同時，亦要對生物的生活環境進行分析，要研究為什麼是這種色彩？在這一環境下這種色彩有什麼功能？
④ 內部結構分析
研究生物的結構形態，在感性認識的基礎上，除去無關因素，並加以簡化，通過分析，找出其在設計中值得借鑒合利用的地方。
⑤ 運動規律分析
利用現有的高科技手段，對生物體的運動規律進行研究，找出其運動的原理，針對性的解決設計工程中的問題。
當然，我們還可以就生物體的其它方面進行各種可行性分析。
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-- 作者：文丐
-- 發布時間：2004-9-15 7:41:15

-- 仿生搓洗引爆洗衣機新革命

仿生是高科技的代名詞，它是指運用尖端的科學技術，來模仿生物的各種官能感覺和思維判功能，更加有效地為人數服務。各國都在不遺餘力地加大在仿生學方面的研究。可以說，仿生學研究程度的高低，是國家綜合國力的重要標志之一。榮事達集團研製開發的「仿生搓洗」全自動洗衣機最近推向市場，將仿生技 術運用於洗衣機領域，產生了革命性的影響。

據了解，這種洗衣機首先具有神經智能網路功能，可以模仿人的恩維判斷能力，根據衣物的重量、質地、臟污程度來自行決定洗滌程序、洗滌時間和水位的高低，從而達到最佳的洗滌狀態。其次，具有搓衣板的功能。洗衣機內的搓洗棒能夠像手一樣隨心所欲地來回搓動，這種搓動被控制在300度以內，能夠保證把衣服洗干凈又防止衣服纏繞。三是它去除了傳統洗衣機因機械傳動裝置所包含的機械連桿、曲柄、齒輪等部件轉動所帶來的噪音，採用直流永磁無刷電機直接驅動，有效地防止噪音的產生。

直流永磁無刷電機可節電50％

採用直流永磁無刷電機，在電子驅動器的控制下可實現無級調速，並可精確地控制搓洗棒每次轉動的次數和角度。因此，不同的衣物質地、臟污程度可以設定不同的洗滌程序，有效地模仿了人工搓洗的快慢節奏和力度，實現「仿生」搓洗。另外，採用直流永磁電機比採用交流電機節電50％。

電子剎車技術把噪音降到最低

有洗衣機的消費者會有因噪音大而煩惱的體會，他們在換購洗衣機時總希望擁有一台沒有噪音的洗衣機。「仿生搓洗」洗衣機則恰好能滿足這一點。

這主要是因為「仿生搓洗」洗衣機採用電子擎實現電子剎車，剎車時由電機本身迅速降速，從而避免了像其他洗衣機採用機械摩擦剎車時產生的噪音和振動，實現了靜音運轉。

搓洗棒確保洗滌過程中不產生碎屑

有洗衣機使用經驗的消費者知道，洗衣機的洗滌桶上部都有一個過濾網，用來過濾衣物在洗滌時產生的碎屑。但是「仿生搓洗」洗衣機卻沒有這種過濾網，為什麼呢？業內專家解釋，這是因為「仿生搓洗」洗衣機的內部構造根本有別於波輪式和滾筒式洗衣機。「仿生搓洗」洗衣機採用的驅動擎是豎立的搓洗棒，能夠使動能從中央向四周傳遞。當洗衣機啟動時，搓洗棒帶動衣物沿著桶壁運動的角度不超過300度，有效避免了衣物因連續旋轉而形成的纏繞，以及與桶壁摩擦產生的碎屑，洗得干凈、不纏繞、無摩擦，當然不需要過濾網。衣物沿桶壁來回運動與衣物在搓衣板上的來回運動極其相似，並能達到手洗效果，「仿生搓洗」洗衣機也由此得名。

（選自《精品購物指南 》）

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-- 作者：枯藤老樹
-- 發布時間：2004-9-20 17:56:29

-- 論仿生製造

師 漢 民

摘 要 闡明製造過程與生命現象之間的相似之處：基於自組織機制的有序化、基於信息模型的個體復制，以及通過進化過程形成的高度適應性。論述仿生製造的基本內涵，指出現代製造科學應該從生命現象及生命科學中學習與借鑒的主要內容，它們包括完善的信息技術、由基因控制的生長型的加工成形方法、性能超群的有機材料、奇妙的生物智能、高效的尋優與趨優方法，以及先進的組織結構和運行模式。提出關於加強學科間的聯合，促進仿生製造技術研究的建議。

-- 結構構件
對於構件，在截面面積相同的情況下，把材料盡可能放到遠離中和軸的位置上，是有效的截面形狀。有趣的是，在自然界許多動植物的組織中也體現了這個結論。例如：「疾風知勁草」，許多能承受狂風的植物的莖部是維管狀結構，其截面是空心的。支持人承重和運動的骨骼，其截面上密實的骨質分布在四周，而柔軟的骨髓充滿內腔。在建築結構中常被採用的空心樓板、箱形大梁、工形截面鈑梁以及折板結構、空間薄壁結構等都是根據這條結論得來的。
-- 斑馬
斑馬生活在非洲大陸，外形與一般的馬沒有什麼兩樣，它們身上的條紋是為適應生存環境而衍化出來的保護色。在所有斑馬中，細斑馬長得最大最美。它的肩高140-160厘米，耳朵又圓又大，條紋細密且多。斑馬常與草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鴕鳥等共外，以抵禦天敵。人類將斑馬條紋應用到到

Ⅶ 自動化技術在天宮一號和神八的對接中的應用

與天宮一號發射窗口寬度為15分鍾不同的是，神舟八號飛船的發射窗口將是一個精確到秒的「零窗口」。張道昶說，在空間交會對接飛行試驗過程中，天宮一號與神舟八號的發射時間是相互關聯的。天宮一號發射升空以後，將會建立一個對接軌道。神舟八號必須要按照進入對接軌道的需求確定精確的發射窗口，以使飛船入軌後與天宮一號形成軌道共面。發射前天氣是影響「零窗口」發射的重要因素，在發射前，酒泉衛星發射中心根據接收天文平台報時給出的實時天氣狀況將做出是否適合發射的判斷。郭忠來說，一旦確定發射，點火控制終端最終實施自動點火，而不再需要人工按鈕點火。
神八與天宮一號對接後，英國廣播公司（BBC）是第一批發布天宮一號和神八對接這一消息的外國媒體。它在報道中寫道，3日凌晨的這次對接發生在340公里的中國高空。整個過程是全自動的，但北京航天飛行控制中心在地面實行監控。「神八」和「天宮一號」兩個飛行器利用雷達和光學感測器測算彼此的距離，引導著它們慢慢靠近並成功對接。從飛行器發回地球的視頻中可清楚看到兩個飛行器緊密對接的最終時刻。自最初接觸到最終確認成功對接共耗時10分鍾。
據了解，要實現兩個航天器在太空的「相遇」和「相連」，也就是交會對接，就必須清楚兩個航天器當時的飛行狀態參數，例如飛行的速度、相對的角度和之間的距離等等。當了解了這些數據，強大的計算機系統就可以計算出控制指令，「命令」他們朝「相遇點」前進。神八飛船與天宮一號從對接機構接觸開始，要在15分鍾內完成捕獲、緩沖、拉近和鎖緊四個過程，最終實現兩個航天器之間的剛性連接，形成組合體。至此，第一次交會對接任務結束，而這15分鍾內的大部分事件，是在中國上空完成的。而這些高級的操作都是電腦自動執行的。
天宮一號實驗艙前段安裝了一個交會對接結構，這是天宮一號目標飛行器和神舟飛船進行對接聯通的關鍵所在。2002年起上海航天技術研究院就開始研製對接裝置，已經進行了大量的地面試驗，2009年進入初樣研製階段，從天宮一號的視頻和圖片看，中國的對接裝置仿製俄羅斯APAS-89對接裝置，公開報道中和APAS-89一致的0.8米內部直徑也驗證了這一猜測。從現有資料看，中國的交會對接將使用高精度的激光雷達測量相對姿態，這是俄羅斯並未投入實用、歐日在ATV/HTV中開始使用的新技術，這說明中國載人航天技術並不僅是學習俄羅斯的成熟技術，而是著眼技術前沿，博採眾家之長。
神八飛船入軌時，兩個飛行器相距近1萬公里。迢迢星河，如何飛渡？國內7個測控站、3個飛控中心、3艘遠洋測量船、國外5個測控站、3個國際聯網合作站，再加上太空中的兩顆中繼衛星，組成了陸海天基「三位一體」的載人航天測控網，為神八和天宮一號的約會之旅全程保駕護航。
神八經過5次變軌，在天宮一號後下方約52公里處，捕獲目標，開始自主導航。而在10月30日19時34分，在北京航天飛行控制中心的控制下，天宮一號偏航180度，建立倒飛姿態，這標志著天宮一號已為實施首次空間交會對接做好了准備。神八到達天宮後下方約52公里位置後，轉入自主導引控制。在正常情況下，能不能找到天宮一號並順利對接，就得靠神八的「慧眼」了。這一關節點分成三個階段：尋的段、接近段、平移靠攏段。通過自主導引從52公里處到達天宮後下方5公里處，神八就完成了尋的任務。然而，短短的5公里它將進行4次「剎車」，等到測控通信系統對兩個飛行器狀態進行監視檢查、確認不會「撞車」後，才能繼續靠近。從對接機構接觸開始，神八飛船與天宮一號要在15分鍾內完成捕獲、緩沖、拉近和鎖緊四個過程，最終實現兩個航天器之間的剛性連接，形成組合體。至此，第一次交會對接任務結束，而這15分鍾內的大部分事件，是在我國上空完成的。而這一切，都是通過安裝在飛船與目標飛行器上的對接機構來完成的。這是我國目前最復雜的空間機構，由上萬個零部件組成。這次的對接機構是我國歷時十幾年完全自主研發的。第一次對接完成後，天宮一號與神八以組合體飛行模式飛行，通過天宮一號完成控制，神八處於停靠狀態。組合體在軌飛行12天左右，將擇機進行二次對接。對接機構解鎖，兩個飛行器分離，按程序進行二次對接後。與天宮一號二次分離後，神舟飛船將由倒飛轉入正飛狀態。此後飛船返回再入大氣層後，將降落在內蒙古主著陸場區。至此，神八飛船完成其歷史使命。

Ⅷ 仿生學的發明

蒼蠅，是細菌的傳播者，誰都討厭它。可是蒼蠅的楫翅（又叫平衡棒）是「天然導航儀」，人們模仿它製成了「振動陀螺儀」。這種儀器目前已經應用在火箭和高速飛機上，實現了自動駕駛。蒼蠅的眼睛是一種「復眼」，由30O0多隻小眼組成，人們模仿它製成了「蠅眼透鏡」。「蠅眼透鏡」是用幾百或者幾千塊小透鏡整齊排列組合而成的，用它作鏡頭可以製成「蠅眼照相機」，一次就能照出千百張相同的相片。這種照相機已經用於印刷製版和大量復制電子計算機的微小電路，大大提高了工效和質量。「蠅眼透鏡」是一種新型光學元件，它的用途很多。

自然界形形色色的生物，都有著怎樣的奇異本領？它們的種種本領，給了人類哪些啟發？模仿這些本領，人類又可以造出什麼樣的機器？這里要介紹的一門新興科學——仿生學。

鳥兒展翅可在空中自由飛翔。據《韓非子》記載魯班用竹木作鳥「成而飛之，三日不下」。然而人們更希望仿製鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中。早在四百多年前，義大利人利奧那多·達·芬奇和他的助手對鳥類進行仔細的解剖，研究鳥的身體結構並認真觀察鳥類的飛行。設計和製造了一架撲翼機，這是世界上第一架人造飛行器。

以上這些模仿生物構造和功能的發明與嘗試，可以認為是人類仿生的先驅，也是仿生學的萌芽。

【發人深省的對比】

人類仿生的行為雖然早有雛型，但是在20世紀40年代以前，人們並沒有自覺地把生物作為設計思想和創造發明的源泉。科學家對於生物學的研究也只停留在描述生物體精巧的結構和完美的功能上。而工程技術人員更多的依賴於他們卓越的智慧，辛辛苦苦的努力，進行著人工發明。他們很少有意識的向生物界學習。但是，以下幾個事實可以說明：人們在技術上遇到的某些難題，生物界早在千百萬年前就曾出現，而且在進化過程中就已解決了，然而人類卻沒有從生物界得到應有的啟示。

首先是對生物原型的研究。根據生產實際提出的具體課題，將研究所得的生物資料予以簡化，吸收對技術要求有益的內容，取消與生產技術要求無關的因素，得到一個生物模型；第二階段是將生物模型提供的資料進行數學分析，並使其內在的聯系抽象化，用數學的語言把生物模型「翻譯」成具有一定意義的數學模型；最後數學模型製造出可在工程技術上進行實驗的實物模型。當然在生物的模擬過程中，不僅僅是簡單的仿生，更重要的是在仿生中有創新。經過實踐——認識——再實踐的多次重復，才能使模擬出來的東西越來越符合生產的需要。這樣模擬的結果，使最終建成的機器設備將與生物原型不同，在某些方面甚上超過生物原型的能力。例如今天的飛機在許多方面都超過了鳥類的飛行能力，電子計算機在復雜的計算中要比人的計算能力迅速而可靠。

仿生學的基本研究方法使它在生物學的研究中表現出一個突出的特點，就是整體性。從仿生學的整體來看，它把生物看成是一個能與內外環境進行聯系和控制的復雜系統。它的任務就是研究復雜系統內各部分之間的相互關系以及整個系統的行為和狀態。生物最基本的特徵就是生物的自我更新和自我復制，它們與外界的聯系是密不可分的。生物從環境中獲得物質和能量，才能進行生長和繁殖；生物從環境中接受信息，不斷地調整和綜合，才能適應和進化。長期的進化過程使生物獲得結構和功能的統一，局部與整體的協調與統一。仿生學要研究生物體與外界刺激（輸入信息）之間的定量關系，即著重於數量關系的統一性，才能進行模擬。為達到此目的，採用任何局部的方法都不能獲得滿意的效果。因此，仿生學的研究方法必須著重於整體。

仿生學的研究內容是極其豐富多彩的，因為生物界本身就包含著成千上萬的種類，它們具有各種優異的結構和功能供各行業來研究。自從仿生學問世以來的二十幾年內，仿生學的研究得到迅速的發展，且取得了很大的成果。就其研究范圍可包括電子仿生、機械仿生、建築仿生、化學仿生等。隨著現代工程技術的發展，學科分支繁多，在仿生學中相應地開展對口的技術仿生研究。例如：航海部門對水生動物運動的流體力學的研究；航空部門對鳥類、昆蟲飛行的模擬、動物的定位與導航；工程建築對生物力學的模擬；無線電技術部門對於人神經細胞、感覺器宮和神經網路的模擬；計算機技術對於腦的模擬似及人工智慧的研究等。在第一屆仿生學會議上發表的比較典型的課題有：「人造神經元有什麼特點」、「設計生物計算機中的問題」、「用機器識別圖像」、「學習的機器」等。從中可以看出以電子仿生的研究比較廣泛。仿生學的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究，即動物的感覺器官、神經元、神經系統的整體作用。以後在機械仿生和化學仿生方面的研究也隨之開展起來，近些年又出現新的分支，如人體的仿生學、分子仿生學和宇宙仿生學等。

總之，仿生學的研究內容，從模擬微觀世界的分子仿生學到宏觀的宇宙仿生學包括了更為廣泛的內容。而當今的科學技術正是處於一個各種自然科學高度綜合和互相交叉、滲透的新時代，仿生學通過模擬的方法把對生命的研究和實踐結合起來，同時對生物學的發展也起了極大的促進作用。在其它學科的滲透和影響下，使生物科學的研究在方法上發生了根本的轉變；在內容上也從描述和分析的水平向著精確和定量的方向深化。生物科學的發展又是以仿生學為渠道向各種自然科學和技術科學輸送寶貴的資料和豐富的營養，加速科學的發展。閃此，仿生學的科研顯示出無窮的生命力，它的發展和成就將為促進世界整體科學技術的發展做出巨大的貢獻。

【仿生學的研究范圍】

仿生學的研究范圍主要包括：力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。

◇力學仿生，是研究並模仿生物體大體結構與精細結構的靜力學性質，以及生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環境中運動的動力學性質。例如，建築上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建築，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區域，又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結構，把人工海豚皮包敷在船艦外殼上，可減少航行揣流，提高航速；

◇分子仿生，是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害蟲舞毒蛾性引誘激素的化學結構後，合成了一種類似有機化合物，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺雄蟲；

◇能量仿生，是研究與模仿生物電器官生物發光、肌肉直接把化學能轉換成機械能等生物體中的能量轉換過程；

◇信息與控制仿生，是研究與模擬感覺器官、神經元與神經網路、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。例如,根據象鼻蟲視動反應製成的「自相關測速儀」可測定飛機著陸速度。根據鱟復眼視網膜側抑制網路的工作原理，研製成功可增強圖像輪廓、提高反差、從而有助於模糊目標檢測的—些裝置。已建立的神經元模型達100種以上，並在此基礎上構造出新型計算機。

模仿人類學習過程，製造出一種稱為「感知機」的機器，它可以通過訓練，改變元件之間聯系的權重來進行學習，從而能實現模式識別。此外，它還研究與模擬體內穩態，運動控制、動物的定向與導航等生物系統中的控制機制，以及人-機系統的仿生學方面。

某些文獻中，把分子仿生與能量仿生的部分內容稱為化學仿生，而把信息和控制仿生的部分內容稱為神經仿生。

仿生學的范圍很廣，信息與控制仿生是一個主要領域。一方面由於自動化向智能控制發展的需要，另一方面是由於生物科學已發展到這樣一個階段，使研究大腦已成為對神經科學最大的挑戰。人工智慧和智能機器人研究的仿生學方面——生物模式識別的研究，大腦學習記憶和思維過程的研究與模擬，生物體中控制的可靠性和協調問題等——是仿生學研究的主攻方面。

控制與信息仿生和生物控制論關系密切。兩者都研究生物系統中的控制和信息過程，都運用生物系統的模型。但前者的目的主要是構造實用人造硬體系統；而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術科學的理論出發，為生物行為尋求解釋。

最廣泛地運用類比、模擬和模型方法是仿生學研究方法的突出特點。其目的不在於直接復制每一個細節，而是要理解生物系統的工作原理，以實現特定功能為中心目的。—般認為，在仿生學研究中存在下列三個相關的方面：生物原型、數學模型和硬體模型。前者是基礎，後者是目的，而數學模型則是兩者之間必不可少的橋梁。

由於生物系統的復雜性，搞清某種生物系統的機制需要相當長的研究周期，而且解決實際問題需要多學科長時間的密切協作，這是限制仿生學發展速度的主要原因。

【仿生學的現象】

蒼蠅與宇宙飛船

令人討厭的蒼蠅，與宏偉的航天事業似乎風馬牛不相及，但仿生學卻把它們緊密地聯系起來了。

蒼蠅是聲名狼藉的「逐臭之夫」，凡是腥臭污穢的地方，都有它們的蹤跡。蒼蠅的嗅覺特別靈敏，遠在幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅並沒有「鼻子」，它靠什麼來充當嗅覺的呢? 原來，蒼蠅的「鼻子」——嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上。

每個「鼻子」只有一個「鼻孔」與外界相通，內含上百個嗅覺神經細胞。若有氣味進入「鼻孔」，這些神經立即把氣味刺激轉變成神經電脈沖，送往大腦。大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈沖的不同，就可區別出不同氣味的物質。因此，蒼蠅的觸角像是一台靈敏的氣體分析儀。

仿生學家由此得到啟發，根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能，仿製成功一種十分奇特的小型氣體分析儀。這種儀器的「探頭」不是金屬，而是活的蒼蠅。就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經上，將引導出來的神經電信號經電子線路放大後，送給分析器；分析器一經發現氣味物質的信號，便能發出警報。這種儀器已經被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內氣體的成分。

這種小型氣體分析儀，也可測量潛水艇和礦井裡的有害氣體。利用這種原理，還可用來改進計算機的輸入裝置和有關氣體色層分析儀的結構原理中。

從螢火蟲到人工冷光

自從人類發明了電燈，生活變得方便、豐富多了。但電燈只能將電能的很少一部分轉變成可見光，其餘大部分都以熱能的形式浪費掉了，而且電燈的熱射線有害於人眼。那麼，有沒有隻發光不發熱的光源呢? 人類又把目光投向了大自然。

在自然界中，有許多生物都能發光，如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等，而且這些動物發出的光都不產生熱，所以又被稱為「冷光」。

在眾多的發光動物中，螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1 500種,它們發出的冷光的顏色有黃綠色、橙色，光的亮度也各不相同。螢火蟲發出冷光不僅具有很高的發光效率，而且發出的冷光一般都很柔和，很適合人類的眼睛，光的強度也比較高。因此，生物光是一種人類理想的光。

科學家研究發現，螢火蟲的發光器位於腹部。這個發光器由發光層、透明層和反射層三部分組成。發光層擁有幾千個發光細胞，它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。在熒光酶的作用下，熒光素在細胞內水分的參與下，與氧化合便發出熒光。螢火蟲的發光，實質上是把化學能轉變成光能的過程。

早在40年代，人們根據對螢火蟲的研究，創造了日光燈，使人類的照明光源發生了很大變化。近年來，科學家先是從螢火蟲的發光器中分離出了純熒光素，後來又分離出了熒光酶，接著，又用化學方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當閃光燈。由於這種光沒有電源，不會產生磁場，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。

現在，人們已能用摻和某些化學物質的方法得到類似生物光的冷光，作為安全照明用。

電魚與伏特電池

自然界中有許多生物都能產生電，僅僅是魚類就有500餘種 。人們將這些能放電的魚，統稱為「電魚」。

各種電魚放電的本領各不相同。放電能力最強的是電鰩、電鯰和電鰻。中等大小的電鰩能產生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能產生的電壓高達220伏；非洲電鯰能產生350伏的電壓；電鰻能產生500伏的電壓，有一種南美洲電鰻竟能產生高達880伏的電壓，稱得上電擊冠軍,據說它能擊斃像馬那樣的大動物。

電魚放電的奧秘究竟在哪裡?經過對電魚的解剖研究， 終於發現在電魚體內有一種奇特的發電器官。這些發電器是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細胞構成的。由於電魚的種類不同，所以發電器的形狀、位置、電板數都不一樣。電鰻的發電器呈棱形，位於尾部脊椎兩側的肌肉中；電鰩的發電器形似扁平的腎臟，排列在身體中線兩側，共有200萬塊電板;電鯰的發電器起源於某種腺體，位於皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板。單個電板產生的電壓很微弱，但由於電板很多，產生的電壓就很大了。

電魚這種非凡的本領，引起了人們極大的興趣。19世紀初，義大利物理學家伏特，以電魚發電器官為模型，設計出世界上最早的伏打電池。因為這種電池是根據電魚的天然發電器設計的,所以把它叫做「人造電器官」。對電魚的研究，還給人們這樣的啟示：如果能成功地模仿電魚的發電器官，那麼，船舶和潛水艇等的動力問題便能得到很好的解決。

水母的順風耳

「燕子低飛行將雨，蟬鳴雨中天放晴。」生物的行為與天氣的變化有一定關系。沿海漁民都知道，生活在沿岸的魚和水母成批地游向大海，就預示著風暴即將來臨。

水母，又叫海蜇，是一種古老的腔腸動物，早在5億年前,它就漂浮在海洋里了。這種低等動物有預測風暴的本能，每當風暴來臨前，它就游向大海避難去了。

原來，在藍色的海洋上，由空氣和波浪摩擦而產生的次聲波 (頻率為每秒8—13次)，總是風暴來臨的前奏曲。這種次聲波人耳無法聽到，小小的水母卻很敏感。仿生學家發現，水母的耳朵的共振腔里長著一個細柄，柄上有個小球，球內有塊小小的聽石，當風暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時，聽石就剌激球壁上的神經感受器，於是水母就聽到了正在來臨的風暴的隆隆聲。

仿生學家仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳風暴預測儀，相當精確地模擬了水母感受次聲波的器官。把這種儀器安裝在艦船的前甲板上，當接受到風暴的次聲波時，可令旋轉360°的喇叭自行停止旋轉,它所指的方向，就是風暴前進的方向；指示器上的讀數即可告知風暴的強度。這種預測儀能提前15小時對風暴作出預報，對航海和漁業的安全都有重要意義。
開放分類：
生物、自然科學、自然、仿生學、學科

Ⅸ 高含水期油田原油預分水技術

胡長朝 黨 偉

（中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083）

摘 要 國內外大部分油田已進入高含水開發期，原油綜合含水率高達90％以上，造成原有地面系統超負荷運行，改造投資、能耗及運行成本急劇增大。針對這一問題，部分油田開始在集輸系統的接轉站實施預分水，分出的污水就地處理達標後回注地層。本文從技術原理、優缺點等方面對國內外普遍應用的預分水技術進行了評述，並對其未來的發展進行了展望。

關鍵詞 預分水 高含水期 展望

Predewatering Technology for Crude Oil of

High Water－cut Oilfield

HU Changchao，DANG Wei

（Exploration and Proction Research Institute，SINOPEC，

Beijing 100083，China）

Abstract Most of domestic and foreign oilfields have entered the high water－cut stage and the comprehensive water－cut of crude oil has reached as high as 90％ or above，which leads to the overload operation of the existing surface system and the rapid increases of the reconstruction investment，the energy consumption and the operating cost.For this problem，some oilfields begin to carry out predewatering at block stations of gathering and transferring systems，and the seperated sewage is treated in situ and reinjected to the ground after reaching the water quality standard.The paper reviews the predewatering technology commonly used at home and abroad from the aspects such as technical principle，advantages and disadvantages，and looks into its future development.

Key words predewatering；high water－cut stage；prospect

國內外油田開發都經歷著產油量上升階段、油量達到高峰穩產階段和油井見水、產量遞減3個階段^［1］。目前，我國東部主力油田大部分已進入高含水或特高含水開采期，原油綜合含水率已超過90％，有的油田甚至高達98％，油田開發已由 「採油」 變為 「采水」。在高含水期，含水率的小幅上升會導致液量的大幅度增加。以勝利油田為例，全油田綜合含水率在91％～92％時，含水率每增加0.1％，液量每年就增加約375×10⁴ t，增幅達1.25％。由於地面處理系統利用的是中、低含水期的生產設施，因而不能適應產液量劇增和以水為主的處理需求，主要存在以下問題：

1）集輸和污水處理系統處理能力明顯不足，超負荷運行，處理效率低下。

2）原有設施需不斷擴建，改造工程量和投資費用過大，並且原有流程的改造也十分困難。

3）能耗及成本增大。在油田中、低含水期開發階段建設的原油脫水站，大多採用兩段脫水工藝，高含水原油集輸至集中處理站後全部進入加熱爐加熱，大部分熱能消耗在對污水的加熱升溫上。在一個進站液量為1700×10⁴ m³/a、綜合含水率為95％的聯合站，將來液升溫7℃，僅一次加熱爐的燃油消耗就達1.45×10⁴t/a以上，其中污水吸收的熱能大約佔97％，造成了能量的極大浪費^［2］。脫出的污水需返輸至注水站，污水往返輸送成本、降回壓泵能耗、運行管理維護成本等增大。另外，隨著含水率的上升，油井排來液的溫度越來越低，熱量及化學助劑等的消耗進一步增大，導致噸液、噸油處理成本急劇增加。

4）大量污水的循環加速了管道和設備的腐蝕，縮短了設備的使用壽命。

實施預分水，盡早把污水分離出來，減少污水流動環節，可有效解決以上問題，大幅降低能耗、成本和改造投資，提高經濟效益。因此，國內外油田一方面加緊研究適應高含水期油田生產需要的預分水技術，成功研製出了末端分相管、水力旋流器等高效預分水裝置；另一方面對原有流程進行配套改造，增加預分水環節，由采出液全液在聯合站集中加熱脫水改為在各井場、分壓泵站、接轉站進行低溫預分水，分出的污水就地處理達標後回注地層，剩餘低含水油再送至聯合站集中加熱處理。目前，國內外常用的預分水技術主要有三相分離技術、旋流分離技術、末端分相技術、斜管預分水技術和低溫破乳技術。

1 三相分離技術

三相分離器的技術原理是油水混合液經設備進口進入設備，經進口分氣包預脫氣後進入水洗室，在水洗室中油水混合液發生碰撞、摩擦等降低界面膜的水洗過程分離出大部分的游離水，沒有分離的混合液經分配器布液和波紋板整流後進入沉降室，並在沉降室進行最終的油水分離，達到脫水的目的（圖1）。三相分離器綜合應用了來液預脫氣、淺池布液、水洗破乳、高效聚集整流和油水界面控制等數項技術，在國內外油田得到廣泛應用，其中尤以我國應用水平最高^［3］。

圖1 高效三相分離器原理圖

我國陸上油田大多將三相分離器改造為預分水器進行預分水。河南油田規劃設計研究院根據高含水期油田原油物化特性，研製出了HNS型三相分離器，其外形尺寸為φ3000mm×10608mm×10mm，分離器內分為預脫氣室、穩流室、水洗室、沉降分離室、油室、水室、氣相空間、氣包等部分。該型三相分離器採用了氣體預分離、二次捕霧技術和活性水水洗強化破乳技術，提高了油水分離效率；利用雙隔板結構U形管壓力平衡原理，實現了油水界面控制；合理配置設備與工藝控制的有機結合，提高了自動化水平。將HNS型三相分離器改造為預分水器，其處理能力為同規格傳統設備的4～8倍，針對河南油田密度為0.85g/cm³ 的輕質原油，經一次預分水處理，出口原油含水率在0.4％以下，污水含油低於500mg/L^［4］。

勝利油田 「十一五」 期間在33座聯合站推廣應用高效三相分離器152台，處理進站液量67.55×10⁴m³/d，原油含水率從85％～90％降至50％～60％，每天節省加熱燃料900t左右，取得了良好的節能降耗效果。以坨三站為例，進站液量為3.5×10⁴m³/d，應用高效三相分離器預分水後，分離器出油含水率由94％降低到15％，加熱液量下降了90％，年節約燃料油1068t。對於邊遠小斷塊油田，勝利油田將原來的高含水全液外輸至較遠聯合站、注水水源回調改為就地預分水處理後回注、低含水油外輸，在15座接轉站應用三相分離器32台，分出水6.98×10⁴m³/d，污水就地回注後實現污水替代清水0.6×10⁴m³/d，每天減少3.6×10⁴m³污水往返輸送，節約輸送電耗3.75×10⁴kW·h，年降低加熱能耗7.06×10¹⁴J，同時解決了部分油田欠注的問題，緩解了污水回灌壓力。

三相分離器用作預分水器，具有處理能力大、分離效率高、運行工況穩定、管理方便、自動化程度高等特點，含水原油經一段處理後獲合格凈化原油標准；但三相分離器是以出油含水率達到一定指標為目的設計的設備，污水分離凈化的有效空間不足，造成除油效率低，分出水含油指標一般控制在1000mg/L以下，實際運行中水中含油在500 ～1000mg/L之間，後續污水處理系統需採用二級除油加過濾的處理工藝，投資、佔地和運行費用均較高。

2 旋流分離技術

圖2 水力旋流器原理圖

水力旋流器的工作原理是在油水存在密度差的情況下，使含油污水在水泵或其他外加壓力的作用下，從切線方向進入旋流器後高速旋轉，在離心力的作用下，水向器壁運動，形成向下的外旋流，通過旋流器底部出口流出（底流）；油向旋流器軸心處運動，形成螺旋上升的內旋流油核，由上端溢流而出（溢流），最終實現油水分離，如圖2所示^［5，6］。

旋流分離技術是油田高含水期節能降耗行之有效的工藝手段。水力旋流器可以使高含水原油在不加熱的條件下實現游離水脫除，節約大量的燃料，歐美國家海上油田廣泛用作預分水器，陸上油田基本不單獨使用，目前發展方向主要是作為前端預處理器與其他技術組合應用。旋流分離技術在國內尚處於研究開發階段，未得到大規模應用。勝利油田開展了旋流分離技術試驗，研製了以旋流和沉降相結合的試驗設備，其工作原理為油、氣、水混合液進入旋流筒，靠離心旋轉分離和重力作用，脫除90％以上的伴生氣，該氣體與分水器內的少量氣體一起經二次除液後，由壓力控制進入氣體系統，油水混合液經配流管均勻進入分離區，再經整流迷宮板緩沖整流進入沉降區沉降；在沉降區內，靠加熱器進一步激發破乳劑的活性，使乳化液破乳分離，油滴聚結上浮，脫水原油經隔板進入油室，再經液位控制流出分水器。該試驗設備的技術關鍵為：(1)分水器進入端設計了預分離旋流器，採用預分離技術，將混合液中95％以上的氣體預先分離；(2)設計了配流管和整流迷宮板，使高效分水器內流場穩定，便於油水分離；(3)分水器內部設有加熱器，既能激發破乳劑活性，又能避免對底部污水的加溫；(4)設計的水位調節器能自動調節分離器內的油水界面，處理後污水含油基本在500mg/L左右。江漢油田進行了兩級旋流分離工藝研究，兩台旋流器串聯應用，一級進行預分水，二級對一級分出的水進行除油處理。現場試驗後，馬王廟油田馬56站一級旋流器分出污水占總液量的50％以上，二級旋流器除油後污水含油在100mg/L以下^［7］。

水力旋流器用作預分水設備，具有質量輕、佔地面積小、單位容積處理能力大、分離效率高、分離速度快、投資小、構造簡單、本身無活動部件、易於安裝和維修等優點，但也存在著許多缺點，如旋流管易磨損、氣體影響分離效果、提升和旋流造成原油乳化不易分離、出水水質不平穩、動力消耗較大、可有效分離游離水卻對乳化水基本沒有分離能力、分出水含油偏高（1000mg/L左右）等，難以得到推廣應用。

3 末端分相技術

末端分相管是一段直徑加粗了的末端集輸管線，長約45m（長度取決於原油的特性和預分水效果），直徑1020～1220mm，兩端用球蓋封堵，主要用於高含水油田原油的預分水和污水凈化。末端分相管在管內完成油氣水分離的5個過程（流體水力攪拌、質量交換、擴散、重力沉降、在聚結器內使水滴聚集），同時具備多種裝置的功能（Ⅰ級分離裝置、預分水裝置、預凈水裝置），在前蘇聯得到較多的應用。西西伯利亞地區的塔什金諾沃油田在叢式井井場或增壓泵站上配備了兩根直徑1020mm、長250m的末端分相管，液體處理能力達30000～32000m³/d，每天可分出7800～9000m³的游離水，游離水分出率達60％，而出口原油含水率僅為9.3％～12.5％。

末端分相管能在油田配套工藝流程中取代造價昂貴、數量眾多的Ⅰ級分離裝置和脫水裝置，大幅度降低投資（可降低總投資25％～40％），具有製造與控制操作簡便、液體處理能力大的特點，可用作小型和邊遠油田的預分水器，缺點是分離效率較低，分出水含油偏高。

4 斜管預分水技術

斜管預分水器的工作原理是自然沉降結合淺池分離，主要用於分出遊離水，歐美稱之為仰角式游離水脫除器。其是將卧式和立式游離水分離器相結合，採用仰角設計，克服了立式容器內油水界面覆蓋面積小、卧式容器油水界面與水出口距離短以及分離時間不充分的缺點。來液進口位於管式容器的上行端，水中油珠能聚集並爬高上行至頂端油出口，而水下沉至底端水出口排出。

斜管預分水器結構簡單，造價低，佔地面積小，主要用於對分出水含油要求不高的摻水油田，將分出的污水就地回摻，以降低集輸系統摻水能耗和管線投資，並減少聯合站的運行負荷。俄羅斯在其高含水和特高含水原油集輸中廣泛採用斜管預分水器（直徑為1220mm，傾斜角度在45°左右，液量處理能力為10000～15000m³/d），用於脫除80％的游離水。歐美國家也開發並推廣應用了該類設備，但在斜管仰角設計上採取了較低角度，為12°^［8］。斜管預分水器目前在國內沒有得到廣泛應用，僅河南油田1個計量站應用，分出水水質無法控制，出水含油一般在1000mg/L以上，分離效率較低。

5 低溫破乳技術

利用低溫破乳技術來進行預分水是比較經濟的。加拿大研製的原油聲波破乳設備，可安裝在高含水油井管徑小於4in的集油管線上，使處理後的稠油含水率最低降至1％，節省葯劑投加量50％。美國的微波破乳MST模塊化撬裝設備在現場試驗中也取得了成功，效果顯著^［8］。

近些年來，隨著注聚等3次採油工藝的應用，采出液物化性質發生了較大變化，且乳化現象十分嚴重，導致預分水難度加大。各油田為了彌補機械方法的不足，普遍開始重視高效設備和化學助劑的綜合應用，即在原有預分水工藝的基礎上，投加預脫水劑，使高含水期大量污水在較低溫度和較低化學葯劑加入量條件下得到有效分離。H1聯原油黏度高，污水含油量高，乳化嚴重，採用機械方法進行預脫水有諸多不便，通過選用高效預脫水劑，在進站溫度下，采出液中80％以上的污水實現預分離，分出的污水含油在100mg/L左右，可直接進入污水處理系統，節省了大量的天然氣和破乳劑，並且工藝改動量小、投資少、易推廣應用^［9］。遼河油田通過大量室內試驗，研製出了預脫水劑，在原有設備基礎上優化工藝流程，在進站不加熱的條件下分出遊離水，再進行後續處理，取消一段加熱，節省了大量破乳劑，經濟效益明顯，全公司推廣後，每年可節省操作費用4000萬～5000萬元。

化學葯劑的引入，導致預分水費用增加，後續污水處理難度加大，如何趨利避害，有待深入研究。

6 預分水技術的發展方向

目前各油田採用的預分水技術在一定程度上起到了預分水的效果，但這些技術的主要控制指標是原油含水，對分出水中含油則限制較少，造成分出污水含油高達1000mg/L左右，這樣污水處理系統需要進行一級除油、二級沉降加過濾的復雜處理工藝才能使污水水質達標，污水系統佔地、設施投資和運行費用很高。預分水技術未來主要向以下方向發展：

1）加速高效油水分離設備、分離技術的研製和推廣。

2）在研製高效預分水設備時，更加註重降低分出污水中含油指標的研究。

3）向各種技術的集成化、一體化、小型化、低投資和低成本方向發展，如旋流、氣浮、沉降、聚結等的優化集成，物理、化學和生物方法的綜合應用等，以發揮不同技術、手段的優點，擴寬預分水技術的使用范圍，提高預分水設備的穩定性和處理效果。

基於此，筆者正在開展新型一體化預分水除油技術研究，通過綜合應用旋流、氣浮、聚集和三相分離等技術，將預分水與污水除油功能有機結合，形成一體化裝置，在高效預分水的同時，強化污水除油功能，改善出水水質，使出水含油降到15mg/L以下，從而簡化後段處理工藝，減少投資和運行費用等。該項研究目前進展順利，室內試驗已達到預期效果，現場試驗正按計劃進行，專利成果也正在申報中。

參考文獻

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Ⅹ 科研成果

蒸汽機
蒸汽機是將蒸汽的能量轉換為機械功的往復式動力機械。蒸汽機的出現曾引起了18世紀的工業革命。直到20世紀初，它仍然是世界上最重要的原動機，後來才逐漸讓位於內燃機和汽輪機等。

16世紀末到17世紀後期，英國的采礦業，特別是煤礦，已發展到相當的規模，單靠人力、畜力已難以滿足排除礦井地下水的要求，而現場又有豐富而廉價的煤作為燃料。現實的需要促使許多人，如英國的帕潘、薩弗里、紐科門等就致力於「以火力提水」的探索和試驗。

薩弗里製成的世界上第一台實用的蒸汽提水機，在1698年取得標名為「礦工之友」的英國專利。他將一個蛋形容器先充滿蒸汽，然後關閉進汽閥，在容器外噴淋冷水使容器內蒸汽冷凝而形成真空。打開進水閥，礦井底的水受大氣壓力作用經進水管吸入容器中；關閉進水閥，重開進汽閥，靠蒸汽壓力將容器中的水經排水閥壓出。待容器中的水被排空而充滿蒸汽時，關閉進汽閥和排水閥，重新噴水使蒸汽冷凝。如此反復循環，用兩個蛋形容器交替工作，可連續排水。

薩弗里的提水機依靠真空的吸力汲水，汲水深度不能超過六米。為了從幾十米深的礦井汲水，須將提水機裝在礦井深處，用較高的蒸汽壓力才能將水壓到地面上，這在當時無疑是困難而又危險的。

紐科門及其助手卡利在1705年發明了大氣式蒸汽機，用以驅動獨立的提水泵，被稱為紐科門大氣式蒸汽機。這種蒸汽機先在英國，後來在歐洲大陸得到迅速推廣，它的改型產品直到19世紀初還在製造。紐科門大氣式蒸汽機的熱效率很低，這主要是由於蒸汽進入汽缸時，在剛被水冷卻過的汽缸壁上冷凝而損失掉大量熱量，只在煤價低廉的產煤區才得到推廣。

1764年，英國的儀器修理工詹姆斯·瓦特為格拉斯哥大學修理紐可門蒸汽機模型時，注意到了這一缺點，並於1765年發明了設有與汽缸壁分開的凝汽器的蒸汽機，並於1769年取得了英國的專利。初期的瓦特蒸汽機仍用平衡杠桿和拉桿機構來驅動提水泵，為了從凝汽器中抽除凝結水和空氣，瓦特裝設了抽氣泵。他還在汽缸外壁加裝夾層，用蒸汽加熱汽缸壁，以減少冷凝損失。

1782年前後，瓦特將機器進一步改進，完成了兩項重要發明：在活寒工作行程的中途，關閉進汽閥，使蒸汽膨脹作功以提高熱效率；使蒸汽在活塞兩面都作功(雙作用式)，以提高輸出功率。這時的活塞既要向下拉動杠桿又要向上推動杠桿，扇形平衡杠桿和拉鏈已不再適用，瓦特使發明了平行四邊形機構。瓦特還於18世紀末將曲柄連桿機構用在蒸汽機上。

瓦特的創造性工作使蒸汽機迅速地發展，他使原來只能提水的機械，成為了可以普遍應用的蒸汽機，並使蒸汽機的熱效率成倍提高，煤耗大大下降。因此瓦特是蒸汽機的改良者。

自18世紀晚期起，蒸汽機不僅在采礦業中得到廣泛應用，在冶煉、紡織、機器製造等行業中也都獲得迅速推廣。它使英國的紡織品產量在20多年內(從1766年到1789年)增長了5倍，為市場提供了大量消費商品，加速了資金的積累，並對運輸業提出了迫切要求。

在船舶上採用蒸汽機作為推進動力的實驗始於1776年,經過不斷改進，至1807年，美國的富爾頓製成了第一艘實用的明輪推進的蒸汽機船「克萊蒙脫」號。此後，蒸汽機在船舶上作為推進動力歷百餘年之久。

1801年，英國的特里維西克提出了可移動的蒸汽機的概念，1803年，這種利用軌道的可移動蒸汽機首先在煤礦區出現，這就是機車的雛型。英國的斯蒂芬孫將機車不斷改進，於1829年創造了「火箭」號蒸汽機車，該機車拖帶一節載有30位乘客的車廂，時速達46公里/時，引起了各國的重視，開創了鐵路時代。

19世紀末，隨著電力應用的興起，蒸汽機曾一度作為電站中的主要動力機械。1900年，美國紐約曾有單機功率達五兆瓦的蒸汽機電站。

蒸汽機的發展在20世紀初達到了頂峰。它具有恆扭矩、可變速、可逆轉、運行可靠、製造和維修方便等優點，因此曾被廣泛用於電站、工廠、機車和船舶等各個領域中，特別在軍艦上成了當時唯一的原動機。

蒸汽機按蒸汽在活塞一側或兩側工作，可分為單作用和雙作用式；按汽缸布置方式，可分為立和卧式；按蒸汽是在一個汽缸中膨脹或依次連續在多個汽缸中膨脹，可分為單脹式和多脹式；按蒸汽在汽缸中的流向，可分為迴流式和單流式；按排汽方式和排汽壓力可分為凝汽式、大氣式和背壓式。

簡單蒸汽機主要由汽缸、底座、活塞、曲柄連桿機構、滑閥配汽機構、調速機構和飛輪等部分組成，汽缸和底座是靜止部分。從鍋爐來的新蒸汽，經主汽閥和節流閥進入滑閥室，受滑閥控制交替地進入汽缸的左側或右側，推動活塞運動。

蒸汽機的發展首先體現在功率和效率的提高，而這又主要取決於蒸汽參數的提高。初期蒸汽機的蒸汽壓力僅為0.11～0.13兆帕，19世紀初才達到0.35～0.7兆帕，20世紀20年代曾用到6～10兆帕。在蒸汽溫度上，19世紀末還不超過250℃，而到20世紀30年代曾用到450～480℃。

至於效率，瓦特初期連續運轉的蒸汽機，按燃料熱值計總效率不超過3％；到1840年，最好的凝汽式蒸汽機總效率可達8％；到20世紀，蒸汽機最高效率可達到20％以上。

在轉速方面，18世紀末瓦特蒸汽機僅40～50轉/分；20世紀初轉速達到100～300轉/分，個別蒸汽機曾達到2500轉/分。在功率方面，最初單機功率僅幾馬力，20世紀初的一台船用蒸汽機的功率可達25000馬力。

隨著蒸汽參數和功率的提高，蒸汽已不可能在一個汽缸中繼續膨脹，還必須在相連接的汽缸中繼續膨脹，於是出現了多級膨脹的蒸汽機。蒸汽機因受到潤滑油閃點的限制，所用蒸汽的最高溫度一般都不超過400℃，機車，船用等移動式蒸汽機還略低一些，多數不高於350℃。考慮到膨脹的可能性和結構的經濟性，常用壓力在2.5兆帕以下。蒸汽參數受到限制，從而也限制了蒸汽機功率的進一步提高。

蒸汽機的出現和改進促進了社會經濟的發展，但同時經濟的發展反過來又向蒸汽機提出了更高的要求，如要求蒸汽機功率大、效率高、重量輕、尺寸小等。盡管人們對蒸汽機作過許多改進，不斷擴大它的使用范圍和改善它的性能，但是隨著汽輪機和內燃機的發展，蒸汽機因存在不可克服的弱點而逐漸衰落。

蒸汽機的弱點是：離不開鍋爐，整個裝置既笨重又龐大；新蒸汽的壓力和溫度不能過高，排氣壓力不能過低，熱效率難以提高；它是一種往復式機器，慣性力限制了轉速的提高；工作過程是不連續的，蒸汽的流量受到限制，也就限制了功率的提高。

因此，拋棄了笨重鍋爐的內燃機，最終以其重量輕，體積小、熱效率高和操作靈活等優點，在船舶和機車上逐漸取代了蒸汽機。汽輪機則以其熱效率高、單機功率大、轉速高、單位功率重量輕和運行平穩等優點，將蒸汽機排擠出了電站。

接著電動機又以其使用方便，代替了蒸汽機在工業設備中的應用。然而小功率蒸汽機熱效率比汽輪機高，所以在產煤區或只有劣質燃料的地區或某些特殊場合，蒸汽機仍有發揮作用的餘地。

蒸汽機有很大的歷史作用，它曾推動了機械工業甚至社會的發展。隨著它的發展而建立的熱力學和機構學為汽輪機和內燃機的發展奠定了基礎；汽輪機繼承了蒸汽機以蒸汽為工質的特點，和採用凝汽器以降低排汽壓力的優點，摒棄了往復運動和間斷進汽的缺點；內燃機繼承了蒸汽機的基本結構和傳動形式，採用了將燃油直接輸入汽缸內燃燒的方式，形成了熱效率高得多的熱力循環；同時，蒸汽機所採用的汽缸、活塞、飛輪、飛錘調速器，閥門和密封件等，均是構成多種現代機械的基本元件。

雜交水稻
選用兩個在遺傳上有一定差異，同時它們的優良性狀又能互補的水稻品種，進行雜交，生產具有雜種優勢的第一代雜交種，用於生產，這就是雜交水稻。

雜種優勢是生物界普遍現象，利用雜種優勢提高農作物產量和品質是現代農業科學的主要成就之一。

鐳 radium

一種化學元素。化學符號Ra，原子序數88，原子量226.0254，屬周期系ⅡA族，為鹼土金屬的成員和天然放射性元素。1898年M.居里和P.居里從瀝青鈾礦提取鈾後的礦渣中分離出溴化鐳，1910年又用電解氯化鐳的方法製得了金屬鐳，它的英文名稱來源於拉丁文radius，含義是「射線」。鐳在地殼中的含量為1×10-9%，已發現質量數為206～230的同位素中，除鐳223、鐳224、鐳226、鐳228是天然放射性同位素外，其餘都是用人工方法合成的。鐳存在於所有的鈾礦中，每2.8噸鈾礦中含1克鐳。

鐳是銀白色金屬，熔點700℃，沸點低於1140℃，密度約5克/厘米3。鐳是最活潑的鹼土金屬，在空氣中迅速與氮氣和氧氣作用，生成氮化物和氧化物，與水反應劇烈，生成氫氧化鐳和氫氣。鐳的最外電子層有兩個電子，氧化態為+2，只形成+2價化合物。鐳鹽和相應的鋇鹽屬同晶形化合物，化學性質很相似。氯化鐳、溴化鐳、硝酸鐳都易溶於水，硫酸鐳、碳酸鐳、鉻酸鐳難溶於水。鐳有劇毒，它能取代人體內的鈣並在骨骼中濃集，急性中毒時，會造成骨髓的損傷和造血組織的嚴重破壞，慢性中毒可引起骨瘤和白血病。鐳是生產鈾時的副產物，用硫酸從鈾礦石中浸出鈾時，鐳即成硫酸鹽存在於礦渣中，然後轉變為氯化鐳，用鋇鹽為載體，進行分級結晶，可得純的鐳鹽。金屬鐳則由電解氯化鐳製得。鐳及其衰變產物發射γ射線，能破壞人體內的惡性組織，因此鐳針可治癌症 .

元素名稱：鐳

元素原子量：[226]

元素類型：金屬

發現人：瑪麗·居里（Marie Curie）和皮爾·居里（Pierre Curie） 發現年代：1898年

發現過程：

1898年，由瑪麗·居里（Marie Curie）和皮爾·居里（Pierre Curie）發現。1910年，居里夫人和德比恩電解純的氯化鐳溶液，用汞作陰極，先得鐳汞齊，然後蒸餾去汞，獲得金屬鐳。

元素描述：

密度6.0克/厘米3（20℃）。熔點700℃，沸點約1140℃。銀白色有光澤的軟金屬。在空氣中不穩定，易與空氣中氮和氧化合。與水作用放出氫氣，生成氫氧化鐳Ra(OH)2。溶於稀酸。化學性質與鋇十分相似；所有鐳鹽與相應的鋇鹽是同晶型的。鐳能生成僅微溶於水的硫酸鹽、碳酸鹽、鉻酸鹽、碘酸鹽；鐳的氯化物、溴化物、氫氧化物溶於水。已知鐳有13種同位素，226Ra半衰期最長，為1622年。

元素來源：

存在於多種礦石和礦泉中，但含量極稀少，較多的來源於瀝青鈾礦中。在處理瀝青鈾礦提取鈾時，鐳經常與鋇一起在不溶於酸的殘渣中以硫酸鹽形式回收，提純獲得。

元素用途：

鐳能放射出α和γ兩種射線，並生成放射性氣體氡。鐳放出的射線能破壞、殺死細胞和細菌。因此，常用來治療癌症等。此外，鐳鹽與鈹粉的混合制劑，可作中子放射源，用來探測石油資源、岩石組成等。

元素輔助資料：

居里夫婦在發現釙後不久，又有另一個驚人的結果。他們從鈾礦中分離出富集釙的鉍的化合物後，又分離出具有強烈放射性的鋇的化合物。他們相信這種礦物中還含有和鋇同時分離出來的第二種未知的放射性元素。他們的合作者貝蒙成功地研究了這個未知的放射性元素。在1898年12月，巴黎科學院發表了他們和貝蒙合作的報告：「……上述理由使我們相信，這種放射性的新物質里含有一種新元素，我們提議叫它鐳。……」

鐳的拉丁名稱radium是從拉丁文「射線」（radius）一詞而來，它的元素符號定為Ra。

鐳在瀝青鈾礦中含量很小，不過一千萬分之一或一千萬分之三，要分離出它，就要大量的瀝青鈾礦。1898年至1902年間，在簡陋的實驗室里艱苦頑強地分析了巨大量（一噸）的礦渣，終於在1902年提煉出0.1克金屬鐳，並初步測定了它的原子量。

鐳的發現

在柏克勒爾對於鈾的放射性質進行了開創先河的觀察和研究以後，跟著便發現鈾的射線也像X射線，能使空氣和其他氣體產生導電性，而釷的化合物也經人發現有著類似的性質。

1896年起，居里夫人和她的丈夫一起進行了系統的發現，在各種元素與其化合物以及天然物中尋找這種效應。

瑪麗亞·斯可羅多夫斯卡婭，即著名的居里夫人，1867年11月7日誕生於波蘭華沙的一個書香門第之家。父親是大家的物理教授，母親是鋼琴家。瑪麗亞具有父親的智慧和母親的靈巧，從小就對科學實驗發生了濃厚的興趣。

1891年，她到巴黎求學。學業完成後，她原本打算回到正在遭受著沙皇鐵蹄踐踏的祖國，去為祖國竭盡自己的綿薄之力，同時，也為父母盡一個女兒的孝心。

但是，同法國物理學家皮埃爾·居里先生的相識、相戀和成為終身伴侶，徹底改變了她原來的計劃，她只好僑居法國，並於1897年生了一個可愛的女兒。

柏克勒爾現象，引起了居里夫婦的濃厚興趣，射線放出來的力量究竟是從哪裡來的呢？這種放射的性質又是什麼呢？

居里夫人把自己的全部身心都投入到鈾鹽的研究中去了，她廣為搜羅並研究了各種鈾鹽礦石，她被鈾鹽礦石神奇的射線所吸引，她把特別的愛奉獻給了這種特別的礦石。

接受過嚴格而又系統的高等化學教育的居里夫人，在研究鈾鹽礦石時想到，沒有任何理由可以證明鈾是唯一能發射射線的化學元素。她猜想，一定還會有別的元素也具有同樣的力量，只不過人們目前還不知道罷了。

她依據門捷列夫的元素周期律排列的元素，逐一進行測定，結果很快發現另外一種釷元素的化合物，也自動發出射線，與鈾射線相似，強度也較接近。

居里夫人認識到，這種現象決不只是鈾的特性，必須給它一個新名稱，居里夫人就把它命名為「放射性」，鈾、釷等有這種特殊「放射」功能的物質，叫做「放射性元素」。

後來，在她的丈夫皮埃爾先生的幫助下，她又測定了能夠收集到的所有礦物，她想知道還有哪些礦物具有放射性。

在測量中，她獲得了又一個戲劇性的發現，在一種來自當時的捷克斯洛伐克的瀝青鈾礦中，她發現，其放射性強度比原先設想的要大不知多少倍。

那麼，這種不正常的而且過度的放射性又是從哪裡來的呢？用這些瀝青鈾礦中的鈾和針的含量，決不能解釋她觀察到的放射性的強度。

因此，只能有一種解釋，這些瀝青礦物中含有一種比鈾和針的放射性作用強得多的新元素，而且不是當時人類所已經知道的元素，它一定是一種未知的元素。

居里夫人的發現吸引了皮埃爾先生的注意，居里夫婦攜起手來，並駕齊驅，向科學的未知領域發起強有力的進攻。

在條件極其簡陋的實驗室里，經過居里夫婦鍥而不舍的長期努力，1898年7月，他們宣布發現了這種新元素，它比純鈾放射性要高出400倍。

為了紀念她飽經磨難的祖國波蘭，新元素被命名為釙（即波蘭的意思）。

1898年12月，居里夫婦又根據大量的實驗事實宣布，他們又發現了第二種放射性元素，這種新元素的放射性比釙還強，他們把這種新元素命名為

「鐳」。

但是，由於沒有釙和鐳的樣品，也沒有釙和鐳的原子量，當時的科學界，幾乎沒有人願意相信他們的這個驚世駭俗的新發現。

居里夫婦決心，無論付出什麼樣的代價，都要提煉出釙和鐳的樣品，這一方面是為了證實它們的存在，另一方面，也已為了使自己更有把握。

當然，這是一件非常困難的事情。

因為藏有釙和鐳的瀝青鈾礦，是一種價格昂貴的礦物，這種礦物主要在波希米亞的聖約阿希姆斯塔爾礦，通過對這種礦物的冶煉，人們可以提取出製造彩色玻璃用的鈾鹽。

居里夫婦是一對經濟相當拈據的知識分子，他們無力支付購買瀝青鈾礦所需的高昂的費用。但他們沒有被眼前的這只「攔路虎」所嚇倒，他們幾乎想盡了各種各樣的辦法。

經過無數次的周折，奧地利政府這才正式決定，先捐贈一噸重的殘礦渣給居里夫婦，並且許諾，如果他們將來還需要大量的礦渣，可以在最優惠的條件下供應給他們。

居里夫婦這才長長地鬆了一口氣，他們從朋友那裡東挪西借，籌到了一筆錢，因為他們仍須購買這種原料，並且還需要付出運到巴黎的運費。

他們再次陷入漫長的等待之中。

一天凌晨，太陽剛剛升起來，一輛像運煤貨車似的載重馬車，便停在了居里夫婦的家門口。

居里夫人高興極了，她所日夜期待的瀝青鈾礦終於運到了，她所夢繞魂牽的鐳就藏在這里呵！

她急急忙忙地用刀割斷繩子，一把扯開那些粗布口袋，把一雙纖纖細手深深地插進那棕色礦物中，她一定要從中提煉出鐳來。

居里夫人立即投入了繁重的提取工作中去，她每次把 20多公斤的廢礦渣放入冶煉鍋里加熱熔化，連續幾個小時不間斷地用一根粗大的鐵棍攪動沸騰的渣液，而後從中提取僅含百萬分之一的微量物質。

從1898年到1902年，經過無數次的提取，處理了幾十噸礦石殘渣，終於得到了0.1克的鐳鹽，並測定出了它的原子量是225。

鐳終於橫空出世了！

鐳的發現在科學界爆發了一次真正的革命，1903年，居里夫婦因此而雙雙獲得了諾貝爾物理學獎。居里夫人這一巨大成功絕不是輕而易舉就能獲得的，它凝聚了居里夫人多少汗水、多少淚水，完全是居里夫人心血的結晶。

飛機（Aircraft，plane，aeroplane,airplane），
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飛機 항공기

指具有機翼和一具或多具發動機，靠自身動力能在大氣中飛行的重於空氣的航空器。

飛機具有兩個最基本的特徵：其一是它自身的密度比空氣大，並且它是由動力驅動前進；其二是飛機有固定的機翼，機翼提供升力使飛機翱翔於天空。不具備以上特徵者不能稱之為飛機，這兩條缺一不可。譬如：一個飛行器它的密度小於空氣，那它就是氣球或飛艇；如果沒有動力裝置、只能在空中滑翔，則被稱為滑翔機；飛行器的機翼如果不固定，靠機翼旋轉產生升力，就是直升機或旋翼機。因此飛機的精確定義就是：飛機是有動力驅動的有固定機翼的而且重於空氣的航空器。
為了使讀者頭腦中對飛機有更明確的認識，我在這里澄清幾個容易混淆的名詞。在有些報刊上可見到「固定翼航空器」、 「固定翼飛機」等說法，實際上所指的都是飛機。但是這些名詞都不是准確的說法。因為「固定翼航空器」包括飛機和滑翔機，而「固定翼飛機」則是一個重復的稱呼，因為「飛機」就已經包含了固定翼的內容。更常聽到很多人說「直升飛機」，這也很不妥當，因為直升機是使用旋翼提供升力的，它和飛機屬於完全不同的航空器類型。
和其他交通工具相比，飛機有很多優點：

速度快。目前噴氣式客機的時速在900千米左右。
機動性高。飛機飛行不受高山、河流、沙漠、海洋的阻隔，而且可根據客、貨源數量隨時增加班次。
安全舒適。據國際民航組織統計，民航平均每億客公里的死亡人數為0.04人，是普通交通方式事故死亡人數的幾十分之一到幾百分之一，和鐵路運輸並列為最安全的交通運輸方式。

但是飛機作為交通工具也有自身的局限性：

價格昂貴。無論是飛機本身還是飛行所消耗的油料相對其他交通運輸方式都高昂的多。

受天氣情況影響。雖然現在航空技術已經能適應絕大多數氣象條件，但是比較嚴重的風、雨、雪、霧等氣象條件仍然會影響飛機的起降安全。

起降場地有限制。飛機必須在飛機場起降，一個城市最多不過幾個飛機場，而且機場受周圍凈空條件的限制多分布在郊區。由於從飛機場到市區往往需要一次較長的中轉過程，由此給高速列車提供了800公里以內距離的城際運輸市場空間。

因此飛機只適用於重量輕，時間要求緊急，航程又不能太近的運輸。

危險。雖然民航客機每億客公里的死亡人數遠低於其他運具，但批評者認為飛機本身旅程亦遠比其他運具長，所以這個數值被拉低。在某些數據上飛機並不特別安全。
飛機不僅廣泛應用與民用運輸和科學研究，還是現代軍事里的重要武器，所以又分為民用飛機和軍用飛機。

民用飛機除客機和運輸機以外還有農業機、森林防護機、航測機、醫療救護機、游覽機、公務機、體育機，試驗研究機、氣象機、特技表演機、執法機等。

飛機還可按組成部件的外形、數目和相對位置進行分類。按機翼的數目，可分為單翼機、雙翼機和多翼機。按機翼相對於機身的位置，可分為下單翼、中單翼和上單翼飛機。按機翼平面形狀，可分為平直翼飛機、後掠翼飛機、 前掠翼飛機和三角翼飛機。按水平尾翼的位置和有無水平尾翼，可分為正常布局飛機（水平尾翼在機翼之後）、鴨式飛機（前機身裝有小翼面）和無尾飛機（沒有水平尾翼）；正常布局飛機有單垂尾、雙垂尾、多垂尾和V型尾翼等型式。按推進裝置的類型，可分為螺旋槳飛機和噴氣式飛機；按發動機的類型，可分為活塞式飛機、渦輪螺旋槳式飛機和噴氣式飛機；按發動機的數目，可分為單發飛機、雙發飛機和多發飛機。按起落裝置的型式，可分為陸上飛機、水上飛機和水陸兩用飛機。還可按飛機的飛行性能進行分類：按飛機的飛行速度，可分為亞音速飛機、超音速飛機和高超音速飛機。按飛機的航程，可分為近程飛機、中程飛機和遠程飛機。

四大發明

指南針

指南針是用以判別方位的一種簡單儀器。指南針的前身是中國古代四大發明之一的司南。主要組成部分是一根裝在軸上可以自由轉動的磁針。磁針在地磁場作用下能保持在磁子午線的切線方向上。磁針的北極指向地理的南極，利用這一性能可以辨別方向。常用於航海、大地測量、旅行及軍事等方面。

火葯
火葯是我國古代四大發明之一。因為是用硝石、硫黃和木炭這三種物質混和製成的，而當時人們都把這三種東西作為治病的葯物，所以取名「火葯」，意思是「著火的葯」。

自秦漢以後，煉丹家用硫黃、硝石等物煉丹，從偶然發生爆炸的現象中得到啟示，再經過多次實踐，找到了火葯的配方。三國時有個聰明的技師馬鈞，用紙包火葯的方法做出了娛樂用的「爆仗」，開創了火葯應用的先河。

唐朝末年，火葯開始應用到軍事上。人們利用拋射石頭的拋石機，把火葯包點著以後，拋射出去，燒傷敵人，這是最原始的火炮。後來人們將球狀火葯包紮在箭桿頭附近，點著引線以以後，用弓箭將火葯射出去燒傷敵人。還有把火葯、毒葯，再加上一些瀝清、桐油等，搗在一起做成毒球，點著以後，用弓箭射出，殺傷敵人是後來的「萬人敵」。到了宋朝，人們將火葯裝填在竹筒里，火葯背後扎有細小的「定向棒」，點燃火管上的火硝，引起筒里的火葯迅速燃燒，產生向前的推力，使之飛向敵陣爆炸，這是世界上第一種火葯火箭。以後又發明了火槍和槍，這些都是用竹管製成的原始管形火器，是近代代槍炮的老祖宗。

造紙術

造紙技術的發明，是中華民族對世界文明出貢獻之一。

大約在3500多年前的商朝，我國就有了刻在龜甲和獸骨上的文字，稱為甲骨文。到了春秋時，用竹片和木片替代龜甲和獸骨，稱為竹簡和木牘。甲骨和簡牘都很笨重，戰國時思想家惠施外出講學，帶的書簡就裝了五車，所以有學富五車的典故。西漢時在宮廷貴族中又用縑帛或綿紙寫字。縑是細絹、帛是絲織品的總稱吏一方縑帛上寫字時，便於書寫，不但比簡牘寫得多，而且還可以在上面作畫，但是價格昂貴，只能供少數王宮貴族使用。公元前2世紀西漢初期已經有了紙。

活字印刷術

印刷術是中國古代四大發明之一。它開始於隋朝的雕版印刷，經宋仁宗時的畢升發展、完善，產生了活字印刷，並由蒙古人傳至了歐洲，所以後人稱畢升為印刷術的始祖。中國的印刷術是人類近代文明的先導，為知識的廣泛傳播、交流創造了條件。

雕版印刷是用刀在一塊塊木板上雕刻成凸出來的反寫字，然後再上墨，印到紙上。每印一種新書，木板就得從頭雕起，速度很慢。如果刻版出了差錯，又要重新刻起，勞作之辛苦，可想而知。

北宋刻字工人畢升在公元1004年至1048年間，用質細且帶有粘性的膠泥，做成一個個四方形的長柱體，在上面刻上反寫的單字，一個字一個印，放在土窯里用火燒硬，形成活字。然後按文章內容，將字依順序排好，放在一個個鐵框上做成印版，再在火上加熱壓平，就可以印刷了。印刷結束後把活字取下，下次還可再用。這種改進之後的印刷術叫做活板印刷術。

這種印刷方法雖然原始簡單，卻與現代鉛字排印原理相同，使印刷技術進入了一個新時代。

後來，元代著名農學家與機械學家王楨發明了木活字，並創造出比較簡捷的適於漢字復雜特點的轉盤排字方法，後來又發明了金屬活字，使活字印刷得到了改進。唐代的雕刻印本傳到日本，8世紀後期日本完成了木板《陀羅尼經》以後又傳到朝鮮民主主義人民共和國、阿拉伯聯合大公國一帶和東歐。15世紀，德國人學會了用合金鑄宇，從此畢升首創的活字印刷在歐洲各地推廣開來。

北宋科學家、政治家沈括曾在《夢溪筆談》中有一篇文章叫《活板》，其中詳細介紹了活板印刷術的全過程，通俗易懂，非常詳細。