一、要點提示
　　
　　這是一篇介紹仿生學(xué)的一個分支一一視覺仿生學(xué)的說明文。主要介紹人和動物的眼睛的不同結(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,對發(fā)展仿生學(xué)、發(fā)展現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)都有重要意義。
　　
　　文章的說明對象是眼睛,而人和動物的各種眼睛的構(gòu)造多種多樣。要把繁復(fù)的內(nèi)容介紹得有條不紊,確定說明的順序就顯得非常重要了。
　　
　　學(xué)習(xí)本文,可以把文章的說明順序作為重點,看看作者是怎樣由一般到個別,由簡單到復(fù)雜地對人和動物的各種眼睛的構(gòu)造、功能以及在仿生學(xué)中的意義一一介紹的。
　　
　　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(jù)研究,從外界進(jìn)入人腦的信息,有90%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(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,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(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)識眼睛的各種構(gòu)造和功能,可以從中得到重要的啟示。這對發(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)膜上的圖像一點不漏地傳給大腦,而是先對圖像進(jìn)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(jīng)密碼信號,再傳給大腦。人眼的這種信息加工原理,對于改進(jìn)某些機(jī)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(xiàn)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——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,并實現(xiàn)穩(wěn)妥的著陸;還可以控制無人駕駛探險車,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》,一定會為青蛙動作的敏捷、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),主要是因為它有一雙機(jī)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(yīng)特定生活環(huán)境所獲得的一套獨特本領(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200萬年之久。
　　
　　蛙眼能敏捷地發(fā)現(xiàn)具有特定形狀的運動目標(biāo),準(zhǔn)確地確定目標(biāo)的位置、運動方向和速度,并能選擇最佳的攻擊時刻。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青蛙眼一樣,從出示給它的各種形狀的物體當(dāng)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(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,使人們能夠及時地截?fù)粽鎸?dǎo)彈而不為假導(dǎo)彈所迷惑。國外已經(jīng)投人使用的一種人造衛(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)和識別地面目標(biāo)。例如飛機(jī)在6000米高空作水平飛行時,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。即使在這個區(qū)域里,對比較大的目標(biāo)也不是總能準(zhǔn)確無誤地發(fā)現(xiàn)和識別的。但是,老鷹眼睛的視野卻比人眼廣闊得多。展翅翱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。如果我們能夠硏制出一種類似鷹眼的搜索、觀測技術(shù)系統(tǒng),就能夠擴(kuò)大和提高飛行員的視野,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)”,那么它就可以像雄鷹一樣,自動尋找、識別、追蹤目標(biāo),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(zhuǎn)動,而是靠著頭部的轉(zhuǎn)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(xué)系統(tǒng)和感覺細(xì)胞,都能看東西。這類由幾十至幾萬個獨立小眼枃成的眼睛,叫做“復(fù)眼”。蝦、蟹、蜂、蟻、蠅等節(jié)肢動物的眼睛都是復(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刻看到外界同一個物體的。象鼻蟲根據(jù)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(fù)眼的這種功能原理,人們研制成了一種測量飛機(jī)著陸時相對于地面的飛行速度的儀器—地速計,已經(jīng)在飛機(jī)上試用。這種地速計也可以用來測量導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)時的相對速度。
　　
　　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(dāng)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(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)眼看到偏振光的振動方向,并且能夠利用天空中的太陽偏振光來導(dǎo)航,確定行動的方向。
　　
　　蜜蜂的復(fù)眼因為具有特殊的結(jié)構(gòu),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(guān)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(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(fù)眼的角膜,具有一種奇特的成像特點。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目標(biāo),但通過角膜卻可以看到許許多多個像。這是因為這種復(fù)眼角膜是由許許多多個六角形的小眼角膜排列構(gòu)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(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。
　　
　　(1)本文是作者根據(jù)有關(guān)資料編寫的。