片流膜是怎样发明的
克雷默（Max Kramer）博士倚在轮船甲板上沿缘栏杆上，大西洋的景色没有引起他的兴趣，唯有那群乘风破浪的海豚一直没有离开过他的视野。克雷默是一位很有造诣的德国科学家，第二次世界大战以前，他在德国航空研究中心工作，领导着抗湍流的研究。这次他应聘到美国海军某研究所工作。连日来，他一直注意着大西洋上的海豚，眼前的这群活泼的海豚，伴随着轮船快速游行已有两个多小时了。但是看上去他们的动作依然是那样地自由自在，好像没有丝毫倦意。当时，轮船是以每小时50公里的航速前进，也就是说这群海豚的游速也达到每小时50公里。这对于多年从事抗湍流研究工作的克雷默不会不知道空中的飞行物体要经受气流产生的湍流的阻力，在水中运动的物体同样会经受水中湍流的阻力。他不禁问自己，海豚是怎样抗湍流才能高速度地游动呢？虽然海豚天生有如此完美的流线型的外形，头部和尾部狭尖而中间部分宽厚，具有较理想的身体长度与厚度的比例，浑身光滑少毛，耳壳和后肢都已退化消失，这些无疑都是对海豚减少水中湍流阻力有利的。然而，根据有人做过的试验，拖着一只与海豚大小相仿的物体在海上航行，需要增加2.6匹马力。而眼前的海豚按其体躯大小来估计，本身是不可能产生那么大的推动力的。海豚能在比空气密度大800倍的水中轻松地追随高速航行的轮船，必定有它的奥妙。是不是海豚能以最小的动力达到最大限度地把湍流变成片流呢？如果研究清楚，那么对抗湍流的研究一定会有所帮助。克雷默带着这个问题到了美国。
1956年，克雷默终于从太平洋的马林兰德得到了梦寐以求的海豚皮样张，立即对它进行仔细地研究，这张海豚皮厚度约1.55毫米，富有弹性，具有疏水性。经过切片，在显微镜下观察，可见它的组织结构与其他脊椎动物的皮肤一样，也是由表皮、真皮和由胶质纤维和弹性纤维交错的结缔组织组成。但是与众不同的是海豚的真皮层上面有许多小乳突，根据各部位比较，这些小乳突在额部和尾部特别发达，这些小乳突对抗湍流有什么作用呢？这引起了克雷默的极大注意。他认为这些小乳突形成了很多微小的管道系统，在运动中能经受很大的压力，含有胶质纤维和弹力纤维交错的结缔组织，中间充满了脂肪，增加了海豚皮肤的弹性，皮肤的弹性和疏水性在很大程度上消除了水流由片流变成湍流的振动，并能使水分子集结成环状结构在海豚体表上滚动。正如大家都知道的，滚动摩擦阻力是最小的，从而把水阻力大大地减少了，再加上海豚皮下肌肉能作波浪式运动，使富有弹性的皮肤在水的压力下作灵活地变形，使其和水流的运动相一致，有效地抑制水流高速度流经皮肤时产生的漩涡，这样海豚即便在高速运动时，也能把水阻力降低到最小限度。
据此，克雷默开始研制人造海豚皮，1960年他在美国橡胶公司工作期间，用橡胶仿造海豚皮肤的结构，研制出一种名叫“片流膜”的人造海豚皮。这种片流膜也由三层组成：表层和底层都是光滑的薄层。当中的一层设置了许多容易弯曲的小突片，形成微细的管道系统，其内充满了富有弹性的液体，使片流膜具有弹性。将片流膜装配在潜水装置上进行试验，结果果然使湍流减少50％。于是将片流膜安装在潜水艇的表面，取得了很好的效果，大大地提高了潜水艇的航行速度。人们将这种片流膜安装在输送石油的管道的内壁上，同样大大地提高了石油输送的效率。
鱼、流线体和船
从人类懂得造船开始，就一直为如何提高船的航行速度而努力。任何物质在水中运动都会受到水流不同程度的阻力。这个阻力由水流经运动物体表面的三种形式组成：一是平流，水很平滑地从运动物体表面流过，流动迹线规则，摩擦很少，对运动物体的阻力最小；二是湍流，水粗糙地从运动物体表面流过，流动迹线很不规则，摩擦增大，对运动物体的阻力很大；三是漩涡，水流遇低洼处所激起的螺旋形水涡，对运动物体的阻力最大。这三种形式的阻力的总和愈大，运动物体在水中前进的速度也就愈慢。因此，必须尽量减少船前进时所受的阻力，才能使船的航行速度加快。
鱼类终生生活在水中，对水环境有很好的适应能力。人们在设计船的式样时可从这些动物身上得到一些提高船速的启示。尽管鱼类按其各自的生活方式有多种多样的体型，但是人们发现其中最常见的一种体型叫纺锤形，又称流线型，这种体型的特点是：头、躯干和尾三部分比例适中。鱼身的三个体轴以从头到尾的长度最长，背到腹的高度次之，左到右的宽度最短。整个鱼体形状像一只纺梭，两头尖，中间厚，其横切面为椭圆形，它的身体最厚的部位是在头后至体前这一段，自此后均匀地向后方渐渐地变窄，整个体型显得浑圆结实光滑，可以减少湍流，将水流的摩擦力减少至最低限度。一些快速游动的鱼类如金枪鱼、马鲛鱼、鲔鱼、鲣鱼、箭鱼和鲨鱼等都是这种体型。有关鱼类的游泳速度很少有精确记录，有人说鲔鱼的时速可以达到90公里。鱼类学家戈特教授说今天在美洲海边见到的鲔鱼，可能是在前晚经过好望角的。不管这些说法是否可靠，但是都无非说明鲔鱼游泳速度快。对这样的著名速游鱼类，仿生学家当然会对它进行研究，它的身体剖面相对长度是3.6米，相对厚度是0.28米，这个相对厚度对鲔鱼的游速快起到什么作用呢？实验证明：0.28米这个相对厚度是恰到好处的。相对厚度小于0.28米时，形状阻力虽有减少但摩擦阻力增大很多，相对厚度大于0.28米时，摩擦阻力虽有减少但形状阻力又增大很多，因此说鲔鱼获得了最理想的相对厚度，这种体型使受到的摩擦阻力和形状阻力共同作用减少到最低程度，这就难怪鲔鱼能在转眼之间，游离人的视线之外。美国按照鲔鱼的体型，设计制造成功的”飞鱼号”核潜艇，达到航速快，灵活性大的效果。现代的潜艇和鱼雷等也都是按照流线型来设计的。
空气和水都是流体，船在水中受到水流的阻力，飞机在空中受到气流的阻力，两者都受流体力学规律的制约。船舰设计师可以模拟的一些东西对航空设计师来说也是有用的。航空设计师们也模拟鲔鱼的体型，设计新的喷气式高速客机，增加机身的相对厚度，从而减少了飞行阻力，同时也扩大了机舱。
鱼类的体型对鱼类运动速度有很大影响。但是，为什么蓝枪鱼和马鲛鱼同样具有完美的流线型体型而蓝枪鱼总是游得比马鲛鱼快一些呢？这足以说明体型仅是影响游速的一个方面，还有很多方面可以影响游速。英国的瓦兹发现蓝枪鱼的尾鳍前比马鲛鱼多了一个臀鳍，他认为这个构造有利于鱼身作急转弯。他按照蓝枪鱼的这一结构，在设计轮船“武尔为吉”号时，在船尾前增加了一个类似“侧鳍”装置，试航结果，缩小了船体转弯时的距离和时间，从而也就提高了航速。
人们发现鱼尾的形状也是多种多样的，它与游速也有很大关系。通常尾柄细而坚实有力，两侧有骨状小突起，尾鳍上下端尖长，展开时呈新月形的鳍，大多数游速快，如鱿鱼和鲣鱼等的尾，只要用力一摆，就能急速前进几十米，因为鱼尾摆动，使水流变成弯曲波，大大提高了运动速度。
为了减少机械运动时所受的摩擦阻力，使用滑润油之类是一种行之有效的方法。其实鱼类早就在使用这种方法了。鱼类的皮肤含有丰富的单细胞腺，能分泌大量的黏液，在身体表面形成一层黏液层，一些无鳞的鱼类更是黏滑。黏液的功能有很多，其中有一个功能就是使鱼体润滑，可减少水流的摩擦，有利于在水中游动。有人做过试验，将鱼体分泌的黏液涂在水中运动的物体表面，结果可将水流阻力减少到一半以上，这种黏液的有效期可以长达数月之久。但是人们要想取得足以喷涂一艘轮船所需要的鱼体分泌黏液，谈何容易？于是人们试图用其他化学代用品，如聚氧化二烯水溶液等，虽然可减少摩擦阻力的70％，但是，这种代用品的有效期还不到一天就失去作用。因此，人们研究人工合成鱼的分泌液，不过，即便获得成功，每喷涂一次，也仅能维持几个月的效能，如果能像鱼类那样，不断地分泌，那将会有多好。
鲎和鲎眼仿生
除我国福建、广东和浙江外，在北美、中美、东南亚沿海生活着一种古老的节肢动物，叫做鲎。它的身体可分成头胸、腹和尾三部分。头胸和腹的背面覆盖着蟹壳似的甲壳，形同马蹄，所以有人称它为马蹄蟹。尾部像一把锋利的长剑突出在体后。鲎生活在沙质海底，夏天常见雄鲎爬在雌鲎的背壳上，相随活动，形影不离。退潮时雌雄结伴爬行在沙滩上，以蠕虫和无壳的软体动物为食。
有很多理由使鲎扬名于世：一、它在节肢动物中的特殊地位，虽然同蟹一样也具有坚硬的甲壳，但是它不属于甲壳纲动物，在它头胸部的腹面有6对关节的附肢，前5对末端呈螯状，第2～6对基部都有咀嚼面围住口部，因此，它属于肢口纲动物。这个纲仅仅发现过两类，其中巨甲类早已成为化石，现在还存活着的剑尾类就是鲎。它的幼虫非常像三叶虫的成体，足以证明鲨的古老。将1.75亿年前的鲎化石与现存的鲎比较，在演化上还看不出有什么变化，因此，人们称它为活化石。二、通常血液是红色的，然而鲎的血液竟是蓝色的，因为鲎血中含有0.28％的铜元素。更有价值的是鲎血对细菌十分敏感，一接触到很快就会凝固。人们便将鲎血制成试剂，用来测检人体、药物和食品等是否被细菌污染，既快速又准确。三、尚未发现鲎有什么经济价值，因此收购便宜。鲎的生命力又强，能离水生活很久，只要满足其湿度和凉爽的条件，就能经受长途运输，这些对作为实验材料来说是十分理想的。四、最吸引人的是鲎的视觉器官，它有一对单眼和一对复眼。同许多昆虫的复眼一样，鲎的复眼也是由许多小眼镶嵌而成，每只小眼都有水晶体、感光细胞和与之相连的神经纤维。但是，鲎小眼体积大，神经纤维也粗，给研究工作带来方便。美国洛克菲勒研究所的哈特兰（H.K.Hortline）等人就是用鲎的复眼作为研究对象，才发现鲎的视觉侧抑制现象，并研制出侧抑制数学模型。美国通用电气公司高级电子中心的工程师们根据鲎的视觉侧抑制原理研制出鲎眼电子模型，从而使电视荧屏上的图像更加清晰。应用鲎眼技术可提高X光和宇航摄影的清晰度。应用在军用雷达显示器上同样收到良好的效果。
为了理解鲎视觉侧抑制究竟是怎么一回事，为什么能起到如此的作用，我们通过眼睛来观察周围物体的形状、明暗、颜色、距离和运动等情况。但是单靠眼睛再看也只是熟视无睹，能见的是大脑，外部物体通过晶状体的聚焦作用，使来自被注视的物体上的光聚焦在视网膜上，视网膜是多层结构，相当复杂，其中有三级神经细胞构成视觉传导：第一级神经细胞是感光细胞，只要是眼睛，不论简单或复杂，在视网膜上都有感光细胞，可分为锥感光细胞和杆感光细胞，前者能接纳光波长短的刺激，能辨别颜色；后者能接受光的强弱，感光细胞是唯一能感受光的细胞。因为它含有感光色素，目前了解得最多的感光色素是视紫红质，它是维生素A醛和视蛋白的结合物，光线射到感光细胞上，把视紫红质色素漂白，以后在维生素A的辅助下，用呼吸作用所获得的能量重又合成视紫红质，在此光化学反应过程中，将光能转化为电能，引起神经兴奋，发放信息，信息的大小就是脉冲频率，即单位时间内发出的脉冲数。第二级神经细胞是双极神经细胞，它的一极与感光细胞相联系，另一极与第三级神经细胞——视神经细胞相联系，视神经节细胞发出视神经纤维，由许多视神经纤维集结成视神经把来自视网膜上的信息输送到间脑的外侧膝状体，交换神经细胞后，沿着外侧膝状体放出的视放线继续输送，信息经过如此复杂的线路时加以整理后送到大脑背面的视区，在视区上这些经过整理的信号把视网膜上众多感光细胞形成的镶嵌图像译成画面，使大脑获得外界的形象。如果用放大镜去观察报刊上的图版和电视屏幕上的影像，可发现它们也都是由许多小点镶嵌成的，这就较易理解脑是怎样接收影像的了。
现在再来谈谈视觉的侧抑制，首先被发现于鲎的复眼中，后来发现许多动物，如猫、猴等都存在着侧抑制的现象。哈特兰及其助手用鲎的复眼做实验，把精密的微电极的一端插入一个小眼的视神经纤维上，另一端接到测量放大器的输入端，观察其对光输入的反应，当光束照射这个小眼时，从微电极上记录到一串脉冲，脉冲的大小基本与光强度的对数成正比，把两根微电极的一端分别插入两个邻近的小眼视神经纤维，另一端各接测量放大器，用同样强度的光束同时照射到这两个小眼，从两者的微电极上都记录到脉冲，但是，这两者的输出脉冲频率都比单独照射时的频率低。这就表明：当一个感光细胞受到光刺激引起兴奋，可使相邻的感光细胞受到抑制，也就是说各个小眼的输出起着减少附近小眼的输出作用。由于这种抑制作用是通过小眼视神经纤维之间的侧向联系网络来实现的，因此，哈特兰把它称为侧抑制。侧抑制起着加强对比度的作用，使物体的轮廓突出，从而所见形象也就更加清晰了。可以想象，当海中物体的光投入鲎眼复眼中的那部分小眼引起兴奋，产生脉冲，由于侧抑制，抑制了这部分小眼以外的小眼发放脉冲，这样在鲎脑的视觉中枢上接收到的信号就有明暗的反差，于是，物体的轮廓也就清晰地显示出来。前面已经提及电视屏幕图像是由一个个小点凑合而成，当要在屏幕上显示电视片名时，如果把拼成片名的那些点变亮，同时把片名以外的那些点变暗，这样由于黑白对照分明，片名就会显得格外清晰。鲎眼仿生是仿生学上的成功事例之一。
动物放电给我们的启示
电对于人类是如此的重要，不用说大至工农业生产，如果停电，很多机器不能开动，生产就要停顿；就拿小至千家万户的日常生活来说，一旦停电，电灯不能照明，只好又采用蜡烛或油灯等落后的照明方法，很多家用电器都无法使用，冰箱里的食品就会变质，电视机和录像机不能显影，各种电器音响无法播音，深受家庭主妇喜爱的电饭煲、电烤箱、洗衣机、电熨斗、空调、风扇等等都不能工作。
