人与自然 系列丛书-第236章
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米雕刻唐诗300首的工艺。人手的结构同所有高等动物的前肢一样都是由肩、上臂、腕、掌和指组成。但是，人手的肩关节、肘关节、腕关节和指关节等部位至少有27个自由度。人手的优越性在于它功能的多样性，这是任何动物和机器都不能比拟的。你只要去查一下字典，有手字作部首的含有动词意思的字有多少，就足以说明人手能做的动作的多样性。人手的感觉非常灵敏，用手能感觉物体的轻重、软硬、粗细、干湿、大孝冷热等。蒙上你的眼睛，摊开手掌，在上面放上一块薄冰，问你这是什么东西？
你肯定会不加思索地准确地说出这是块冰，并能说出它是冷的、硬的、薄的、轻的、湿的和光滑的等等性质来。盲人的手感就更灵敏了，用手摸盲文，代替了眼睛看书。
尽管人手是如此的多能，但毕竟不是万能，人还需要利用制作工具来弥补手功能的不足。自从瓦特发明蒸汽机后，机器逐步代替了人工劳动，推动了生产力。人们追求好的机器，以此完成人手所做不到的一些事，以及把人从危险的工作境地解脱出来，由机器去代劳。因此，对手的研究和仿生是不会被忽视的。一些残疾人不幸失去了手，高明的医生就给他装上假手，早期的假手是在外部用皮带和金属线来操纵假手的活动，利用使用者的肩部运动使它动作，基本上只有手指张开和合拢这样一个自由度。以后外科医生又用一种叫做“运动形成切断术”，把病人的肌肉固定在钢针上，再把钢针用电线连接起来去操纵假手活动，它的优点是使用者只要想把手捏拢来，假手指就会捏拢来，它是用肌肉本身来操纵假手的，但是，这种手术不适用于肌肉不发达的人。后来人们又进一步用肌电直接控制假手。什么是肌电呢？肌电是指大脑传给肌肉或器官的神经信号电脉冲，人手的活动是直接受大脑支配的，从大脑传给肌肉的神经电信号使肌肉和骨胳关节按指令动作。由于神经信号的电特性，所以神经电信号不但能操纵活的肌肉，同样也可用来操纵机械活动。50年代前苏联的科学家成功地制造了能工作的肌电手，这种假手从使用者成对的颉颃肌上引出神经电信号，经电子仪器放大后去控制假手的活动，他们将微型电动机配上电池安装在假手上作为动力的能源，在断肢上套上一个电极固定圈，使它紧贴皮肤，引导出手指伸肌和手指屈肌的神经电信号；再通过放大器加大电流强度，使假手活动。安装在假肢中的电池耗尽后可以利用晚上睡觉时给予充电。这种假肢能举起4。5公斤左右的重物，而且能完成一些较精巧的动作。我国上海假肢厂和上海生理研究所共同研究也制成肌电手，握力已达1公斤，他们将两片涂有导电性能良好的电极膏的银片电极，贴在颉颃肌外面的皮肤上，引导出神经电信号，通过放大器，去控制假手。肌电假手尚需解决的一个难题是人体的“噪声”会造成大量的虚假电信号，致使打一个喷嚏也会导致假手举起来。
肌电控制技术的研究给人一机合作打下了良好的基矗所谓人一机合作就是人和机器紧密地结合。人的所有随意动作都是受大脑支配的，由大脑发出神经电信号支配有关肌肉和骨骼关节而完成指定动作。既然能用肌电信号来操纵机械，那么也就有可能直接用大脑的电信号来操纵机械。也就是说操纵者在荧屏上观察由自己脑电控制的机械设备，只要操纵者想什么，被控制的设备就会按你所想的进行活动。人—机合作的好处是通过遥控，人不必身临危险地方工作，可以及时解决某些预测不到的问题，要比单独的人或单独的机器工作好。美国飞往火星工作的无人飞船“水手三号”在飞行途中突然发生故障，虽然飞船发出17个求救信号，但是由于金属保护罩不能打开，太阳电池板得不到日光，致使“水手三号”因缺乏动力而殒失，本来这个问题很易解决，只要去掉这个保护罩就行了。但是飞船的电子设备没有这道程序。
如果这只飞船是由人—机合作操作的，就可以及时解决这些意外困难。
人们给机器装上机械手，用来到危险作业地方去搬运重物，由于机械手受形状、大孝动力源方面的制约较少，因此设计的自由度也就大，许多国家已广泛使用机械手。1966年一架美国军用飞机在地中海上空失事，将一枚氢弹坠入海底，美国海军部用机械手式打捞器进行打捞，这个打捞器重达1吨，而它的机械手却能提起几吨重的物体。打捞器配备有摄象机、声波探测仪、定位仪和信号灯等各种精密仪器，以螺旋桨推动机器在海底移动，打捞器在海底的情况通过摄象机显示在指挥船的电视屏幕上，工程师们据此通过电子计算机对打捞器进行操纵。1969年前苏联戈尔夫级攻击型导弹潜艇在夏威夷西北海域沉没。美国海军派出“格拉玛”勘探号作业船进行打捞。这艘深海作业船用3部吊车将大型蟹爪式机械手放入海底，操作人员在船上通过电视屏幕控制机械手用5对夹钳把这艘长达百米的潜艇从5000米深的海底提起，由于艇身断裂，仅捞起艇首部分，而后半部分仍坠入海底。
仿真技术和人造现实感
人造现实感这个词是20世纪70年代中期就已经开始使用了，起先是使用仿真这个词的。说起仿真，大多数情况是指用计算机按照科学方法来阐述事物的场合，而且，更是适用于下列情况：用实际装置进行试验或实验要花庞大经费的场合；伴有危险状况的场合；开发新设备所花费用特别大。
那么，在许多场合让人也参与在模拟的现实世界中，能使人进入由计算机等硬件构成的世界，并使人感觉到宛如身临其境的体验，这就是仿真技术中的人造现实感。
这里以仿真技术的代表——模拟飞行器为例。模拟飞行器是飞机研制和飞行员培训中心不可少的装置。
模拟飞行器大致有五部分组成：一是操纵席部；二是外部视野装置；三是运动装置；四是实时运动计算机部；五是飞行员。其中与人有关的部分有：由触觉控制的操纵席部和引起视觉的外部视野装置以及产生体感的运动装置。
与视觉有关的是从窗户所见到的外部状况与实际状况是完全相同的。现在使用专用的视野发生装置，特别是近年利用晶体组织技术，能逼真地显示出云层、海面、飞机高空滑行姿态和山坡表面等有质感的图像。
进而，如加上图像变换技术，就可以把地形、建筑物的摄影定格，而且能逼真地制出与实际状况几乎完全相同的外部视野。为了体验身临其境的感觉，可利用仿真技术显示无限远的境界，宽广的境界直至圆顶形天空的境界。
最近正在研究头戴显示屏式的眼镜，飞行员只要戴上它，就可以观察外部视野。
与体感有关的是运动装置，它是用于驱动飞行员的操纵座位的，使飞行员可以从身体上直接感觉到飞行运动的加速度。
用上述视觉甚至触觉的仿真技术，除用于航空方面外，在原子能、医学、化学等方面都有需要。
现在进行的人造现实感的研究，其研究课题是用最简便的器具模仿人类相应的视觉、触觉等感官，构成有较高逼真度的人造现实感系统。
仿生学在21世纪将大有用武之地
我们都知道，奶牛吃下去的饲料主要是草，但挤出来的却是雪白雪白的牛奶，而牛奶可以说是营养最全面、最丰富，也最受人们普遍欢迎的天然食品之一。
于是，有的科学家就大胆地进行设想，能不能搞一个“牛奶生产流水线”，模仿奶牛的整个吞食、消化、吸收系统，包括粉碎、搅拌、振荡、消化酶的催化、加温加压、残渣排除以至生物化学溶剂作用下的分子结构的转化等一系列过程，最后达到的效果将是：在这种流水线的一头送进去的是草，而另一头则喷射出白花花的牛奶。这样的流水线该有多奇妙呀！不要认为这只是痴人说梦，从理论和技术角度来讲，这种前景是完全有可能达到的，而这就是所谓“仿生学”的研究目标和任务。
“仿生学”是在本世纪中叶开始进入实质性开发的。当时有的科学家发现蝙蝠实际上没有眼睛，可是它却能快速飞行捕食，而且不会撞击在树干或其他物体上。这是什么道理呢？通过研究，科学家们发现，蝙蝠身体内分别有一个小小的然而十分灵敏的超声波发射器和一个吸收器，它在飞行过程中不断地发射出声波，声波遇到任何障碍物都会立刻折射回来，并被吸收器获取，这个信息马上会反应到蝙蝠的神经中枢，从而指挥它的飞行系统迅即改变飞行方向。我们如果仔细观察一下蝙蝠在暮色苍茫中疾速地飞来转去捕食昆虫的行动轨迹，就能体会到它的声纳系统有多么奇妙了。后来，科学家们模仿蝙蝠体内的这种结构，制造出了多种用途的声纳仪器，可广泛运用于军事、航海、捕鱼、探测等各个方面。
还有一种小甲虫，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，可以飞快地“计算”出它相对于地面的飞行速度，它的眼睛是天然速度计。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移动速度仪器—地速计，已经在飞机上普遍使用。这种地速计也可用来测量导弹攻击目标时的相对速度。
大自然中的许多生物各有其千奇百怪的特殊生理功能，如果能把它们广泛运用于人类的机械、仪器和工艺，将能使科学技术和工农业生产出现新的飞跃，因此，不少科学家断言，仿生学在下一个世纪将成为最有前途的新技术学科之一，它将为人类进步作出巨大的不可估量的贡献。
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