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第18章 航空体育与仿生学(1)

随着仿生学的广泛运用和体育的科技化发展,体育仿生学日益受到重视,体育仿生主要在航空体育、航海体育和水上运动中运用较多见。比如关于信息接受(感觉功能)、信息传递(神经功能)、自动控制系统,动植物仿生等运用十分普遍,本章节就航空体育中对“动物”、“植物”、“自然”仿生作一点探讨。

第一节 仿生学与体育仿生学

仿生学是20世纪七八十年代发展起来的一门属于生物科学与技术科学之间的边缘学科,它涉及生理学、生物物理学、生物化学、物理学、数学、控制论、工程学等学科领域。仿生学把各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究,希望在技术发展中能够利用这些原理,应用这些原理去设计和制造新的技术设备或拓展其他相关的技术思路,从而为人类生产、生活娱乐服务。生物模拟已成为当代航空高新技术和航空体育发展的重要途径之一。

生物体具有十分巧妙的结构和功能,诸如飞禽与鱼类流线型的身体结构,苍鹰在高空的翱翔动作,鸟类长骨的中空结构等都是现代工程技术模仿的对象,生物体的这些结构和功能是在漫长的历史时期中,按照优胜劣汰,用进废退的生物进化规律逐步自然形成的。

尽管作为一门科学,仿生学的历史还很短,但模仿生物体的各种自然优势的思想却是十分悠久的。值得注意的是,在大量古代体育动作中有不少是来自对动物体的模仿,这样的体育动作,我们则可称其为古代体育仿生。其中包括“动态”体育仿生和“静态”体育仿生。我国春秋战国时期,孔子、老子、庄子等先哲代表了我国养生思想(体育思想)的引领者。古代把模仿动物的动作,以活动肢体,达到养生防病目的的方法称为导引。早在2000 多年前,《庄子·刻意》中就写道:“吹呴呼吸、吐故纳新,熊经鸟伸,为寿而已矣。此导引之人,养形之人,彭祖寿考者之所好也。”李颐注到,“熊经鸟中”为“如熊攀树而自悬,类鸟飞空而伸脚。”司马彪也注说:“若熊之攀树而引气也”,“若鸟之濒呻出。”很清楚,“熊经鸟伸”是模仿熊的攀援动作和鸟在空中的舒展动作而创造出来的,而且是有目的的用来锻炼身体。古称“养形”即指这些外部的形态动作。

如果说,《庄子》所载的这种仿生养生法还太简单,还只是字面上的几个简单描述的话,那么《导引图》的出土,就生动准确地给我们描绘出一幅古代仿生锻炼的形象图谱了。1975年,在我国长沙马王堆出土的《导引图》中的题记“熊经”图像,则如熊模仿人走路的样子,这与李颐和司马彪解说的有些不同,这只能说明我国汉代对彭祖创造的那套动作已有了改进。事实上,汉代对早期来自动物体的仿生动作确实作了不少改进和创新,在原有的基础上增加了不少内容。比如西汉的《淮南子·精神训》中记有“六禽戏”即“熊经鸟伸,凫浴蝯中躩,鸱视虎顾。”从中可见除了熊和鸟,还有野鸭(凫)的洗澡动作,猿的小步走路,鹞鹰(鸱)的俯视和猛虎的摆体摇颈动作。可以说“六禽戏”是对“导引”中仿生动作的进一步补充。

要细说起来,古代体育仿生历史悠久,门类复杂,诸如古代早就创造了“龙舞”,如我国汉代和隋唐时期有“漫衍鱼龙”戏,是模仿各种珍奇动物的表演活动,其中“鱼舞”、 “龙舞”就是模仿鱼跃、龙腾的动作。还有汉代“百戏”中的“冲狭燕濯”和“沐猴斗舞”等。在武术中,更是有乌龙绞柱、鲤鱼打挺、飞鸟展翅、蜻蜓点水、金鸡独立、狮子顺毛等;仅就形意拳而言就有模仿龙、虎、猴、鸟、熊、龟、鸡、鹞、燕、蛇、骀、鹰等十二种动物的动作形态。总之,古代体育仿生运动是很普遍的,而且是有成效的,为人类的健康长寿做出不小的贡献。

第二节 中国古代动物仿生与飞行器

中国古代的飞行器,目前可以确认的有木鸟、木鹊、风筝、飞鸢、孔明灯、竹蜻蜓、地老鼠等。这些飞行器可以说都是中国古人在仿生学上的贡献。

我国春秋时期著名的工匠鲁班就曾用木料制成飞鸟,模仿飞鸟飞翔。《墨子·鲁问》中说:“公输子削竹以为鹊,成而飞之,三日不下。公输子自以为巧。墨子谓公输子曰,子之为鹊也,不如匠之车辖。”鲁班当时是怎么想的呢?这是很多人的疑问,不管鲁班是怎么想的,有一点是可以肯定的,那就是鲁班造的这个飞行器模仿对象是飞鸟。按现代对仿生学的定义,仿生学是一门模仿生物的特殊本领,利用生物的结构和功能原理来研制机械或新技术的科学。鸟的特殊本领就是它能在空中自由飞翔,这种特殊本领是人类所望尘莫及的,鲁班看到的正是鸟类的这种特殊本领。鲁班是一个著名的工匠,平时什么工具器械都能制造,对物体的结构也都熟悉,工匠的本领就是具有很好的模仿能力和制作能力。鲁班观察鸟类飞翔的过程中,发现其基本结构是翅膀,鸟通过翅膀在空中飞翔,于是鲁班根据鸟的基本结构制造出木鸟,能“成而飞之,三日不下。”虽然我们看不到鲁班制作木鸟的实物,但可以想象出,鲁班制作的木鸟,其翅膀是固定的,即不会像真鸟的翅膀那样一张一合地扇动,也就是说,鲁班制作的木鸟是借助气流滑翔,还是被动的。

春秋战国时的鲁班为什么想到模仿鸟类?其实也是有历史原因的,首先是鲁国的文化背景,其次是当时对生物的模仿已经在学术界出现。《庄子·刻意》中载有“熊经鸟伸”之句,就是想模仿鸟在空中的展翅动作。早在我国原始社会,先民就认为凤凰是人间安宁祥兆,所以在丰收与喜庆日模仿彩鸟婆娑起舞,乞求神灵的保佑。因此创编了最早的舞蹈“羽舞”,即在身上、头上插上羽毛仰屈而舞,羽舞中就有一些模仿鸟的飞空动作,这就是说,人类想模仿鸟起飞由来已久,但春秋以前是想法多而没有实践。鲁班却是有想法又有实践的一位工匠,但他的木鸟也是受到前人仿生的启发,并非是鲁班突然想出来的。

现代仿生学的主要研究方法是提出模型,进行模拟。首先对生物原型进行研究;其次是将生物原型提供的资料进行数学分析,使其内在联系抽象化,用数学语言把生物模型制造出来,这是仿生学的基础。也就是说,没有相似原理仿生就无从谈起。相似既存在于不同种事物之中,也存在于同种事物之中,它属于现象范畴,只有对现象上相似和本质上同一的关系有了认识,才能把握事物的本质。鲁班削木以为鹊“成而飞之”,可以看出当时制作木鸟也同样是要做出模型,不断放飞,不断失败,最后才能成功。虽然关于鲁班制作木鸟模型及其时间没有详细记载,但关于墨子做木鸟模型和长期实践却有记录。据《韩非子·外储左上》中说:“墨子为木鸢,三年而成,飞一日而败。”文中的“三年而成”指的就是制造木鸢所用的时间,这三年,不是说做成一个木鸢的时间,而是指制造了若干个木鸢和放飞失败的若干次数。三年时间是不短的,墨子与鲁班相比,虽然墨子是一位科学家,有数学的头脑,但做木鸢必须要有木匠的手艺,这一点木匠出身的鲁班却要胜出一筹。如果按现在来说,制造飞行器,木匠远不能与科学家相比。但在春秋战国时期,制造飞行器却不需要那么复杂技术,更需要的是高度抽象和仔细观察,并要在事物的相似上接近一致。鲁班造的木鸟,能飞三天,应该说鲁班的木器活干得出色,但墨子做事更细心、更臻密一些。然而,造飞行器升空,要像真鸟一样飞行,仅靠鲁班和墨子的木工活是做不到的。

结构仿生是通过研究生物机体的构造建造类似生物体或其中一部分的机械装置,通过结构相似来实现功能相近。春秋战国的鲁班、墨子不能说观察能力不强,模仿技术不好,但他们当时观察的是飞鸟的翅膀和鸟迎风而飞的状态,所以鲁班和墨子只模仿了飞鸟能飞的所有装置的一部分,因此春秋的木鸟只有在适合的风力下才能飞,遇上大风就会把木鸟吹毁。到了汉代,科学技术有了明显进步,于是造出的飞行器也更为科学。《后汉书·张衡传》有张衡的“木雕独飞”的记载,宋朝李昉等人编的《太平御览》叙述得更详细些:“文士传曰:张衡曾作木鸟,假以羽融,腹中施机,能飞数里。”张衡是汉代著名的科学家,它在鲁班、墨子造木鸟的基础上,又造出木雕的飞鸟,不仅仅是外形比前人的更精美,而且科学技术上有明显进步。张衡在木鸟外表粘上一层羽毛,并在鸟肚子里装有发条一样的装置。张衡大概想,光有翅膀,只是模仿了鸟的一般结构,要让人工木鸟飞,一定要尽量模仿鸟的全部,鸟羽毛很轻,遇风吹动时,羽毛会产生升力,于是给木鸟装上一层羽毛。张衡又想到鸟是活体,肚腹中有内脏,身上有肌肉,于是又在木鸟腹中装上动力装置。毫无疑问,张衡的木雕鸟模仿对象的相似处更多,所以汉代的木鸟除了能迎风而起,而且能不完全靠风力“独飞”一段时间。

唐朝苏鹗的《杜阳杂篇》记载,唐时有一个名叫韩志和的人“善雕木作鸾、鹤、鵶、鹊之状,饮啄动静与真无异。以关戾置于腹内,发之则凌云奋飞,可高三丈,至一二百步外始落下。”这个韩志和更巧了,他在前人的基础上做了更广范围的飞鸟实验,他的木雕飞鸟除了木鹊,还模仿鸾、鹤、鵶各种鸟类。鹊、鹰之类是猛禽,飞速很快,而鹤类却要笨重一些,飞行能力也比不上鹰。换句话说,韩志和造的木鸟模型种类更多,要使各种各样的鸟起飞,势必要制造出不同重量、不同翼角的扑翼模型。众所周知,鸟身体重量轻,迎风面积小,翅膀也相对要小,扑翼也相对要小,像鹤、鸾这样大型的鸟,其扑翼也就更大,制作相对困难,应该说韩志和对各类鸟的扑翼设计已较完美,是了不起的动物仿生专家。然而,生物体具有十分巧妙的结构和功能,诸如飞禽与鱼类流线型的身体、灵活转动的头颈、超过人类数倍的视力,还有鸟类长骨中空结构等等,都是现代工程技术想要模仿的对象。苍鹰在高空翱翔的动作,有时根本不需要扑翼,而是拨弄一下翅膀上的某一块肌肉,改变一下某两根羽毛的角度,就能忽高忽低、自由沉浮。但生物体的这些结构和功能,是在漫长的历史时期中,按照优胜劣汰、用进废退的生物进化规律逐步形成的,要完全像真鸟一样的模仿是难以做到的。

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