專利名稱：微型機械仿生雌性昆蟲的制作方法
技術領域：
本發明為有效控制昆蟲的大發生的裝置，更具體地說，涉及利用仿生材料，微型機 械設計原理，充分利用昆蟲的性外激素誘集原理，通過人造機械雌性昆蟲吸引雄性昆蟲后， 兩者進行交配。在雄蟲將陽莖送入雌性生殖腔之后，通過機械切除手段去掉雄性昆蟲的部 分陽莖，使其不具備交配的能力，但仍存在交配的行為。然后利用這些無法正常交配的雄性 昆蟲和正常雌雄昆蟲產生交配行為，而只能產生孤雌生殖后代。整個設計既能使大發生的 昆蟲群體得到有效控制，又能有效防止該種生物的滅絕(留有孤雌生殖后代)。
背景技術：
眾所周知，對于有害昆蟲的治理，目前市面上主要以化學藥劑和生物防治為主。但 正如現實所證明的，這兩種方法都出現的無法克服的問題。在化學防治上，主要通過農藥進行防治。但是農藥(除一些特異性殺蟲劑外)之 所以對有害生物具有防治效果，基本上都是由于藥劑對生物體具有毒效。因此在目前農藥 設計上，研究人員要花大量精力以生物個體為對象研究農藥對哺乳動物毒性、毒理及防治 對象的作用機制。即便如此，目前仍必須提倡科學使用農藥，以減少人畜中毒，減輕環境污 染。另外，目前市面上存在的殺蟲劑的廣譜性，讓人類等非靶標生物受到其危害，更加上生 物富集作用，最終散布在環境中的農藥殘留匯集到人類等高等生物。而從防治效果看，由于 物競天擇的自然選擇，化學藥劑的長期使用，一些害蟲已經產生很強的抗藥性，因此單從農 藥學角度，新農藥的篩選是一個必須長期進行的工作。而目前最新研究方向的生物防治技術，也有其無法克服的困難。的確，利用自然界 中的有益生物來控制害蟲的種群數量有較好的效果，更重要的是能有效克服以上大部分在 農藥防治中出現的問題。但是，生物防治有以下三個缺點1、防治的對象依然具有光譜性， 有益生物不僅僅控制了害蟲的種群數量，往往還同時影響其它非靶標生物；2、有益生物對 于原本的環境是一種新型入侵生物，在防治害蟲的同時，往往無法確定有益生物的最終去 向；3、生物防治的材料存在大量浪費，一般只有低于使用量的5%的生物制劑真正作用在 靶標害蟲上；4、有益生物進入原本的害蟲所在的生態系統之后破壞了原本的生態平衡，由 于生態系統的整體性，在害蟲有可能得到防治的前提下，原本生態系統中其他。當然，目前有一種通過制造不孕基因手段來治理昆蟲。的確，這種方式可以有效地 根治某種生物防治昆蟲。但是這種方案由于不穩定的基因的存在，無法保證這種方式不會 對整個生態系統基因整體穩定性造成毀滅性損害，甚至直接或間接地危害到人類。單從生 態系統的穩定性角度，若一種新型人工變異的昆蟲能夠減少原本該種正常昆蟲的存在，即 所謂的演替，根據博弈論及生物進化論推斷，這種趨勢必然導致該昆蟲的滅絕。由于生態系 統的整體性，可能導致食物鏈、食物網的斷裂。這種破壞，無論是在數學建模上還是現在已 經發生的種種由于種群滅絕導致生態系統崩潰的已有事實，都顯示用基因手段來治理昆蟲 具有使整個生態系統的一部分或更為嚴重的崩潰的可能性。
發明內容
本發明旨在提供一種通過全新角度高效控制某類昆蟲大量繁殖，但又不至于滅絕 該類昆蟲，并且綠色不對環境造成污染的機械殺蟲裝置，是集成了集成了目前科技前沿的 微型機械技術，昆蟲誘集技術，昆蟲本身的生理代謝，太陽能收集板技術，仿生材料為一體 的機械殺蟲裝置。由于實驗設計中所設置的性激素濃度高于普通雌性昆蟲，受性激素的影響，雄性 昆蟲將對所設計的昆蟲進行交配行為。當雄性生殖器進入所設計的昆蟲生殖腔內，生殖腔 口上的刀片便會立刻對雄性生殖器進行切割，從而雄性昆蟲將失去性能力。由于進行單次 性行為所需時間減少，及機械化昆蟲含更高濃度性激素，必然，設計的雌性昆蟲所進行交配 的次數遠遠大于正常的雌性昆蟲，由于雄性昆蟲的生殖器遭到破壞，無法再進行真正的交 配行為，目前已有的研究表明，在雄性昆蟲的生殖器被破壞后，昆蟲仍具備交配行為。而正 常的雌性個體，如果和這些偽雄性昆蟲交配，由于無法得到正常交配，無法產生可育后代。 因而，該設計有三層次的呈幾何倍數增加的控制效應。當設計的昆蟲量足夠多時，可以完全 控制一定空間內突然爆發的昆蟲。另外，值得注意的是，由于雄性雌性正常個體仍有一部分的存在，不會導致昆蟲滅 絕。但在量上，得到有效控制。將機械昆蟲應用于植保方向，全面、環保系統地控制蟲害的發生，特別適用于生物 入侵中的昆蟲類群，如美國現行的殺人蜂，中國及很多地區各種蝗災等蟲災。
本發明的上述的以及其他的特征、性質和優勢將通過下面結合附圖和實施例的描 述而變得更加明顯，在附圖中，不同部位的標記表示不同的特征或功能，其中圖1東亞飛蝗雄性生殖系統(和消化系統)的側面解剖圖(摘自《中國飛蝗生物 學》)；圖2東亞飛蝗雌性生殖系統(和消化系統)的側面解剖圖(摘自《中國飛蝗生物 學》)；圖3東亞飛蝗雌性生殖腔的背面解剖圖(仿《中國飛蝗生物學》)；圖4微型機械仿生昆蟲雌性生殖腔的背面立體模擬圖；圖5東亞飛蝗雄性生殖系統被切割后的側面圖。
具體實施例方式生態平衡表現為生態系統中生物組成、種群數量、食物鏈營養結構的協調狀態，能 量和物質的輸入與輸出基本相等，物質儲存量恒定，信息傳遞暢通，生物群落與環境之間或 各相應力量之間，各自保持一定的狀態，達到正負相當、協調吻合。生態平衡一般符合以下4 個特征1、一定時期內生態系統中物質與能量的輸入與輸出保持相對平衡；2、生態系統內 的物質與能量的流動保持合理的比例與速度；3、生物的種類和數量相對穩定；4、生態系統 具有良好的自我調節能力。隨著全球經濟一體化，世界各地交流的日益頻繁，生物入侵現象日益嚴峻。而目前 為避免生物入侵，只是在進出口檢疫上進行預防，但是，由于國與國之間邊境接壤等原因，生物入侵仍不可避免，時有發生。另外，即便沒有生物入侵，一個國家內由于氣候的變化，在 某些特殊的年份往往導致各類蟲害的周期性爆發。于是，必須采用一種不同于以上方法的控制不必要昆蟲種群增長的技術，本發明 通過利用雌性微型機械昆蟲去掉正常雄性昆蟲陽莖，再利用正常雌性昆蟲與去掉陽莖后的 雄性昆蟲“交配”后，只能以孤雌生殖產生后代或不產生后代的原理，環保、適當、高效地控 制昆蟲的生物入侵及某些蟲災的發生。眾所周知，殺滅昆蟲的途徑必須使昆蟲與外界環境有物質能量交換時進行，只有 在這種場合，有害物質才得以進入昆蟲，從而殺滅昆蟲。因而，一般只從呼吸，取食，以及觸 殺這三方面對昆蟲進行殺滅。但是這些方法只是被動地要求昆蟲與對其有害的物質接觸， 在使用效率上有很大的有害物質的損失，因此才造成了農藥殘留等問題的出現的主要原因 之一。而在探究昆蟲主動與外界環境接觸的情況，昆蟲的兩性交配是其中值得較好利用的 一種方式。針對絕大多數的昆蟲的生命周期都需要進行交配生殖，因此，本發明的設計具有 較大范圍的應用前景。根據目前科學上的研究表明，雌性昆蟲散發的性外激素是引發交配主要刺激物 質。性外激素的釋放通常由外分泌腺體和能使化合物分子傳遞到周圍介質中去的特化器一 起組成。而目前性外激素已經能夠通過人工合成。而本發明所用的一個關鍵技術就是通過 在雌性微型機械昆蟲體內設計能釋放性外激素的裝置來吸引雄性個體，從而為進一步去掉 雄性個體陽莖打下基礎。本發明的另一項技術是設計的機械昆蟲在外形上與正常雌性個體近似或相同，如 果材料允許，盡可能使用仿生材料制作同正常昆蟲相同性質的體表。目前已有研究表明，形 態識別對昆蟲交尾行為有一定影響，即在利用性外激素吸引雄性個體接近本發明后，再根 據本發明的外觀而能夠迅速確定本發明的位置。就目前的設計，首先發明的主體是人造的微型機械昆蟲，即可采用類似于美國加 利福尼亞大學伯克利分校的Michel Maharbiz所設計的機械昆蟲，本設計采用的為機械雌 蟲。在該基礎上在昆蟲的某些穩定的內部置入一定量持久作用的性激素。另外，對昆蟲的 雌性生殖器生殖腔內部上設計一觸覺傳感器，在其生殖器口設計一微型執行器。由于昆蟲 交配步驟的需求，要求生殖腔內的材料光滑且與原本昆蟲生理盡可能相似。在整個裝置的 能量供應方面，采用昆蟲背部的太陽能收集板。機械昆蟲的另一更為重要的作用機制是當其去掉雄蟲陽莖后，對雄蟲體內激素分 泌并無影響，而這些無生殖能力的雄蟲將繼續與正常雄蟲競爭正常雌蟲。即，從理論上可以 肯定只需要少量機械雌蟲，從而產生一定較大數量的無生殖力雄蟲，這些無生殖能力的雄 蟲仍可以和正常雄蟲可競爭雌蟲，而這種無生殖能力的雄蟲和正常雌蟲的交配行為只能進 行興奮、接近、求愛、跨騎、擁抱，而無法將精珠及陽莖進入雌蟲的生殖腔，避免了兩性生殖 現象的產生。即截去雄蝗的外生殖器不影響雄蝗的躍登和抱握動作，但彎腹后不能交配。對于孤雌生殖產生的后代具有的不適應特征，將在下文以東亞飛蝗為例進行分 析。通過這種方式，理論上可以控制昆蟲種群的繁衍，及在某些蟲災常年發生較為嚴重的地 區，具有較高的控制能力。東亞飛蝗孤雌生殖有以下幾個特點1、由《中國飛蝗生物學》中記載的實驗表明孤雌生殖的每個雌蝗一生平均產卵2. 8塊，平均產卵間隔為12天；而正常的雌蝗平均6天產卵1塊，一生可產6-8塊；2、孤雌生殖的雌蝗每個卵塊的產卵粒數也有較大下降。孤雌生殖產生的卵塊平均 只有30粒左右的卵粒，而正常的雌蝗平均產60-80粒；3、未交配的雌蝗不是全部都能產下卵塊，有的不產卵即行死亡；4、孤雌生殖未受精的蝗卵孵化率很低，書中記載檢查了 20塊孤雌蝗蟲卵的孵化 率是0.3%，與正常蝗卵孵化率96%相比，差異較大。但如果雌蝗受到雄蝗的抱握刺激，及 時無精液和精子傳遞，卵的孵化率可以大大地提高，達20%到30%左右；5、孤雌生殖產生的幼蝗死亡率高。 即東亞飛蝗孤雌生殖具有雌蝗死亡率加大，產卵周期長，產生的卵塊和卵塊中的 卵粒數都減少，蟲卵孵化率急劇降低等不良特點。下面以蝗蟲為例對整個裝置進行實例分析。如圖1所示，1001為雄性東亞飛蝗成蟲的陽莖，在正常的昆蟲兩性交配中，該陽莖 進入正常雌性東亞飛蝗成蟲的生殖腔(如圖2所示的2001 生殖腔)，通過將雄蝗性形成的 精包遞入雌蝗生殖道內。精包傳入雌蝗體內后，精包頭部的有精子和精液部分破開，直接逸 進受精囊內，然后進行正常的受精作用產生可育后代。圖3為東亞飛蝗雌性生殖腔的背面解剖圖，3001為生殖腔，3002為生殖孔。正常 雄性東亞飛蝗的陽莖即是通過生殖孔進入生殖腔內。本設計的主要技術設計圖是圖4，如圖所示是對圖3生殖腔的物理模型。該人造微 型機械雌性昆蟲的的生殖腔主要包括4001、4002.、4003這三段。4001所起作用為清理生殖 腔，4002為觸覺傳感器及各種連接的電路(包括太陽能收集板、儲電器、電源)，其上有電路 連接4006(執行器)。4003段為仿生的生殖腔，雄性昆蟲的陽莖通過4005(生殖孔)進入 4003 (生殖腔)。4004為觸覺傳感器，4006為微型執行器，上面連接著一個可上下移動的圓 形刀片。其工作原理是當本發明的人工機械昆蟲因為性外激素吸引到雄性個體時，進行兩 性交配。當雄性昆蟲的陽莖通過機械昆蟲的生殖孔進入生殖腔后，陽莖前端接觸到觸覺傳 感器，觸覺傳感器在接收到陽莖頂端帶來的壓力后，在電源的供能條件下，通過電路引起微 型執行器上的刀片迅速移動，在生殖孔附近對陽莖進行切割。在切割操作完成之后，刀片回 到原來位置，4001實心圓柱啟動，將生殖腔內殘留的陽莖推出生殖腔，然后回到原來位置。 到這，完成一個切割陽莖的周期。當正常雄性昆蟲被去掉陽莖后，如圖5所示，陽莖殘缺，無法再進行有效的兩性生 殖，但由于體內分泌腺體的存在及正常分泌，該雄性昆蟲仍具有兩性交配的行為(但無法 讓陽莖進入雌蝗生殖腔內)，該去掉陽莖的昆蟲仍具有和正常雄性昆蟲一樣競爭正常雌性 昆蟲的能力。并且，該去陽莖昆蟲和正常雌性昆蟲交配后產生的無性生殖后代已在前面分 析具有多種不適應性。機械昆蟲還可配備GPS，可以進行回收。理論上，該法可控制蟲災，以及某些必須除 掉的害蟲，還可以對某些不適宜昆蟲進行控制，如在檢疫上對生物入侵后昆蟲的控制。
權利要求
1.一種新型的微型機械仿生雌性昆蟲裝置，包括(1)仿生材料制成的機械昆蟲外殼; (2)仿生材料制成的雌性生殖腔結構(3)背部為太陽能收集器；(4)生殖腔內安置的觸覺 傳感器與微型執行器；(5)性外激素儲放裝置。
2.根據權利要求所述，其特征在于，包括微型機械仿生昆蟲外部為仿生材料，在顏色的波長方面與正常昆蟲相似，且在花紋等 細節方面與正常昆蟲的高度仿真性。本設計外面所用材料具有防水性質，對于一般性潮濕 環境能夠正常工作。
3.根據權利要求1所述，其特征在于，包括微型機械仿生昆蟲在生殖系統中生殖腔的生物材料與實際的昆蟲具有高度模仿性，包 括生殖腔內具有的皺縮和絨毛。
4.根據權利要求1所述，其特征在于，包括微型機械仿生昆蟲在生殖系統中的生殖腔中所安置的傳感器位置及其與實心圓柱相 連的設計，在觸覺傳感器接收到壓力后能夠啟動執行器，引起執行器上面的刀片進行切割 的裝置；能夠啟動實心圓柱向生殖腔移動，將切下的陽莖移出生殖腔的裝置。
5.根據權利要求1所述，其特點在于，包括微型機械仿生昆蟲在體內安裝的雌性性外激素緩慢釋放結構。
6.根據權利要求1所述，其特點在于，包括微型機械仿生昆蟲在體內安裝的太陽能供能裝置，用來為整個裝置的正常工作提供能
全文摘要
本發明為有效控制昆蟲的大發生的裝置，更具體地說，涉及利用仿生材料，微型機械設計原理，充分利用昆蟲的性外激素誘集原理，通過人造機械雌性昆蟲吸引雄性昆蟲后，兩者進行交配。在雄蟲將陽莖送入雌性生殖腔之后，通過機械切除手段去掉雄性昆蟲的部分陽莖，使其不具備交配的能力，但仍存在交配的行為。然后利用這些無法正常交配的雄性昆蟲和正常雌雄昆蟲產生交配行為，而只能產生孤雌生殖后代。整個設計既能使大發生的昆蟲群體得到有效控制，又能有效防止該種生物的滅絕(留有孤雌生殖后代)。
文檔編號A01M1/02GK101999338SQ20101029792
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月30日 優先權日2010年9月30日
發明者朱衛祥 申請人:朱衛祥