仿生學(xué)工程應(yīng)用實(shí)例

1、仿生學(xué)工程應(yīng)用實(shí)例控制學(xué)院吳夏鵬1、翠鳥和新干線 日本的工程師們成功地制造出了新一代新干線列車，其運(yùn)行時(shí)速超過320公里，但是當(dāng)列車高速行駛時(shí)其產(chǎn)生的噪音超過了環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，這是由于列車高速通過狹窄的車道時(shí)將產(chǎn)生音爆效應(yīng)。這一問題的一部分原因是列車的車頭是子彈型，因此它會(huì)“推擠”前方的空氣而非“切穿”過去。為了解決這個(gè)問題，工程師們從翠鳥的嘴巴上得到了靈感，這種鳥類在沖向水中捕魚時(shí)只會(huì)濺起很少的水花。觀察發(fā)現(xiàn)，翠鳥擁有一個(gè)流線形的長長鳥嘴，其直徑逐漸增加，以便讓水流順暢向后流動(dòng)。通過仿生學(xué)設(shè)計(jì)，工程師們對子彈車頭進(jìn)行重新改造，西日本鐵路公司制造出了500系列列車，并于1997年投入使用。實(shí)踐證明這

2、種列車的車速比起原有設(shè)計(jì)提升了10%，而電力消耗降低了15%，而噪音水平也有了顯著下降。2、和樹木一樣強(qiáng)健 樹木和骨骼都擁有相對較輕卻高強(qiáng)度的特征。為了使應(yīng)力均勻分布，樹木會(huì)在最重要的受力點(diǎn)增加重量，而骨骼會(huì)在不需要的地方去除不必要的物質(zhì)以便減輕整體重量。工程師們從樹木和骨骼的結(jié)構(gòu)中得到啟發(fā)，將靈感運(yùn)用到軟件設(shè)計(jì)中，以便實(shí)現(xiàn)減重并增加材料表現(xiàn)水平。 梅賽德斯公司推出的一款概念車設(shè)計(jì)采用了輕質(zhì)骨架，便是從樹木和骨骼結(jié)構(gòu)中得到了靈感。盡管這款名為“Bionic”的低排量汽車從未投入大批量生產(chǎn)，但是該公司確實(shí)將這些理念運(yùn)用到了之后的多款量產(chǎn)型汽車設(shè)計(jì)中。5、自動(dòng)水流收集系統(tǒng) 這是一只澳洲刺蜥，它能通

3、過自己身體表面進(jìn)行自動(dòng)集水。當(dāng)夜晚溫度下降時(shí)，露水會(huì)在它身上聚集并通過毛細(xì)作用自動(dòng)流向它的嘴里。 如果我們能設(shè)計(jì)出類似這種高效的被動(dòng)集水系統(tǒng)，它將幫助全球數(shù)百萬飲水困難的民眾脫離困境。3.像蚊子那樣扎針 不管過后有多么其癢難耐，你會(huì)發(fā)現(xiàn)蚊子在咬人時(shí)你是不怎么疼的。蚊子的口器接觸人體的方式可以使它觸發(fā)盡可能少的皮膚神經(jīng)，從而減少疼痛反應(yīng)。 在對這一現(xiàn)象進(jìn)行的滲入研究中，日本關(guān)大學(xué)的工程師們制造出了一種細(xì)微的，根據(jù)蚊子口器仿生制成的鋸齒形針尖。和傳統(tǒng)的圓柱狀針管不同，在中央針尖的旁邊還設(shè)置了兩條細(xì)微的外側(cè)鋸齒條，極大地降低扎入人體的痛楚。4.全天然空調(diào)系統(tǒng) 白蟻會(huì)建造這樣巨大的巢穴系統(tǒng)，但是在炎熱

4、干燥的非洲草原上，這樣一個(gè)建筑的內(nèi)部卻總是能自己保持恒溫和濕潤。不論外界多么潮濕，干旱，高溫或寒冷，對其內(nèi)部毫無影響。為了做到這一點(diǎn)，白蟻們會(huì)視情況在一天中忙著不停的打開或關(guān)閉不同方向的通風(fēng)口。 在設(shè)計(jì)津巴布韋首都哈拉雷市的東門購物中心和辦公大樓時(shí)，設(shè)計(jì)師麥克皮爾斯(Mike Pearce)研究了白蟻巢穴的結(jié)構(gòu)。其結(jié)果是，東門購物中心只需要傳統(tǒng)設(shè)計(jì)10%的能量消耗。這樣形成的節(jié)約使它得以降低租金，從而吸引更多商戶入駐。5.像鯊魚那樣對抗細(xì)菌 很多鯨類和海牛的身上會(huì)長出藻類甚至藤壺，但是不知道你注意過沒有，鯊魚的身上卻從來不會(huì)出現(xiàn)這種情況。這似乎得益于鯊魚身上一種被稱為“盾鱗”的結(jié)構(gòu)。這是一種軟

5、骨魚類特有的，與牙齒結(jié)構(gòu)近似，由表皮和真皮共同形成的鱗片，這也是鯊魚的皮膚摸上去非常粗糙的原因。 科學(xué)家們根據(jù)鯊魚皮膚的構(gòu)造啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種被稱為“鯊魚”的表面工程設(shè)計(jì)。這種表面結(jié)構(gòu)本身不需借助任何其他手段，其本身便可以阻止細(xì)菌在其表面生長。一家名為“鯊魚技術(shù)”的公司已經(jīng)將應(yīng)用這種仿生技術(shù)的貼膜銷售給許多需要防菌的用戶，并生產(chǎn)了一些有意義的新型產(chǎn)品，如不會(huì)被細(xì)菌感染的導(dǎo)尿管等等。控制仿生學(xué) 研究生命活動(dòng)所特有的自動(dòng)控制過程及其工作原理，用以研制具有類似功能的自動(dòng)控制、定向和導(dǎo)航等技術(shù)系統(tǒng)的一門新興交叉學(xué)科。是仿生學(xué)的一個(gè)分支，也稱神經(jīng)仿生學(xué)。 生物體內(nèi)平衡調(diào)控和肢體運(yùn)動(dòng)控制的研究是控制仿生學(xué)的

6、重要內(nèi)容。人和動(dòng)物機(jī)體依靠神經(jīng)通路和內(nèi)分泌(激素)通路，自動(dòng)調(diào)節(jié)其生理活動(dòng)、肢體運(yùn)動(dòng)及自身行為，以保持機(jī)體與內(nèi)外環(huán)境的統(tǒng)一。例如， 人體體溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過精確控制機(jī)體產(chǎn)熱與散熱過程的平衡，使體溫恒定在37左右； 人和動(dòng)物的行走、奔跑、游泳、飛翔等各種靈巧的肢體運(yùn)動(dòng)，也都是在機(jī)體自動(dòng)控制系統(tǒng)的精確、可靠的控制下才得以完成，并保持了動(dòng)作過程中身體的平衡以及動(dòng)作的協(xié)調(diào)與穩(wěn)定?？刂品律鷮W(xué)的研究目的在于為改善工程自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和提高其性能提供借鑒。 控制仿生學(xué)的研究對象包括兩個(gè)層次，即以反饋為主的初級控制系統(tǒng)和大腦的高級控制系統(tǒng)。 生物神經(jīng)系統(tǒng)對機(jī)體的調(diào)節(jié)機(jī)能，與工程自動(dòng)控制裝置的功能在理論上極為相似

7、，兩者進(jìn)行控制的基礎(chǔ)都是“反饋”的存在。生物控制系統(tǒng)與工程自動(dòng)控制系統(tǒng)這種理論上的一致性，使控制仿生學(xué)具有了重要的實(shí)用意義。人的神經(jīng)系統(tǒng)有兩個(gè)子系統(tǒng)。一個(gè)是調(diào)節(jié)內(nèi)臟活動(dòng)的植物神經(jīng)系統(tǒng)，又稱自主神經(jīng)系統(tǒng)；另一個(gè)是對機(jī)體實(shí)施精細(xì)、完善調(diào)節(jié)的大腦皮質(zhì)，是高級神經(jīng)活動(dòng)中樞，主導(dǎo)機(jī)體的一切活動(dòng)過程，并調(diào)節(jié)機(jī)體與周圍環(huán)境的平衡，其功能涉及到學(xué)習(xí)、記憶和思維。 所以，對大腦控制機(jī)能的仿生學(xué)研究，不僅可為在技術(shù)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)精確、完善的控制提供新的設(shè)計(jì)思想，更重要的是可以提供智能化的自動(dòng)控制原理。 工程自動(dòng)控制系統(tǒng)輸入的閾值一經(jīng)調(diào)定就成了固定的，而生物控制系統(tǒng)卻具有自動(dòng)調(diào)節(jié)的可變閾值。 例如，在嘈雜的聲響環(huán)境中，

8、人的聽覺系統(tǒng)能阻斷聲音通道或有選擇地開放某種聲音通道，做到“集中注意力”看書或聽某一個(gè)人的談話，對其他聲響則“充耳不聞”。模仿人的控制系統(tǒng)的這一功能，去建造具有可變閾值的工程自動(dòng)控制系統(tǒng)， 如具有較高抗干擾特性的軍事監(jiān)聽、觀察和通信系統(tǒng)，將具有重大的軍事意義。 控制仿生學(xué)還研究動(dòng)物定向與導(dǎo)航系統(tǒng)的功能原理。研究發(fā)現(xiàn)， 海豚借助其利用超聲波回聲定位的獨(dú)特功能，能發(fā)現(xiàn)3千米之外的魚群并確定其方位； 蝙蝠在飛行過程中能分辨直徑0.1毫米的細(xì)線并準(zhǔn)確地躲避，還可同時(shí)探測多個(gè)目標(biāo)，數(shù)萬只蝙蝠同在一個(gè)巖洞中其超聲定位系統(tǒng)卻互不干擾。 動(dòng)物系統(tǒng)的這些獨(dú)特功能及其結(jié)構(gòu)原理，對于提高聲納和雷達(dá)系統(tǒng)的靈敏度和抗干擾性能具有重大參考價(jià)值。 某些動(dòng)物遠(yuǎn)程導(dǎo)航本領(lǐng)極強(qiáng)，候鳥飛行幾千甚至上萬千米，也能準(zhǔn)確地到達(dá)遷徙目的地。通過對動(dòng)物在遠(yuǎn)程導(dǎo)航過程中所采用的“星象導(dǎo)航”、“地磁場導(dǎo)航”和“重力場導(dǎo)航”等機(jī)能原理的深入探索，有可能為設(shè)計(jì)新型導(dǎo)航儀器找到全新原理。 研究動(dòng)物的跟蹤制導(dǎo)本領(lǐng)也是控制仿生學(xué)的重要課題，典型的例子是 關(guān)于雄性家蠅對雌性家蠅的跟蹤行為的研究。雄性家蠅借助復(fù)眼中各個(gè)小眼的協(xié)同配合，依據(jù)被追逐目標(biāo)(雌性家蠅)在其小眼視網(wǎng)膜上成像大小的變化，判斷與目標(biāo)間的距離。雄性家蠅腦根據(jù)距離變化去控制其下一時(shí)刻的飛行加速度，從而實(shí)現(xiàn)對飛行方向與速度的精確控制。據(jù)此總結(jié)出了蠅