仿生學(xué)上機(jī)練習(xí),精心整理版,物有所值

1、山東*大學(xué)仿生學(xué)概論課程練習(xí)三 姓名: 班級： 學(xué)號：課程學(xué)習(xí)總結(jié)報(bào)告課程學(xué)習(xí)總結(jié)報(bào)告仿生學(xué)的概念仿生學(xué)的概念n在20世紀(jì)60年代，1960年9月13日，在美國召開的第一屆仿生學(xué)研討會上，斯蒂爾博士首次提出了仿生學(xué)(Bionics)的概念，并定義仿生學(xué)是模仿生物系統(tǒng)的原理來建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或類似于生物系統(tǒng)特征的科學(xué)，簡而言之，仿生學(xué)就是“模仿生物的科學(xué)”。 仿生學(xué)的誕生仿生學(xué)的誕生 隨著生產(chǎn)的需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)50年代以來，人們已經(jīng)認(rèn)識到生物系統(tǒng)是開辟新技術(shù)的主要途徑之一，自覺地把生物界作為各種技術(shù)思想、設(shè)計(jì)原理和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。人們用化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)以及技

2、術(shù)模型對生物系統(tǒng)開展著深入的研究，促進(jìn)了生物學(xué)的極大發(fā)展，對生物體內(nèi)功能機(jī)理的研究也取得了迅速的進(jìn)展。此時模擬生物不再是引人入勝的幻想，而成了可以做到的事實(shí)。生物學(xué)家和工程師們積極合作，開始將從生物界獲得的知識用來改善舊的或創(chuàng)造新的工程技術(shù)設(shè)備。生物學(xué)開始跨入各行各業(yè)技術(shù)革新和技術(shù)革命的行列，而且首先在自動控制、航空、航海等軍事部門取得了成功。于是生物學(xué)和工程技術(shù)學(xué)科結(jié)合在一起，互相滲透孕育出一門新生的科學(xué)仿生學(xué)。 仿生學(xué)的發(fā)展歷程仿生學(xué)的發(fā)展歷程n在回顧分析仿生學(xué)重大事件的基礎(chǔ)上,提出了仿生學(xué)經(jīng)歷了4 個發(fā)展時期,指出了仿生學(xué)的重大貢獻(xiàn)是源頭創(chuàng)新的研究理念與方法,并能在未來的所有領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用、

3、取得突破性研究成果仿生學(xué)萌芽時期仿生學(xué)建立時期仿生學(xué)鞏固時期現(xiàn)代仿生學(xué)時期n從遠(yuǎn)古時代起,人們實(shí)際上就已在從事仿生學(xué)工作該時期,人類的各種仿生現(xiàn)象與成果不斷涌現(xiàn),為這門科學(xué)的誕生積蓄了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與感性認(rèn)識。n魯班制成了人類史上第一架帶有鋸齒的木工鋸1仿生學(xué)的萌芽時期(遠(yuǎn)古時代至1940 年)n該時期,人類在仿生學(xué)研究中的最大貢獻(xiàn)是建立了仿生學(xué)理論。從實(shí)質(zhì)上看,仿生學(xué)的誕生帶給人類的是創(chuàng)新的理念與方法,即向生命系統(tǒng)學(xué)習(xí)的理念,模擬生命系統(tǒng)的方法。使人類從一個嶄新的視角透視世界,發(fā)現(xiàn)前人未發(fā)現(xiàn)的事物,實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的原始創(chuàng)新,這是其他科學(xué)無法比擬的優(yōu)勢。n1960 年9 月誕生了一門新的交叉學(xué)仿生學(xué)。

4、1960 年9 月1315 日,在美國俄亥俄州達(dá)頓(Dayton) 的一個空軍基地,召開了美國第一屆仿生學(xué)討論會。在20 世紀(jì)50 年代已成為一門獨(dú)立學(xué)科的“仿生學(xué)”,在這次會議上被正式命名。2仿生學(xué)的建立時期(19401960 年) 19601990 年各國政府及科研單位、科研人員對仿生學(xué)傾注了極高的熱情與支持,已廣泛地喚起整個社會對仿生學(xué)的理解與支持,所以,屬于仿生學(xué)的鞏固時期。 該時期,人們借助仿生學(xué)的研究理念與方法在信息仿生學(xué)、控制仿生學(xué)、力學(xué)仿生學(xué)、化學(xué)仿生學(xué)、醫(yī)學(xué)仿生學(xué)等領(lǐng)域中取得了新的成就,進(jìn)一步鞏固了仿生學(xué)的科學(xué)地位。3仿生學(xué)的鞏固時期(19601990 年) 該時期仿生技術(shù)具

5、有快速、靈敏、簡單、可同時分析多個材料和所需起始材料量低等優(yōu)點(diǎn). 自1992 年創(chuàng)立以來,很快成為克隆新基因和研究基因表達(dá)的有力工具Reverse Northern 結(jié)果a. b 分別為與對照組( CK) 和120 h處理組總RNA反轉(zhuǎn)錄標(biāo)記的探針雜交結(jié)果4現(xiàn)代仿生學(xué)時期(1990 年至今)4現(xiàn)代仿生學(xué)時期(1990 年至今) 仿生學(xué)的研究方向和內(nèi)容仿生學(xué)的研究方向和內(nèi)容n一、主要研究方向： 123力學(xué)仿生分子仿生能量仿生信息和控制仿生電子仿生機(jī)械仿生建筑仿生材料仿生醫(yī)學(xué)仿生人體仿生宇宙仿生形態(tài)仿生功能仿生結(jié)構(gòu)仿生色彩仿生意象仿生機(jī)理仿生形式美感仿生二、仿生學(xué)的研究內(nèi)容：仿生學(xué)的研究內(nèi)容，從模

6、擬微觀世界的分子仿生學(xué)到宏觀的宇宙仿生學(xué)包括了更為廣泛的內(nèi)容。仿生學(xué)的研究內(nèi)容是極其豐富多彩的，因?yàn)樯锝绫旧砭桶汕先f的種類，它們具有各種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能供各行業(yè)來研究。n起初仿生學(xué)的研究多集中在動物的神經(jīng)元、感覺器官、神經(jīng)系統(tǒng)綜合作用的研究。以后在機(jī)械仿生、結(jié)構(gòu)仿生和化學(xué)仿生也隨之開展起來，進(jìn)來又出現(xiàn)新的分支，如人體仿生學(xué)、分子仿生學(xué)和宇宙仿生學(xué)等等。仿生學(xué)的研究方法、步驟仿生學(xué)的研究方法、步驟一、研究方法：n復(fù)制不是仿生學(xué)的研究目的，對生物系統(tǒng)工作原理的本質(zhì)認(rèn)識、理解和應(yīng)用是最終目標(biāo)。在這個過程中發(fā)散性地進(jìn)行類比、模擬和模型化是仿生學(xué)研究的主要方法，而數(shù)學(xué)模型是從生物原型到應(yīng)用模型

7、的關(guān)鍵。n但是對復(fù)雜生物系統(tǒng)的認(rèn)識往往是一個長期的研究過程，并依賴于先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的支持，需要多學(xué)科的交叉、合作，所以仿生學(xué)的研究是一個系統(tǒng)工程，存在相當(dāng)大的難度。生物體生物體生物模型生物模型數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型技術(shù)模型技術(shù)模型技術(shù)裝置技術(shù)裝置仿生學(xué)研究的重要環(huán)節(jié)是建立各種“模型”（如下圖）二、研究步驟首先對生物體的某種結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行仔細(xì)研究，合理首先對生物體的某種結(jié)構(gòu)與功能進(jìn)行仔細(xì)研究，合理簡化，提出一個生物模型；對生物模型進(jìn)行分析、綜合、簡化，提出一個生物模型；對生物模型進(jìn)行分析、綜合、抽象，轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型；根據(jù)數(shù)學(xué)模型或直接根據(jù)生物模抽象，轉(zhuǎn)化成數(shù)學(xué)模型；根據(jù)數(shù)學(xué)模型或直接根據(jù)生物模型，應(yīng)用各

8、種技術(shù)手段，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)，建立工程型，應(yīng)用各種技術(shù)手段，經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)，建立工程技術(shù)模型。技術(shù)模型。模型試驗(yàn)進(jìn)化設(shè)計(jì)功能分析相似評價上述步驟往往要經(jīng)過多次反復(fù)，才能建立優(yōu)化的技術(shù)裝置。仿生學(xué)應(yīng)用實(shí)例分析仿生學(xué)應(yīng)用實(shí)例分析 原來電魚都具有一套類似于我們常見的蓄電池結(jié)構(gòu)的發(fā)電器官，它是由肌肉細(xì)胞演變而成的。這些猶如蜂窩狀的發(fā)電器官是由許多塊“電扳”所組成?！半姲濉狈譃閮擅妫阂幻孑^為光滑，直接與神經(jīng)系統(tǒng)相連；另一面則凹凸不平，無神經(jīng)?！半姲濉焙驮瓉淼募∪饧?xì)胞一樣，具有膜外帶正電，膜內(nèi)帶負(fù)電的靜息電位。一旦神經(jīng)系統(tǒng)傳來一個指令信號時，“電板”的一面產(chǎn)生急轉(zhuǎn)電勢，而另一面不受神經(jīng)控制，仍是原來

9、的靜息電位狀態(tài)。由此，“電板”兩面的電荷出現(xiàn)了不對稱，因而產(chǎn)生了電流。 一、電魚與伏特電池 1. 生物特性 自然界中有許多生物都能產(chǎn)生電，僅僅是魚類就有500余種 。人們將這些能放電的魚，統(tǒng)稱為“電魚”。 2.仿生元素 在電魚體內(nèi)有一種奇特的發(fā)電器官。3.仿生應(yīng)用 對電魚的研究，還給人們這樣的啟示：如果能成功地模仿電魚的發(fā)電器官，那么，船舶和潛水艇等的動力問題便能得到很好的解決。電魚這種非凡的本領(lǐng)，引起了人們極大的興趣。19世紀(jì)初，意大利物理學(xué)家伏特，以電魚發(fā)電器官為模型，設(shè)計(jì)出世界上最早的伏打電池。因?yàn)檫@種電池是根據(jù)電魚的天然發(fā)電器設(shè)計(jì)的,所以把它叫做“人造電器官”。二、蛋殼與薄殼建筑二、蛋

10、殼與薄殼建筑n1.生物特性 蛋殼呈拱形，跨度大，包括許多力學(xué)原理。雖然 它只有2 mm的厚度，但使用鐵錘敲砸也很難破壞它。支持人承重和運(yùn)動的骨骼，其截面上密實(shí)的骨質(zhì)分布在四周，而柔軟的骨髓充滿內(nèi)腔。在建筑結(jié)構(gòu)中常被采用的空心樓板、箱形大梁、工形截面鈑梁以及折板結(jié)構(gòu)、空間薄壁結(jié)構(gòu)等都是根據(jù)這條結(jié)論得來的。2.仿生元素 3.仿生應(yīng)用薄殼就是利用了蛋殼結(jié)構(gòu)原理，由于這種結(jié)構(gòu)的拱形曲面可以抵消外力的作用，結(jié)構(gòu)更加堅(jiān)固。建筑學(xué)家模仿它進(jìn)行了薄殼建筑設(shè)計(jì)。這類建筑有許多優(yōu)點(diǎn)：用料少，跨度大，堅(jiān)固耐用。薄殼建筑也并非都是拱形，舉世聞名的悉尼歌劇院則像一組泊港的群帆。三、響尾蛇的頰窩與響尾蛇導(dǎo)彈三、響尾蛇的頰

11、窩與響尾蛇導(dǎo)彈 1.生物特征 頰窩上密布有三叉神經(jīng)末梢質(zhì)體，這是紅外感受單位，包含有許多線粒體。頰窩膜表面每平方毫米約有個紅外感受單位。外腔方向指向前方，當(dāng)熱量到達(dá)頰窩時，窩內(nèi)的空氣膨脹，頰窩膜兩側(cè)溫度就不同，神經(jīng)末梢便興奮，刺激神經(jīng)細(xì)胞，產(chǎn)生脈沖傳給腦中樞，信息加工后，腦中樞便發(fā)出攻擊獵物的命令。 響尾蛇在眼睛與鼻孔之間有一凹窩叫頰窩，就具有極靈敏的紅外線感受作用。頰頰窩窩研究發(fā)現(xiàn)，響尾蛇頰窩被一層薄膜分隔成內(nèi)外兩個小腔。內(nèi)腔以小孔開口于皮膚，使內(nèi)腔與環(huán)境的溫度一致，并可調(diào)節(jié)內(nèi)外腔間的壓力。 2.仿生元素仿生元素 3.仿生應(yīng)用仿生應(yīng)用n根據(jù)響尾蛇的頰窩能感覺到0.001的溫度變化的原理n在仿

12、生學(xué)和現(xiàn)代科技推動下，人們已經(jīng)制造出“響尾蛇”導(dǎo)彈，一種空對空導(dǎo)彈。這種導(dǎo)彈就是將紅外探測器配備在殲擊機(jī)的彈頭上，它可以追蹤敵機(jī)發(fā)動機(jī)散發(fā)熱和噴出廢氣時所發(fā)出的紅外線而準(zhǔn)確地?fù)糁袛硻C(jī)。四、屁步甲炮蟲與二元化武器四、屁步甲炮蟲與二元化武器n1.生物特征 屁步甲炮蟲自衛(wèi)時，可噴射出具有惡臭的高溫液體 “炮彈”，以迷惑、刺激和驚嚇敵害。科學(xué)家將其解剖后發(fā)現(xiàn)甲蟲體內(nèi)有3個小室，分別儲有二元酚溶液、雙氧水和生物酶。二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶 混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瞬間就成為100的毒液，并迅速射出。 2.仿生元素仿生元素 3.仿生應(yīng)用仿生應(yīng)用n甲蟲體內(nèi)有3個小室，分別儲有二元酚溶液、雙氧水和生物酶。

13、二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶 混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瞬間就成為100的毒液。n美國軍事專家受甲蟲噴 射原理的啟發(fā)研制出了先進(jìn)的二元化武器。這種武器將兩種或多種能產(chǎn)生毒劑的化學(xué)物質(zhì)分裝在兩個隔開的容器中，炮彈發(fā)射后隔膜破裂，兩種毒劑中間體在彈體飛 行的810秒內(nèi)混合并發(fā)生反應(yīng)，在到達(dá)目標(biāo)的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人。它們易于生產(chǎn)、儲存、運(yùn)輸，安全且不易失效。五、野豬的鼻子與防毒面具五、野豬的鼻子與防毒面具n1.生物特性 野豬的嗅覺特別靈敏，它們可以用鼻子分辨食物的成熟程度，甚至可以搜尋出埋于厚度達(dá)2米的積雪之下的一顆核桃。 野豬的鼻子十分堅(jiān)韌有力，可以用來挖掘洞穴或推動40千克50千克的重物

14、，或當(dāng)作武器。毒氣不僅能殺傷人，就是飛禽走獸也難以幸免。但是人們在清理戰(zhàn)場時，卻發(fā)現(xiàn)了一個奇特的現(xiàn)象。這就是在毒氣飄過的地方，野豬卻安然無恙。2.仿生元素3.仿生應(yīng)用并不是野豬對毒氣有先天抵抗力，而是野豬用鼻子拱地的天性起了作用。原來野豬聞到刺鼻的毒氣氣味時，它們就本能地用那突出的大嘴巴拼命拱地，等到把土拱松后就把鼻子插進(jìn)泥土里，松軟的土壤顆粒吸附并過濾了毒氣，因而野豬避免了災(zāi)難。 根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，科學(xué)家們很快就設(shè)計(jì)、制造出了第一批防毒面具。但這種防毒面具沒有直接采用泥土作為吸附劑，而是使用吸附能力很強(qiáng)的活性炭，豬嘴的形狀能裝入較多的活性炭。如今盡管吸附劑的性能越來越優(yōu)良，但它酷似豬嘴的基本樣式

15、卻一直沒有改變。 防毒面具可以說是模仿豬嘴的一件杰作。 課程學(xué)習(xí)體會課程學(xué)習(xí)體會這個學(xué)期我選擇了仿生學(xué)這門選修課，仿生學(xué)是一門領(lǐng)域這個學(xué)期我選擇了仿生學(xué)這門選修課，仿生學(xué)是一門領(lǐng)域?qū)挿旱膽?yīng)用性科學(xué)，它的研究不應(yīng)僅僅局限于技術(shù)應(yīng)用范寬泛的應(yīng)用性科學(xué)，它的研究不應(yīng)僅僅局限于技術(shù)應(yīng)用范圍，仿生學(xué)更大的潛力開發(fā)價值存在于它和社會學(xué)相結(jié)合圍，仿生學(xué)更大的潛力開發(fā)價值存在于它和社會學(xué)相結(jié)合的領(lǐng)域的領(lǐng)域, ,作為一種研究行為。本是抱著多了解些東西的心作為一種研究行為。本是抱著多了解些東西的心態(tài)，但經(jīng)過初期的學(xué)習(xí)之后，我發(fā)現(xiàn)仿生學(xué)是非常有趣并態(tài)，但經(jīng)過初期的學(xué)習(xí)之后，我發(fā)現(xiàn)仿生學(xué)是非常有趣并且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科。有誰

16、會想到我們平常生活中常見或是知道且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)科。有誰會想到我們平常生活中常見或是知道的東西都是由仿生而來的呢！仿生技術(shù)由古至今皆有之的東西都是由仿生而來的呢！仿生技術(shù)由古至今皆有之, ,人類很早就開始向生物學(xué)習(xí)，古代哲學(xué)大都是源自于對仿人類很早就開始向生物學(xué)習(xí)，古代哲學(xué)大都是源自于對仿生學(xué)的研究，諸如老子、墨子和孔子等都通過仿生學(xué)的悟生學(xué)的研究，諸如老子、墨子和孔子等都通過仿生學(xué)的悟道來研究社會百態(tài)的。仿生學(xué)就是在大自然各事物中尋找道來研究社會百態(tài)的。仿生學(xué)就是在大自然各事物中尋找靈感進(jìn)而發(fā)明利于人類使用的東西，古人根據(jù)大自然的啟靈感進(jìn)而發(fā)明利于人類使用的東西，古人根據(jù)大自然的啟發(fā)，發(fā)明制造了許

17、多工具物品為自己所用發(fā)，發(fā)明制造了許多工具物品為自己所用, ,如中國古代的如中國古代的魯班造據(jù)等。魯班造據(jù)等。 從自然界中我們可以得到很多啟迪，模仿其結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造，這就是仿生學(xué)。這是我們向自然界學(xué)習(xí)的一個方面，另一方面，我們還可以從自然地規(guī)律中找到啟發(fā)，利用其原理進(jìn)行設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)的算法，這也是智能計(jì)算的思想。由此看出仿生學(xué)的科研顯示出無窮的生命力，它的發(fā)展和成就將為促進(jìn)世界整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。這比我原來所知曉有關(guān)仿生的知識有趣的多，平時令人討厭的蒼蠅都能與航天事業(yè)緊密地聯(lián)系起來，這與仿生學(xué)是分不開的?？偠灾?，不管是天上飛的地上跑的水里游的，仿生學(xué)都能把它們與我們的生活事業(yè)緊密地聯(lián)系在一起，讓我們更深入的了解