仿生學(xué)課程結(jié)業(yè)報告

1、 仿生學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新 課程結(jié)業(yè)報告 姓名：陳某某班級：土木工程138班學(xué)號：2013011128*結(jié)業(yè)報告仿生學(xué)結(jié)業(yè)報告仿生學(xué)仿生學(xué)及其應(yīng)用 目 錄1仿生學(xué)的概念和學(xué)科特征3仿生學(xué)的研究方向和內(nèi)容4仿生學(xué)的研究方法、步驟2仿生學(xué)的誕生和發(fā)展歷程510個仿生學(xué)應(yīng)用實例1 概念：仿生學(xué)是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學(xué)，它是在上世紀(jì)中期才出現(xiàn)的一門新的邊緣科學(xué)。仿生學(xué)研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理， 并將這些原理移植于工程技術(shù)之中，發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機(jī)器，創(chuàng)造新技術(shù)。從仿生學(xué)的誕生、發(fā)展，到現(xiàn)在短短幾十年的時間內(nèi)，它的研究成果已經(jīng)非常 可觀。仿生學(xué)的問世開辟了獨特的技術(shù)發(fā)展道路，也就是向生物界

2、索取藍(lán)圖的道路，它大大開闊了人們的眼界，顯示了極強的生命力。 仿生學(xué)的概念和學(xué)科特征仿生學(xué)是什么？Part 1Part 2 學(xué)科特點： 仿生學(xué)是一門建立在多學(xué)科邊緣上的綜合性學(xué)科，這些相關(guān)性的基礎(chǔ)學(xué)科，正如前面所述，包括生理學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、心理學(xué)、生物物理學(xué)、電子學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)，以及通訊、計算技術(shù)、建筑工程、航空、航海工程及系統(tǒng)科學(xué)等。2仿生學(xué)的誕生和發(fā)展歷程Part 1 誕生：從二十世紀(jì)五十年代以來人們已經(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)計原理和和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。（萌芽）作為一門獨立的學(xué)科仿生學(xué)誕生于1960年9月。“仿生學(xué)”是由美國科學(xué)家

3、J.E斯蒂爾在美國召開的第一次生物學(xué)會議上命名，取名為“Bionics，希臘文，意思是代表著“研究生命系統(tǒng)功能的科學(xué)”。1963年我國“Bionics譯為“仿生學(xué)”。（由來、誕生）仿生學(xué)起源- 漢字中的仿生學(xué)Part 2 發(fā)展歷程：在20世紀(jì)90年代初,各國都在為發(fā)展仿生學(xué)這門交叉學(xué)科的基礎(chǔ)研究作了精心長期的計劃準(zhǔn)備。美國有一項優(yōu)先發(fā)展先進(jìn)制造、先進(jìn)材料以及先進(jìn)軍事裝備研究 等領(lǐng)域的長期計劃,德國的研究與技術(shù)部已就“21世紀(jì)的技術(shù)”為題在適應(yīng)電子技術(shù)、納米技術(shù)、富勒碳材料、光子學(xué)、仿生材料、生物傳感器等領(lǐng)域投入了相當(dāng) 大的財力和人力。英國政府也早在1993年5月就發(fā)表了科學(xué)大臣沃爾德格雷夫主持

4、撰寫的科技白皮書,題為運用我們的潛力科學(xué)、工程和技術(shù)戰(zhàn)略。日 本、俄羅斯以及韓國等國都有相應(yīng)的中長期計劃,在先進(jìn)制造、材料、生物技術(shù)、高性能計算與通信計劃等領(lǐng)域開展基礎(chǔ)性研究。這是一場在仿生科學(xué)技術(shù)研究領(lǐng)域 內(nèi)展開源頭研究的全球性競爭,以便在21世紀(jì)的世界市場上占有主動地位 3仿生學(xué)的研究方向和內(nèi)容研究方向 Contents信息仿生控制仿生擬態(tài)仿生力學(xué)仿生化學(xué)仿生. . . . . . . . . . . 123456703040506071316Page研究內(nèi)容Part 1信息仿生研究的是生物機(jī)構(gòu)與外界環(huán)境、生物個體之間、生物體內(nèi)各部分間的信息接收、存儲、處理與利用的機(jī)理，以及將其移植于技術(shù)

5、系統(tǒng)之中的方法，并最終制成類似于生物系統(tǒng)的計算系統(tǒng)和信息接收處理系統(tǒng)。青蛙與電子蛙眼 水母與電子耳電子鴿眼、電子鼻、電子耳等Part 2控制仿生研究生物機(jī)體控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能原理，并用這些原理去改進(jìn)現(xiàn)有的或建造新型的自動控制系統(tǒng)。當(dāng)前研究較多的是體內(nèi)穩(wěn)態(tài)、反饋調(diào)節(jié)、肢體運動控制、動物的定向與導(dǎo)航、生態(tài)系統(tǒng)的漲落和人機(jī)合作。.蛇的紅外探測.蝙蝠與超聲波.蛾的反雷達(dá)技術(shù).動物的天然導(dǎo)航Part 3擬態(tài)仿生生物界中普遍存在著擬態(tài)，將擬態(tài)用于工程技術(shù)中去就叫擬態(tài)仿生Part 4力學(xué)仿生研究和模擬的是生物機(jī)體外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理研究最多的是植物的莖、葉以及動物體形、肌肉、骨骼的結(jié)構(gòu)力學(xué)原理和動

6、物的飛行、游泳、血液循環(huán)系統(tǒng)的流體力學(xué)原理模擬形式：形體模仿、結(jié)構(gòu)模仿常見種類生物與造船生物與飛機(jī)生物與建筑Part 5化學(xué)仿生研究和模擬的是生物體中的各類化學(xué)反應(yīng)，包括酶學(xué)原理、選擇性生物膜和生物結(jié)構(gòu)的能量轉(zhuǎn)換、生物發(fā)光、生物發(fā)電等。人工嗅覺仿生物膜 仿仿生學(xué)的主要研究方法就是提出模型，進(jìn)行模擬。其研究程序大致有以下三個階段： 首先是對生物原型的研究。根據(jù)生產(chǎn)實際提出的具體課題，將研究所得的生物資料予以簡化，吸收對技術(shù)要求有益的內(nèi)容，取消與生產(chǎn)技術(shù)要求無關(guān)的因素，得到一個生物模型；第二階段是將生物模型提供的資料進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并使其內(nèi)在的聯(lián)系抽象化，用數(shù)學(xué)的語言把生物模型“翻譯”成具有一定意義

7、的數(shù)學(xué)模型；最后數(shù)學(xué)模型制造出可在工程技術(shù)上進(jìn)行實驗的實物模型。當(dāng)然在生物的模擬過程中，不僅僅是簡單的仿生，更重要的是在仿生中有創(chuàng)新。經(jīng)過實踐認(rèn)識再實踐的多次重復(fù)，才能使模擬出來的東西越來越符合生產(chǎn)的需要。這樣模擬的結(jié)果，使最終建成的機(jī)器設(shè)備將與生物原型不同，在某些方面甚上超過生物原型的能力。例如今天的飛機(jī)在許多方面都超過了鳥類的飛行能力，電子計算機(jī)在復(fù)雜的計算中要比人的計算能力迅速而可靠。4仿生學(xué)的研究方法、步驟5仿生學(xué)應(yīng)用實例 為了弄清楚為什么青蛙一定要等飛蛾起飛才發(fā)動攻擊，仿生學(xué)家對青蛙進(jìn)行了特殊的實驗研究。原來，蛙眼視網(wǎng)膜的神經(jīng)細(xì)胞分成五類，一類只對顏色起反應(yīng)，另外四類只對運動目標(biāo)的某

8、個特征起反應(yīng)，并能把分解出的特征信號輸送到大腦視覺中樞視頂蓋。視頂蓋上有四層神經(jīng)細(xì)胞，第一層對運動目標(biāo)的反差起反應(yīng)；第二層能把目標(biāo)的凸邊抽取出來；第三層只看見目標(biāo)的四周邊緣；第四層則只管目標(biāo)暗前緣的明暗變化。這四層特征就好像在四張透明紙上的畫圖，迭在一起，就是一個完整的圖像。因此，在迅速飛動的各種形狀的小動物里，青蛙可立即識別出它最喜歡吃的蒼蠅和飛蛾，而對其他飛動著的東西和靜止不動景物都毫青蛙與電子眼例 1神經(jīng)節(jié)細(xì)胞有4種： “邊緣偵察器”：感受外圍物體的邊緣“昆蟲偵察器”：感受移動的昆蟲“事件偵察器”：感受亮度的變化“光強減弱感受器”：感受光線減弱時陰影的暗色部分 “電子蛙眼”：人造衛(wèi)星跟蹤

9、系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)等神經(jīng)節(jié)細(xì)胞有4種：“邊緣偵察器”“昆蟲偵察器”、“事件偵察器”、“光強減弱感受器” 文由透鏡（晶狀體）在視網(wǎng)膜上形成光學(xué)圖像后，經(jīng)過視細(xì)胞、雙極細(xì)胞、輸出細(xì)胞（神經(jīng)節(jié)細(xì)胞）而送往大腦中樞視覺系統(tǒng)例 2蛇的紅外探測 蛇 熱血動物身體向外散熱 為蛇通過顯示器探測到熱源 田鼠 狗的的鼻子里的霧受一種蛋白質(zhì)的控制，將氣味分子濃縮后傳送給鼻子里的氣味感受器上的氣味辨別蛋白，當(dāng)氣味辨別蛋白將不同的氣味辨別后，被辨別出的特定的氣味信號，立即被嗅覺細(xì)胞傳遞給大腦，大腦便知道了所聞到的是一種什么氣味人工嗅覺例 3嗅敏電阻是一類以SnO2為主體的金屬半導(dǎo)體，它是一種表面效應(yīng)很強的材料

10、嗅敏檢測儀采集系統(tǒng)嗅敏元件放大系統(tǒng)報警系統(tǒng)報警系統(tǒng)電源例 4蛋白分子磷脂分子鑲嵌蛋白跨膜蛋白(形成通道)跨膜蛋白仿生物膜細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點細(xì)胞膜的流動鑲嵌模型：(1)脂雙層形成框架；(2)蛋白質(zhì)鑲嵌其中；(3)具有動態(tài)特點仿生物膜例 5側(cè)向運動時，蛇身體只有幾個點接觸地面，為了減少與高溫沙漠接觸，沙漠蛇多半采用這種運動形式在狹窄的空間內(nèi)，蛇無法擺動，只能采用直線和伸縮的方式向前運動大多時候，蛇采用蜿蜒運動的方式前進(jìn)，這是它效率最高的運動方式蛇形機(jī)器人，而且這種蛇形機(jī)器人能夠適應(yīng)外星球，比如月球、火星等等這種未知的環(huán)境來做一些探察工作蛇型機(jī)器人根據(jù)蝙蝠的回聲探測器制成供盲人使用的“探路儀”和“盲人

11、眼鏡”蝙蝠與超聲波飛行中的蝙蝠超聲波聲音反射波蛾例 6例 7夜蛾的反雷達(dá)技術(shù)鼓膜器鼓膜器 振動器胸神經(jīng)節(jié)神經(jīng)纖維氣囊聽覺細(xì)胞感受器鼓膜角質(zhì)皺折非聽覺細(xì)胞聽覺系統(tǒng)夜蛾胸腹之間有一對鼓膜器，可以從很強的背景噪聲中分辨出蝙蝠發(fā)出的超聲波，其身上厚密的絨毛還能吸收蝙蝠發(fā)射的探測超聲波，從而在天敵面前處于“隱身”狀態(tài)?？茖W(xué)家通過把夜蛾身上絨毛狀的材料用于飛機(jī)、艦船等裝備，大大減少了目標(biāo)被雷達(dá)、紅外線和超聲波發(fā)現(xiàn)的概率。例 8骨針具有優(yōu)異的光學(xué)性能和機(jī)械性能 在海綿生物硅化過程中, 一類被稱為硅蛋白(Silicatein)的蛋白質(zhì)表現(xiàn)出了特殊的催化活性, 也因此得到了生物學(xué)家、化學(xué)家和材料學(xué)家的關(guān)注。 2

12、1 世紀(jì)初，美國貝爾實驗室則更系統(tǒng)地研究了六放海綿綱拂子偕科偕老同穴屬一種Euplectellaaspergillum 的骨針的光學(xué)性能及其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)其光導(dǎo)性能非常類似于商業(yè)光纖的性能，可有效的連接光纖網(wǎng)絡(luò)。生物硅化材料例 9人造電器官經(jīng)過對電魚的解剖研究， 終于發(fā)現(xiàn)在電魚體內(nèi)有一種奇特的發(fā)電器官。這些發(fā)電器是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細(xì)胞構(gòu)成的。電電鰻的發(fā)電器呈棱形，位于尾部脊椎兩側(cè)的肌肉中；電鰩的發(fā)電器形似扁平的腎臟，排列在身體中線兩側(cè)，共有200萬塊電板;電鯰的發(fā)電器起源于某種腺體，位于皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板。單個電板產(chǎn)生的電壓很微弱，但由于電板很多，產(chǎn)生的電

13、壓就很大了。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)計出世界上最早的伏特電池。因為這種電池是根據(jù)電魚的天然發(fā)電器設(shè)計的,所以把它叫做“人造電器官”。例 10蒼蠅是聲名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污穢的地方，都有它們的蹤跡。原來，蒼蠅的“鼻子”嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上。每個“鼻子”只有一個“鼻孔”與外界相通，內(nèi)含上百個嗅覺神經(jīng)細(xì)胞。若有氣味進(jìn)入“鼻孔”，這些神經(jīng)立即把氣味刺激轉(zhuǎn)變成神經(jīng)電脈沖，送往大腦。大腦根據(jù)不同氣味物質(zhì)所產(chǎn)生的神經(jīng)電脈沖的不同，就可區(qū)別出不同氣味的物質(zhì)。因此，蒼蠅的觸角像是一臺靈敏的氣體分析儀。 蒼蠅和宇宙飛船

14、課程學(xué)習(xí)體會 本學(xué)期的學(xué)科專題中，我們有幸了解了仿生學(xué)的專業(yè)內(nèi)容。經(jīng)過一學(xué)期的學(xué)習(xí)，我們不僅對仿生學(xué)專業(yè)的研究內(nèi)容有了進(jìn)一步的了解，更對未來深入學(xué)習(xí)研究的方向有了一定的認(rèn)識與計劃。而我，則對仿生學(xué)產(chǎn)生了濃厚的興趣。仿生，簡單地講就是用人造裝置對有生命的物質(zhì)進(jìn)行模擬。仿生技術(shù)研究的內(nèi)容非常廣泛，大致有力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生以及信息與控制仿生這五個方面。 科學(xué)家們根據(jù)昆蟲復(fù)眼的結(jié)構(gòu)特點研制出了多孔徑光學(xué)系統(tǒng)裝置，更易于搜索到目標(biāo)，這已在國外一些重要武器系統(tǒng)中得到應(yīng)用。仿生學(xué)在軍事方面給了人類許多的啟發(fā)，讓人類的武器無論是活動能力還是攻擊準(zhǔn)確性都得到了極大的提高，而攻擊準(zhǔn)確性的提高使戰(zhàn)爭有效地避免了許多無辜人員的傷亡，這也從一定程度上對世界人民的利益作出了維護(hù)。也許，依靠昆蟲仿生學(xué)，人類真的可以實現(xiàn)戰(zhàn)爭的無硝煙化。 更神奇的是，科學(xué)家們受蝴蝶身上的鱗片會隨陽光的照射方向自動變換角度而調(diào)節(jié)體溫的啟發(fā)，將人造衛(wèi)星的控溫系統(tǒng)制成了葉片正反兩面輻射、散熱能力相差很大的百葉窗樣式，在每扇窗的轉(zhuǎn)動位置安裝有對溫度敏感的金屬絲，隨溫度變化可調(diào)節(jié)窗的開合，從而保持了人造衛(wèi)星內(nèi)部溫度的恒定，解決了航天事業(yè)中的一大難題。昆蟲仿生學(xué)又從航天事業(yè)方