眼睛與仿生學(xué)課件

什么是仿生學(xué)？

“仿生學(xué)”正式誕生于1960年。距今2300多年前墨子和他的300弟子，花了三年時間，造了一只“會飛的木鳥”，同時間希臘阿奇卡也制成一只“機(jī)械鴿子”。東漢時，張衡制成一架能飛數(shù)里的“木雕”。大約一千九百多年前西漢京都長安有人用大鳥羽制兩翼綁在雙臂上能飛（滑翔）幾百步。……結(jié)論：仿生學(xué)是在生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間發(fā)展起來的，他的任務(wù)是用生物體結(jié)構(gòu)與功能的原理，去改善現(xiàn)有的或創(chuàng)造新型的機(jī)械系統(tǒng)、儀器設(shè)備、建筑結(jié)構(gòu)和工藝過程。

自古就有許多中外人士模仿鳥類飛行試制飛行器，但都不成功。原因在于不了解鳥類的形態(tài)構(gòu)造和生理機(jī)能適于飛行的科學(xué)原理；又不了解人不具備飛行的生理條件，人要上天，必須依靠機(jī)械動力才可能。一直到了公元1903年美國萊特兄弟發(fā)明了飛機(jī)，人類從此實現(xiàn)了幾千年來夢寐以求的飛上天空的愿望。

人類飛上天空的例子，說明了仿生學(xué)的誕生有它的漫長歷史，必須在科學(xué)發(fā)達(dá)的前提下才能誕生。仿生學(xué)是一門新興不久的科學(xué)，是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)學(xué)邊緣的一門嶄新學(xué)科。目前仿生學(xué)已經(jīng)成為現(xiàn)代發(fā)展新技術(shù)的重要途徑。其研究范圍已發(fā)展有：

一、感覺器官模擬──目前以眼、耳、鼻三種器官為主。已模擬制成了“人造眼”、“電子耳”、“電子鼻”、“電子警犬”等。

二、神經(jīng)元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬──目前已制成的“人工智能機(jī)”。

三、生物定向和導(dǎo)航──目前已制成的有：模仿蝙蝠的盲人“探路儀”；模仿能感知千分之一溫度變化的響尾蛇“探熱器”；模仿鳥類遷飛和魚、龜、鯨等回游的機(jī)制，以研制導(dǎo)航機(jī)制；模仿蜜蜂“太陽羅盤”和生物種的“偏光羅盤”，“人工電子蜜蜂”；模仿蚊、蠅等具有天然導(dǎo)航器官──楫翅的“振動陀螺儀”，用于高速飛機(jī)和火箭。

四、生物力學(xué)──模擬人或動物肌肉的器具。如模仿膝關(guān)節(jié)制成的液壓模型。做成鯨形狀的日本大型遠(yuǎn)洋貨輪，提高航速百分之二十五。模仿企鵝的特殊運動方式，制成了深雪上行駛速度達(dá)時速50公里的雪地汽車。模仿袋鼠的運動制成了在沙漠中通行無阻的無輪汽車──跳躍機(jī)等。

五、生物力能學(xué)──如模仿螢火蟲把化學(xué)能變化光能的效率幾乎達(dá)百分之百的優(yōu)點，制出冷光源，可提高電能利用效率幾倍到幾十倍。

六、醫(yī)學(xué)仿生學(xué)──已制成的有原子動力心臟，人工腎，能做出六個基本動作的假手。制導(dǎo)：通過無線電裝置，控制和引導(dǎo)導(dǎo)彈等，使其按一定軌道運行。散射：光線通過有塵土的空氣或膠質(zhì)溶液等媒質(zhì)時，部分光線向多方面改變方向的現(xiàn)象。明察秋毫：比喻目光敏銳，連極細(xì)小的事物都看得清楚。秋毫：秋天鳥獸身上新長的細(xì)毛。別具一格：另有一種獨特的風(fēng)格。課文結(jié)構(gòu)人眼（4-5）蛙眼（6-8）鷹眼（9）人造眼電子蛙眼電子鷹眼象鼻蟲（10-11）蜜蜂（12-13）蜻蜓、蒼蠅（14）地速計偏光天文羅盤復(fù)眼透鏡復(fù)眼照相機(jī)1、(1─3段)概括說明研究各種不同構(gòu)造的眼睛的意義。

2、(4─14)研究情況及成果。單眼復(fù)眼3、(15─16自然段)仿生學(xué)研究的意義、范圍和任務(wù)，以及發(fā)展重點。對各類眼睛的

研究及啟示眼睛是我們認(rèn)識世界的重要感覺器官，每天我們通過眼睛可以看到這個世界上的萬物，甚至通過眼睛來感受萬物的變化。所以久而久之，我們就認(rèn)為，在大腦中出現(xiàn)的一切，都是通過眼睛一點不漏的看進(jìn)去的。就好像一部照相機(jī)。那么實際上，人眼并不是把投射到視網(wǎng)膜上的圖像一點不漏地傳給大腦，而是先對圖像進(jìn)行信息加工。（選取我們需要的信息）這是人眼不同于照相機(jī)的特殊功能。對于這種功能的研究，對于人類的科技發(fā)展有許多啟示：對于改進(jìn)某些機(jī)器的輸入裝置和自動控制系統(tǒng)的傳送器，研制新型跟蹤和發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)，都具有十分重要的參考價值。人眼除了可以對外來圖像信息進(jìn)行加工這個功能外，還具對比周圍的景物，使人感知自身的運動和位置狀態(tài)，確定物體的距離、形狀和相對大小。這也對我們有許多啟發(fā)。人眼-------信息加工感知自身的運動狀態(tài)，確定物體的距離、形狀和相對大小青蛙能敏捷地發(fā)現(xiàn)具有特定形狀的運動目標(biāo)，準(zhǔn)確地確定目標(biāo)的位置、運動方向和速度，并能選擇最佳的攻擊時刻。蛙眼電子蛙眼我是兔子鷹眼

如果我們能夠研制出“電子鷹眼”，就能夠大大擴(kuò)充和提高飛行員的視野和視敏度。電子鷹眼象鼻蟲象鼻蟲眼象鼻蟲根據(jù)各個小眼看到同一個物體的時間差以及自身在此期間飛過的距離，可以出很快地“計算”它相對于地面的飛行速度。地速計蜜蜂眼

蜜蜂的復(fù)眼，能夠看到太陽偏振光的振動方向，而這種方向與太陽的位置有確定的關(guān)系。偏光天文羅盤蜻蜓眼蒼蠅眼復(fù)眼透鏡

剝?nèi)ヲ唑押蜕n蠅復(fù)眼的角膜，放在顯微鏡下觀察，盡管在角膜前面只放一個目標(biāo)，但通過角膜卻可以看到許許多多個像。

不同的眼睛眼睛的構(gòu)造或功能研究的啟示人眼略略蛙眼能夠敏捷地發(fā)現(xiàn)具有特定形狀的運動目標(biāo)雷達(dá)系統(tǒng)、人造衛(wèi)星跟蹤系統(tǒng)鷹眼視野廣闊視敏度高電子鷹眼（控制遠(yuǎn)程激光制導(dǎo)武器、導(dǎo)彈跟蹤）象鼻蟲眼“天然速度計”地速計蜜蜂眼具有特殊的結(jié)構(gòu)，可以利用太陽偏振光來導(dǎo)航“偏光天文羅盤”蜻蜓眼角膜由許許多多個六角形的小眼角膜排列構(gòu)成“復(fù)眼透鏡”、“復(fù)眼照相機(jī)”從簡單到復(fù)雜從一般到特殊單眼復(fù)眼說明順序由淺入深由具體到抽象由一般到特殊由簡單到復(fù)雜一般先說明某種眼睛的構(gòu)造或某種特點，然后說明其仿生學(xué)意義以及人們得到的啟示。作者通過這種功能（結(jié)構(gòu)）到應(yīng)用的模式化說明，將事理說的一清二楚，人們也很容易就理解了。小結(jié)：作者在文章的4-14小節(jié)中，采用從簡單到復(fù)雜，從一般到特殊的說明順序，運用舉例子、作比較的說明方法，為我們說明了各種眼睛的功能及仿生學(xué)的意義。（一）、說明順序有條不紊。合理的說明順序?qū)τ谡f明非常重要，因此說明文的順序必須既符合人們認(rèn)識客觀事物的規(guī)律，又符合事物本身固有的特點。人們認(rèn)識事物有它的規(guī)律性，如由感性到理性，由簡單到復(fù)雜；事物和事理本身都有它內(nèi)在的邏輯關(guān)系，如“一般──特殊”；“整體──部分”；“因──果”；“主──次”；“深──淺”；“大──小”（或相反）。按照這些關(guān)系安排說明順序，就叫邏輯順序。寫作手法由于仿生學(xué)是一門新興科學(xué)，人們一般對它都比較陌生，所以作者不是先在科學(xué)定義上作文章，而是先介紹人們最熟悉，印象最深的人的眼睛，及其在仿生學(xué)中的意義，然后再說明一些動物的眼睛及其構(gòu)造和功能。就眼的構(gòu)造來說，一般眼的構(gòu)造比復(fù)眼簡單，所以作者先從一般眼睛談起，然后再介紹復(fù)眼的構(gòu)造及其在仿生學(xué)中的意義。本文的說明順序是由一般到特殊，由簡單到復(fù)雜。這樣的說明順序既便于讀者理解，又符合人們的認(rèn)識規(guī)律，因此顯得合情合理。（二）、結(jié)構(gòu)安排緊湊合理。說明文的基本結(jié)構(gòu)有“總──分──總”“總──分”、“分──總”三種形式。就文章的主體部分來說，由于層次之間的關(guān)系不同，常見的有“縱式結(jié)構(gòu)”（層進(jìn)關(guān)系），“橫式結(jié)構(gòu)”（并列關(guān)系）和“縱、橫合式結(jié)構(gòu)”。通過分析各自然段的內(nèi)容，可以歸納出這篇說明文的結(jié)構(gòu)。（三）、說明方法恰到好處1、舉實例與作比較兩種方法交錯運用。例如說明“研究、認(rèn)識眼睛的各種構(gòu)造和功能”，“對發(fā)展現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)有重要的意義”，就列舉人眼為例。為了說明人眼的仿生學(xué)意義，又把人眼的結(jié)構(gòu)功能與照相機(jī)作比較，說明了人眼的信息加工傳輸功能的仿生學(xué)意義。舉實例是為了說明觀點或道理，而作比較則使得實例更加特征鮮明，更加強(qiáng)了“實例”說明觀點、道理的作用。2、下定義。定義是以簡練的語言揭示概念內(nèi)涵的可靠方法，在本篇課文中使用多次，如下列幾例：（1）、探索人和動物眼睛奧秘的仿生學(xué)研究工作，稱為視覺仿生。（2）、由幾十至幾萬個獨立小眼構(gòu)成的眼睛，叫做“復(fù)眼”。（3）、具有偏振現(xiàn)象的光叫做偏振光。3、列數(shù)據(jù)。在說明由于受到視野和視敏度的限制，在高空飛行的飛行員單憑肉眼很難發(fā)現(xiàn)和識別地面目標(biāo)時，也采用下列數(shù)據(jù)的方法：“例如飛行員在六千米高空作水平飛行時，飛行員只能看到兩側(cè)八九公里和前方一二十公里狹窄范圍內(nèi)的地面。即使在這個區(qū)域里，對比較大的目標(biāo)也不是總能準(zhǔn)確無誤地發(fā)現(xiàn)和識別的。”這段話是在舉實例之中，兼用了列數(shù)據(jù)的方法。4、分析與綜合。課文（1～3）段綜合說明眼睛的重要作用、基本功能以及仿生學(xué)意義；（4～14）段則是分析說明眼睛的仿生學(xué)意義，先把眼睛分成“單眼”與“復(fù)眼”，再把“單眼”分成人眼、蛙眼、鷹眼分別加以說明，把“復(fù)眼”分為蜻蜓眼、象鼻蟲眼、蜜蜂眼等分別加以說明；（15～16）段又綜合說明仿生學(xué)的任務(wù)、什么是視覺仿生學(xué)等。分析說明必須建立在對所說明的對象科學(xué)分類的基礎(chǔ)上，因而也必須遵循分類的規(guī)則，即每次分類只能使用一個標(biāo)準(zhǔn)。課文總結(jié)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?？捎^。仿生學(xué)的問世開辟了獨特的技術(shù)發(fā)展道路，也就是向生物界索取藍(lán)圖的道路，它大大開闊了人們的眼界，顯示了極強(qiáng)的生命力。這篇文章是介紹仿生學(xué)這門新興科學(xué)的說明文，為了說明這門新興科學(xué)，作者運用了舉例和比較交錯運用，以及分析與綜合的說明方法，具體，生動的生活實例加上本文準(zhǔn)確、嚴(yán)密、簡明的語言把深奧難懂的科學(xué)道理表達(dá)得深入淺出、通俗易懂。魚兒在水中有自由來去的本領(lǐng)，人們就模仿魚類的形體造船，以木槳仿鰭。相傳早在大禹時期，我國古代勞動人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動、轉(zhuǎn)彎，他們就在船尾上架置木槳。通過反復(fù)的觀察、模仿和實踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動力，掌握了使船轉(zhuǎn)彎的手段。這樣，即使在波濤滾滾的江河中，人們也能讓船只航行自如。鯊魚皮泳衣菲爾普斯以鯊魚皮為設(shè)計原型的船外殼表面和連體泳衣。鯊魚游得快是因為其皮膚上有一層細(xì)小的脊柱形突起，鯊魚在水中游動的時候，這些突起能夠更有效地使身體周圍的水流走，從而減少阻力，使鯊魚成為海洋中游泳的佼佼者。奧運會的游泳比賽中，天才泳星菲爾普斯和他的隊友穿著黑色連體緊身“鯊魚皮”泳裝，奪得一枚又一枚獎牌，“鯊魚皮”泳裝的高科技威力由此受到越來越多人們的青睞。鳥兒是人類的朋友、春天的使者，也是大自然的建筑大使?？p葉鶯會縫葉成巢，營冢鳥能造出恒溫的巢，燕子會用泥丸壘成巢，骨頂鳥會造浮巢……最精美的鳥巢就數(shù)織布鳥編織的瓶狀巢了，它撕取長條的樹狀纖維，像織布工人那樣用嘴和腳靈巧地穿針引線，并適時地打結(jié)而成堅固的編巢，如果在編巢時遇到大風(fēng)，織布鳥還會銜一些泥團(tuán)來“鎮(zhèn)風(fēng)”呢！

鳥巢的藝術(shù)讓建筑師們浮想聯(lián)翩，他們思考著如何借鑒大自然給的建筑靈感，現(xiàn)在，這種設(shè)想已經(jīng)有些成果了。2008年北京奧運會的標(biāo)志性建筑——國家體育場就是一個