奇异的仿生学-复习

奇异的仿生学Biomimicry海洋科学与工程学院常雪婷副教授[e-mail]通识教育选修示范课程19:24:51通识教育选修示范课程学习内容1.仿生学概论2.仿生机器人3.能量、动力与电子仿生4.仿生化学5.仿生纺织品6.生物医用材料通识教育选修示范课程1.仿生学概论仿生学的研究方法仿生的方式1.首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题，将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容，取消与生产技术要求无关的因素，得到一个生物模型；2.第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析，并使其内在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；3.最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型。信息仿生控制仿生拟态仿生力学仿生化学仿生整体仿生通识教育选修示范课程1.青蛙与电子蛙眼2.水母与电子耳信息仿生.蛇的红外探测.蝙蝠与雷达.蛾的反雷达技术.动物的天然导航控制仿生1.保护色2.形态拟态仿生通识教育选修示范课程1.生物与造船2.生物与飞机3.生物与建筑力学仿生1.人工嗅觉2.仿生物材料化学仿生1.自动化机器2.智能计算机3.生物计算机整体仿生通识教育选修示范课程整体仿生通识教育选修示范课程1.自动化机器通识教育选修示范课程2.智能计算机自然语言\语音\图形\图像信息知识库管理软件求解问题推理软件智能接口软件内核软件（智能操作系统、编译系统等）并行处理体系结构知识库硬件推理机硬件智能接口硬件人机接口软件硬件通识教育选修示范课程3.生物计算机生物计算机的特点•能制成超高密度的线路；•能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥，即使芯片中出了故障本身也能修复，从而使它成为一种具有永久性的不出故障元件；•只要用少量的能量就能工作，不存在发热问题。通识教育选修示范课程19:24:512.1仿生机械学及研究动向2.2生物形态与仿生结构2.3机器人技术2.4仿生机器人实例分析通识教育选修示范课程仿生机械学的研究动向121．生物材料力学和机械力学2．生物流体力学3．生物运动学4．生物运动能量学5．康复工程学6．机器人工程学2.1仿生机械学及研究动向通识教育选修示范课程2.2仿生机械与生物特点1.工程结构2.种族延续3.进化4.结构材料5.运动条件6.能量消耗7.极限借鉴通识教育选修示范课程2.3机器人技术1.定义2.分类3.特点4.机器人组成5.机器人的发展模仿自然界中生物的外形、运动原理或行为方式的系统，能从事生物特点工作的机器人。仿人，包括仿人的机械臂和仿人步行。仿生物，生物机器人。多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人，机构复杂。其驱动方式不同于常规的关节型机器人，通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动。通识教育选修示范课程15机器人最基本的三大硬件1机器人的大脑:微控制器，微处理器，处理器或者计算器等。速度存储容量端口编程语言能耗2传感器：机器人和现实世界之间的纽带。光学传感器：光敏电阻、摄像头、红外传感器，红外探测器力传感器：微动开关、压敏传感器声传感器：microphone，超声波传感器位置和姿态传感器：光电编码器、陀螺仪、GPS3驱动器：驱动器就是驱动机器人的动的部件。电机液压气动•4.机器人的组成通识教育选修示范课程16机器人的软件，是人工智能研究的主要实际目标，其最根本问题有：(1)问题求解(对策)。指机器人能按人事先给定的条件和目标，通过定理证明和启发按索的方法，制定计划，求解问题。(2)环境了解。指机器人能通过各种信息传感器对周围环境进行调查，掌握外界情况，并建立环境模型。(3)知识表达。这是人工智能的一个关键问题。指机器能记忆工作环境的状态和规律，以及自己的经验等知识，并能自由地运用。(4)自然语言处理。指机器人能理解和接受人发出命令的语言系统，并可用这种语言进行对话。(5)动作控制。指机器人能按人所给予的任务要求；对机械手、足进行运动控制。通识教育选修示范课程17第一代机器人，是使用存储器、程序控制的自动机，也即从60年代初期问世、目前能够在工业部门使用的重复型机器人，常称为工业机器人。它的动作包括示教、存储、再现和操作四个步序。2.4仿生机器人实例分析通识教育选修示范课程18第二代机器人，是指具有某些感觉功能的机器人，属于一种过渡性类型。第三代机器人，是具有感觉识别又有某些思维功能，并有这些功能控制动作的智能机器人——具有与人类相类似智能的自动机械。它的发展主要开始于70年代。已成为开拓高级自动化的课题，并着手应用到生产实际中。2.4仿生机器人实例分析通识教育选修示范课程1.水下机器人美国东北大学机器七鳃鳗北京航空航天大学机器银龙鱼鳗鲡式的推进效率与波的传播速度有关,波的传播速度越快,推进效率就越高。通识教育选修示范课程1.水下机器人通识教育选修示范课程2.空中机器人通识教育选修示范课程3.地面机器人通识教育选修示范课程3.地面机器人东京消防厅SatoshiTadokoro（田所悟志）通识教育选修示范课程最成功的四足机器人——BigDog通识教育选修示范课程19:24:513.地面机器人通识教育选修示范课程4.仿人机器人•仿人肢体型•仿人双足型通识教育选修示范课程2000年前后，日本SONY、丰田、本田、富士通等公司开发并展示了一系列类人型机器人产品，具备了较高的水平。通识教育选修示范课程28根据对功能障碍代偿的目的不同，可把代偿器械分为两大类：一类是直接安装于人体上进行代偿失去功能的器械，如各种假肢、辅助装具等，另一类是装设于人体外、且构成独立系统的、起间接代偿功能的器械，如各种环境控制装置、医疗机械手、机器人、移动机械等。目前，可实际有效地利用的残存机能大致有下列三种：(1)人体的机械运动位移。(2)人体的肌肉表面动作电位。(3)呼气压力、声音信号等。康复工程与假肢技术通识教育选修示范课程亟待解决的难题•体积重量过大•平台承载能力不强•视觉研究不成熟•步行敏捷性不强•控制方法控制算法需要改进•供能续航问题通识教育选修示范课程第三章能量、动力与电子仿生19:24:513.1生物电电池3.2人造肌肉发动机3.3现代仿生电子科学通识教育选修示范课程3.1.1生物电生物电是生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位和极性变化。它是生命活动过程中的一类物理、物理-化学变化，是正常生理活动的表现，也是生物活组织的一个基本特征。通识教育选修示范课程3.1.1生物电脑电波δ（1－4Hz）、θ（5－8Hz）、α（9－13Hz）、β（14－30Hz）、γ（大于30Hz）δ波（1～4HZ）δ波为优势波时，为深度睡眠、无意识状态。人的睡眠品质好坏与δ波有非常直接的关系。δ波睡眠是一种无梦很深沉的睡眠状态，如果在辗转难眠时自己召唤出近似δ波状态，就能很快的摆脱失眠进入深沉睡眠。睡美容觉追求的就是这种时间短但深沉的睡眠。此外，根据科学研究，δ波亦是开发人类直觉雷达系统，以及超能神秘力量的关键。θ波（5～8HZ）θ波为优势波时，人的意识处于半醒半睡的入梦状态，身体深沉放松，对于外界的信息呈现高度的受暗示状态，即被催眠状态。θ波对于触发深沉记忆、增加灵感、提高创造力、强化长期记忆等帮助极大，所以θ波被称为“通往记忆与学习的闸门”。通识教育选修示范课程3.1.1生物电脑电波δ（1－4Hz）、θ（5－8Hz）、α（9－13Hz）、β（14－30Hz）、γ（大于30Hz）α波（9～13HZ）α波为优势波时，人的意识清醒，但身体却是放松的，它提供意识与潜意识的桥梁。在这种状态下，身心能量耗费最少，相对的脑部获得的能量较高，运作就会更加快速、顺畅、灵感及直觉敏锐。β波（14Hz以上）人清醒時大部份时间处于β波为优势波的状态。随着β波的增加，身体逐渐呈紧张状态，因而削减了体内免疫系统能力，此时人的能量消耗加剧，容易疲倦，若不充分休息，容易堆积压力。适当的β波对注意力提升以及认知行为的发展有积极作用。通识教育选修示范课程3.1.1生物电心电通常只安放4个肢体导联电极和V1～V66个胸前导联电极，记录常规12导联心电图。阳离子涌入除极阳离子涌出复极通识教育选修示范课程3.1.1生物电植物的局部电反应植物的应激性很缓慢并往往局限于受到刺激的区域。它的反应强度，决定于刺激的强度，在刺激作用点上产生负电位变化。例如，植物组织受到曲、折（机械刺激），可引起几十毫伏的负电位反应。植物光合作用中出现的电变化，是一种由代谢变化引起的电反应。植物进行光合作用的强度取决于叶绿素的含量。因此，如果不同部位的光照强度或叶绿素含量不同，将使不同部位的代谢强度出现差异，而且在不同部位之间出现电位差。例如，在太阳草的叶片上，一部分给予光照，另一部分不给光照，则几分钟之内，两部分之间可产生50～100毫伏的电位差。在一定范围内，电位差的大小，与光照强度成正比。通识教育选修示范课程3.1.2生物电原理通识教育选修示范课程3.1.3生物电池生物电池（bio-fuelcells），是指将生物质能直接转化为电能的装置（生物质蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光合细菌通过光合作用转化而来的）。从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。通识教育选修示范课程3.1.3生物电池按场所的不同1、单步反应型生物电池，指利用生物体内的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。2、多步反应型生物电池，指生物体外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。3、细胞型生物电池，指生物体细胞外的氧化还原物质发生氧化还原反应制成的生物电池。它们的主要差别是反映场所不同。分别是“于生物体内”，“于生物体外”以及“与生物体细胞外”。通识教育选修示范课程3.1.3生物电池1、微生物电池微生物电池由阳极室和阴极室组成。有一个质子交换膜将两极室分开。基本反应类型分为四步：1)在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子。2)介体捕获电子并将其运送至阳极。3)电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室。4)氧气在阴极接收电子，发生氧化还原反应通识教育选修示范课程3.1.3生物电池2、酶电池酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。反应原理如下：葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电子由介体运送至阳极，在经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在做过的氧化酶的作用下还原成水。阳极反应：葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e-阴极反应：2O2+2H++2e-→2H2O普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型通识教育选修示范课程我们知道，世界上的能量是守恒的。如果把植物光合作用的能量用于发电，必然会影响植物的生长。因此，在未来将主要用杂草和树木来发电，不会用粮食作物、蔬菜和果树来发电。和传统的太阳能发电一样，“生物光伏”发电也面临着储能的问题。也就是说，有阳光照射的时候，电能会源源不断地产生并需要及时消耗，而在夜晚没有阳光的时候则不会产生电能，需要用一些储电设备来解决这个问题。3.1.3生物电池通识教育选修示范课程3.1.4生物电池优势与传统的化学电池相比，生物电池具有操作上和功能上的优势。1、它将底物直接转化为电能，保证了具有高的能量转化效率。2、不同于现有的生物能处理，生物燃料电池能在常温常压甚至是低温的环境条件下都能够有效运作，电池维护成本低，安全性强。3、生物燃料电池不需要进行废气处理，因为它所产生的废气的主要组分是二氧化碳。4、生物燃料电池具有生物相容性，利用人体内的葡萄糖和氧为原料的生物燃料电池可以直接植入人体。5、在缺乏电力基础设施的局部地区，生物燃料电池具有广泛应用的潜力。通识教育选修示范课程3.1.5生物电池应用1.燃料结构使用生物燃料电池，1L糖类物质（葡萄糖等）的浓溶液氧化产生的电能可提供一辆中型汽车行驶25-30Km，如果汽车的油箱为50L的话，装满后可连续行驶1000Km而不需要再补充能源。