仿生学

——开启新技术的钥匙前言信息仿生控制仿生拟态仿生力学仿生化学仿生整体仿生目录前言.仿生学的简介.仿生学的研究前言自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领？它们的种种本领，给了人类哪些启发？模仿这些本领，人类又可以造出什么样的机器？这里要介绍的一门新兴科学——仿生学(Bionics)中国古汉文中的仿生思想前言一、仿生学简介仿生学之起源前言凤蓬草轮子鱼尾船橹人眼晶状体透镜生物电电池鸟飞机茅草缺口锯子生活中的仿生学仿生学(Bionics)模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学前言仿生学的概念前言二.仿生学研究仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合性学科，包括生理学、神经学、医学、化学、数学、电子学、信息学等学科。仿生学的相关领域前言生物体生物模型数学模型技术模型技术装置仿生学的研究方法数学生物电烙铁前言仿生学符号.青蛙与电子蛙眼.水母与电子耳信息仿生信息仿生青蛙与电子蛙眼神经节细胞有4种：“边缘侦察器”“昆虫侦察器”“事件侦察器”“光强减弱感受器”青蛙的视觉系统信息仿生青蛙与电子蛙眼由透镜（晶状体）在视网膜上形成光学图像后，经过视细胞、双极细胞、输出细胞（神经节细胞）而送往大脑中枢青蛙的视觉系统信息仿生象鼻虫的眼睛：目标从复眼的一点到另一点所需要的时间，计算出飞行速度------交警测速仪苍蝇的复眼：由3000多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路。“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多。信息仿生“水母耳”风暴预测仪水母耳与电子耳水母耳能感受风暴产生时空气和波浪摩擦而产生的次声波.蛇的红外探测.蝙蝠与超声波.蛾的反雷达技术.动物的天然导航控制仿生控制仿生蛇田鼠热血动物身体向外散热蛇通过感受器探测到热源蛇的红外探测控制仿生颊窝颊窝是一个红外感受器，对周围温度变化极为敏感，能感受0.001℃的温度变化。这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的位置蛇的红外探测控制仿生飞行中的蝙蝠超声波声音反射波蛾蝙蝠的捕食蝙蝠与超声波控制仿生蝙蝠的回声定位超声信号被反射蝙蝠与超声波脑控制仿生蝙蝠与超声波蝙蝠的声纳处理参考波刺激接受器载有信息的超声波发出的超声波控制仿生声纳系统--回声定位法国科学家郎之万（1872～1946）研究用一个超声波发生器，向水中发出超声波，如果遇到目标便反射回来，由接收器收到。根据接收回波的时间间隔和方位，便可测出目标的方位和距离，这就是所谓的声纳系统。控制仿生夜蛾的反雷达技术反雷达技术使夜蛾死里逃生动画控制仿生夜蛾的反雷达技术鼓膜器鼓膜器振动器胸神经节神经纤维气囊听觉细胞感受器鼓膜角质皱折非听觉细胞听觉系统控制仿生千里迁徙万里洄游动物的天然导航控制仿生动物的天然导航一些动物利用日月星辰导航，也有些动物利用海流、海水成分、地磁场、重力场等进行导航，为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪控制仿生动物的天然导航太阳原始的位置2（1/2）小时后的太阳位置2（1/2）小时后蚂蚁的路线蚂蚁在暗盒子中呆了2（1/2）小时蚂蚁原始的路线蚂蚁把太阳当作指南针定义生物界中普遍存在着拟态，现将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生拟态仿生拟态仿生模仿者被模仿者受骗者拟态系统常见于直翅目、螳螂目、同翅目、半翅目、鞘翅目、鳞翅目、双翅目等大多是对受骗者而言是不可食、不好食或有毒的动、植物或环境中的其它物体受骗者多为拟态者的天敌，尤以鸟类为主警戒色拟态仿生拟态仿生动物的拟态与保护色拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装三色迷彩的德国“豹”I坦克在电视成像下的效果拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装.生物与造船.生物与飞机.生物与建筑力学仿生化学仿生莲花效应自洁净油漆、涂料波恩大学的植物学家WilliamBarthlott在70年代发现植物的自清洁效应-“莲花效应（Lotuseffect）”。1989年他研究了1万多种植物的表面结构，发现水在有小的茸毛和小的蜡质覆盖在叶子上形成一个个的球体，这些滚动的水珠带走叶子表面的灰尘，从而洁净了叶子表面。力学仿生生物与造船模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的“复仇号”帆船体形的模仿力学仿生生物与造船体形的模仿力学仿生生物与造船体形的模仿俄罗斯海军新型核潜艇力学仿生生物与造船模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍结构的模仿力学仿生生物与造船结构的模仿相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。力学仿生生物与造船结构的模仿模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液，以减小湍流力学仿生生物与造船结构的模仿潜水艇在航行时会造成巨大的湍流海豚游泳时身边的水流很小力学仿生鹰击长空啸傲云天生物与飞机力学仿生生物与飞机飞鸟与飞机据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造世界上第一架人造飞行器。力学仿生生物与飞机达芬奇设计的扑翼飞机飞鸟与飞机力学仿生生物与飞机飞鸟与飞机飞鸟的体形和翅膀在滑进飞行时与飞机的飞行极为相似力学仿生生物与飞机现代先进的飞机能够模仿昆虫在空中作各种花样演习昆虫与飞机力学仿生生物与飞机昆虫与飞机昆虫翅膀的运动昆虫飞行时翅膀的运动很复杂，其角度的变化控制比目前的飞行自动驾驶仪还好力学仿生生物与飞机昆虫与飞机飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤力学仿生生物与飞机昆虫与飞机苍蝇，是细菌的传播者，谁都讨厌它。可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶力学仿生薄壳结构艺术珍品—澳大利亚悉尼歌剧院生物与建筑力学仿生生物与建筑榴莲博物馆力学仿生生物与建筑圆顶屋美国佛罗里达的未来世界博物馆.人工嗅觉.仿生物膜化学仿生化学仿生狗的嗅觉过程狗的嗅觉狗的鼻子里的雾受一种蛋白质的控制，将气味分子浓缩后传送给鼻子里的气味感受器上的气味辨别蛋白，当气味辨别蛋白将不同的气味辨别后，被辨别出的特定的气味信号，立即被嗅觉细胞传递给大脑，大脑便知道了所闻到的是一种什么气味。人工嗅觉化学仿生气味受体和嗅觉系统组织(2004年诺贝尔奖)化学仿生人工嗅觉嗅敏检测仪采集系统嗅敏元件放大系统报警系统报警系统电源嗅敏电阻是一类以SnO2为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料化学仿生细胞膜的结构特点仿生物膜蛋白分子磷脂分子镶嵌蛋白跨膜蛋白(形成通道)跨膜蛋白细胞膜的流动镶嵌模型：(1)脂双层形成框架；(2)蛋白质镶嵌其中；(3)具有动态特点化学仿生仿生物膜人工膜人工膜的特点化学组成和厚度与天然膜相似：能有效地分开两种不同的水相；具有结构和化学两侧不对称性，易于操作，能用来研究膜的向量功能（如传递等）化学仿生仿生物膜人工膜现在发明了一种人工生物膜，它可以把氧从二氧化碳中分离出来。老鼠装在用这种膜封闭起来的笼子里沉入水中，居然能照常生活。原来，通过这种膜，水中的氧气可以进入笼中，老鼠呼出的二氧化碳，又可以通过这种膜排进水里。氧气可进不可出，而二氧化碳则是可出不可进。化学仿生气步甲，肚子里有一个能进行化学反应的反应室。室一端通向肛门，两个腺体，一个生产对苯二酚，另一个生产过氧化氢。平时这两种化学物质分别贮存，不会相互接触。一旦遇到敌害，气步甲便猛地收缩肌肉，把这两种物质压入前面的反应室。在反应室里，在过氧化物酶的作用下，对苯二酚被氧化成醌，反应放出大量的热，在气体压力下喷射出来的，就发生了爆炸声并形成一团烟雾，从而吓退前来威胁的各种敌人。化学仿生火箭里的液态氢和液态氧也是分别存放的，它们有管道通向反应室，火箭点燃后，将液氧、液氢压于反应室，氢和氧发生剧烈的化学反应，生成水和大量的热。水在这种高温下变成水蒸汽猛烈从尾喷管喷出去，产生强大的反作用力，推动火箭前进机器人检修宇宙飞船整体仿生整体仿生自动化机器自动化机器人从月球土壤中提取气体智能机器人整体仿生智能机器人自然语言\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智能计算机组成人机接口软件硬件整体仿生智能机器人生物计算机耗能低阻抗小存储量极大自我组织自我修复优点速度快整体仿生1994年Adleman教授利用DNA分子作为计算载体通过实验实现了分子计算的构想，他求解了理论计算机界备受关注的一个NP完全问题—汉密尔顿路径问题。DNA计算机一般而言，1毫克DNA的存储功能大约相当于1万片的光碟片，更为不可思议的是，DNA还具有在同一时间处理数兆个运算指令的能力。整体仿生蛋白质计算机-基于BR的光子开关整体仿生信息存储和处理bR的光循环中有从紫色到黄色，又瞬间变回紫色的色变过程。控制每个状态停留和改变的时间，就可以将bR看作计算机中的0-1逻辑门。在液氮温度下，bR在两个态（基态和K态）之间的轮换是相当有效和非常快速的。但低温限制了普遍地应用。突变体可以实现室温下的光学信息存储。MetroLaser(IrvineCalif.)公司开发了一种基于bR突变体的设备，可以在一张大小为3.5英寸的盘中存储十万亿个字节(gigabytes)。整体仿生生物计算机的特点•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，不存在发热问题整体仿生生物计算机的一些进展2003年02月以色列科学家研制出一“台”速度达每秒330万亿次运算的生物计算机。2006年10月，来自美国哥伦比亚大学和新墨西哥州立大学的研究人员宣布，他们已经共同研发出了基于DNA的中等大小的集成分子电路。整体仿生生物计算机的一些进展2008年10月，科学家最新研制的生物计算机能够在活酵母细胞中进行计算处理。美国加州理工学院已研制出一种RNA计算机。2013年3月美国斯坦福大学的生物工程团队设计出一种基因器件，可在个体活细胞中像晶体管一样起作用，从而将计算从机械和电子带入到生物学活细胞领域。前言信息仿生控制仿生拟态仿生力学仿生化学仿生整体仿生本章小结你们永远的朋友-吴敏[e-mail]13616510066(560066)