仿生学课程结业报告

1、 仿生学与技术创新 课程结业报告 姓名：陈某某班级：土木工程138班学号：2013011128*结业报告仿生学结业报告仿生学仿生学及其应用 目 录1仿生学的概念和学科特征3仿生学的研究方向和内容4仿生学的研究方法、步骤2仿生学的诞生和发展历程510个仿生学应用实例1 概念：仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理， 并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常 可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界

2、索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。 仿生学的概念和学科特征仿生学是什么？Part 1Part 2 学科特点： 仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合性学科，这些相关性的基础学科，正如前面所述，包括生理学、神经生理学、心理学、生物物理学、电子学、物理学、化学、数学，以及通讯、计算技术、建筑工程、航空、航海工程及系统科学等。2仿生学的诞生和发展历程Part 1 诞生：从二十世纪五十年代以来人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和和创造发明的源泉。（萌芽）作为一门独立的学科仿生学诞生于1960年9月。“仿生学”是由美国科学家

3、J.E斯蒂尔在美国召开的第一次生物学会议上命名，取名为“Bionics，希腊文，意思是代表着“研究生命系统功能的科学”。1963年我国“Bionics译为“仿生学”。（由来、诞生）仿生学起源- 汉字中的仿生学Part 2 发展历程：在20世纪90年代初,各国都在为发展仿生学这门交叉学科的基础研究作了精心长期的计划准备。美国有一项优先发展先进制造、先进材料以及先进军事装备研究 等领域的长期计划,德国的研究与技术部已就“21世纪的技术”为题在适应电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感器等领域投入了相当 大的财力和人力。英国政府也早在1993年5月就发表了科学大臣沃尔德格雷夫主持

4、撰写的科技白皮书,题为运用我们的潜力科学、工程和技术战略。日 本、俄罗斯以及韩国等国都有相应的中长期计划,在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。这是一场在仿生科学技术研究领域 内展开源头研究的全球性竞争,以便在21世纪的世界市场上占有主动地位 3仿生学的研究方向和内容研究方向 Contents信息仿生控制仿生拟态仿生力学仿生化学仿生. . . . . . . . . . . 123456703040506071316Page研究内容Part 1信息仿生研究的是生物机构与外界环境、生物个体之间、生物体内各部分间的信息接收、存储、处理与利用的机理，以及将其移植于技术

5、系统之中的方法，并最终制成类似于生物系统的计算系统和信息接收处理系统。青蛙与电子蛙眼 水母与电子耳电子鸽眼、电子鼻、电子耳等Part 2控制仿生研究生物机体控制系统的结构与功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新型的自动控制系统。当前研究较多的是体内稳态、反馈调节、肢体运动控制、动物的定向与导航、生态系统的涨落和人机合作。.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Part 3拟态仿生生物界中普遍存在着拟态，将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生Part 4力学仿生研究和模拟的是生物机体外部形态和内部结构的力学原理研究最多的是植物的茎、叶以及动物体形、肌肉、骨骼的结构力学原理和动

6、物的飞行、游泳、血液循环系统的流体力学原理模拟形式：形体模仿、结构模仿常见种类生物与造船生物与飞机生物与建筑Part 5化学仿生研究和模拟的是生物体中的各类化学反应，包括酶学原理、选择性生物膜和生物结构的能量转换、生物发光、生物发电等。人工嗅觉仿生物膜 仿仿生学的主要研究方法就是提出模型，进行模拟。其研究程序大致有以下三个阶段： 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；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

7、的数学模型；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。当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生，更重要的是在仿生中有创新。经过实践认识再实践的多次重复，才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果，使最终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力。例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力，电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。4仿生学的研究方法、步骤5仿生学应用实例 为了弄清楚为什么青蛙一定要等飞蛾起飞才发动攻击，仿生学家对青蛙进行了特殊的实验研究。原来，蛙眼视网膜的神经细胞分成五类，一类只对颜色起反应，另外四类只对运动目标的某

8、个特征起反应，并能把分解出的特征信号输送到大脑视觉中枢视顶盖。视顶盖上有四层神经细胞，第一层对运动目标的反差起反应；第二层能把目标的凸边抽取出来；第三层只看见目标的四周边缘；第四层则只管目标暗前缘的明暗变化。这四层特征就好像在四张透明纸上的画图，迭在一起，就是一个完整的图像。因此，在迅速飞动的各种形状的小动物里，青蛙可立即识别出它最喜欢吃的苍蝇和飞蛾，而对其他飞动着的东西和静止不动景物都毫青蛙与电子眼例 1神经节细胞有4种： “边缘侦察器”：感受外围物体的边缘“昆虫侦察器”：感受移动的昆虫“事件侦察器”：感受亮度的变化“光强减弱感受器”：感受光线减弱时阴影的暗色部分 “电子蛙眼”：人造卫星跟踪

9、系统、雷达系统、信息处理系统等神经节细胞有4种：“边缘侦察器”“昆虫侦察器”、“事件侦察器”、“光强减弱感受器” 文由透镜（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）而送往大脑中枢视觉系统例 2蛇的红外探测 蛇 热血动物身体向外散热 为蛇通过显示器探测到热源 田鼠 狗的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例 3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

10、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例 4蛋白分子磷脂分子镶嵌蛋白跨膜蛋白(形成通道)跨膜蛋白仿生物膜细胞膜的结构特点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)具有动态特点仿生物膜例 5侧向运动时，蛇身体只有几个点接触地面，为了减少与高温沙漠接触，沙漠蛇多半采用这种运动形式在狭窄的空间内，蛇无法摆动，只能采用直线和伸缩的方式向前运动大多时候，蛇采用蜿蜒运动的方式前进，这是它效率最高的运动方式蛇形机器人，而且这种蛇形机器人能够适应外星球，比如月球、火星等等这种未知的环境来做一些探察工作蛇型机器人根据蝙蝠的回声探测器制成供盲人使用的“探路仪”和“盲人

11、眼镜”蝙蝠与超声波飞行中的蝙蝠超声波声音反射波蛾例 6例 7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夜蛾胸腹之间有一对鼓膜器，可以从很强的背景噪声中分辨出蝙蝠发出的超声波，其身上厚密的绒毛还能吸收蝙蝠发射的探测超声波，从而在天敌面前处于“隐身”状态。科学家通过把夜蛾身上绒毛状的材料用于飞机、舰船等装备，大大减少了目标被雷达、红外线和超声波发现的概率。例 8骨针具有优异的光学性能和机械性能 在海绵生物硅化过程中, 一类被称为硅蛋白(Silicatein)的蛋白质表现出了特殊的催化活性, 也因此得到了生物学家、化学家和材料学家的关注。 2

12、1 世纪初，美国贝尔实验室则更系统地研究了六放海绵纲拂子偕科偕老同穴属一种Euplectellaaspergillum 的骨针的光学性能及其结构之间的关系。发现其光导性能非常类似于商业光纤的性能，可有效的连接光纤网络。生物硅化材料例 9人造电器官经过对电鱼的解剖研究， 终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的。电电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的发电器形似扁平的肾脏，排列在身体中线两侧，共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体，位于皮肤与肌肉之间,约有500万块电板。单个电板产生的电压很微弱，但由于电板很多，产生的电

13、压就很大了。电鱼这种非凡的本领，引起了人们极大的兴趣。19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏特电池。因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。例 10苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。原来，苍蝇的“鼻子”嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。 苍蝇和宇宙飞船

14、课程学习体会 本学期的学科专题中，我们有幸了解了仿生学的专业内容。经过一学期的学习，我们不仅对仿生学专业的研究内容有了进一步的了解，更对未来深入学习研究的方向有了一定的认识与计划。而我，则对仿生学产生了浓厚的兴趣。仿生，简单地讲就是用人造装置对有生命的物质进行模拟。仿生技术研究的内容非常广泛，大致有力学仿生、分子仿生、能量仿生以及信息与控制仿生这五个方面。 科学家们根据昆虫复眼的结构特点研制出了多孔径光学系统装置，更易于搜索到目标，这已在国外一些重要武器系统中得到应用。仿生学在军事方面给了人类许多的启发，让人类的武器无论是活动能力还是攻击准确性都得到了极大的提高，而攻击准确性的提高使战争有效地避免了许多无辜人员的伤亡，这也从一定程度上对世界人民的利益作出了维护。也许，依靠昆虫仿生学，人类真的可以实现战争的无硝烟化。 更神奇的是，科学家们受蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变换角度而调节体温的启发，将人造卫星的控温系统制成了叶片正反两面辐射、散热能力相差很大的百叶窗样式，在每扇窗的转动位置安装有对温度敏感的金属丝，随温度变化可调节窗的开合，从而保持了人造卫星内部温度的恒定，解决了航天事业中的一大难题。昆虫仿生学又从航天事业方