仿生学课程结业报告

（课程结业报告）

姓名：王春城

班级：计科123

学号：20121111098仿生学及应用

仿生学目录：仿生学的概念仿生学研究的特点仿生学的诞生仿生学的发展历程仿生学的研究方向应用实例：生物硅化材料电鳗和伏特电池苍蝇与宇宙飞船蝴蝶和微星控温系统水母的顺风耳蛇的红外探测夜蛾的反雷达技术人工嗅觉生物与建筑生物膜的选择吸收仿生学的概念

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。

仿生学研究的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。防生学的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”。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。

仿生学的发展历程仿生学的研究范围主要包括：力学仿生分子仿生能量仿生信息与控制仿生等仿生学的研究方向力学仿生

力学仿生学是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速。分子仿生

分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。

能量仿生

能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。

信息与控制仿生

信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。

仿生学应用实例1、生物硅化材料生物体通过生物矿化过程合成二氧化硅的过程被成为生物硅化作用(Biosilicification)。其中海绵与硅藻是海洋中主要的生物硅化者。其中超过90%的海绵能够通过生物硅化作用构建起硅质骨骼。这种生物矿化二氧化硅主要存在于各种单细胞藻类(60000~100000种硅藻)、细菌、海绵(约6000种)、原生动物如稀孔虫目(Phaeodaria)、领鞭毛虫(Choanoflagellates)、硅鞭毛虫(Silicoflagellates))和高等植物体内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。21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。2、电鳗和伏特电池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”。

3、苍蝇与宇宙飞船苍蝇是声名狼藉的“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。

仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能，仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理，还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。4、蝴蝶和卫星控温系统遨游太空的人造卫星，当受到阳光强烈辐射时，卫星温度会高达200摄氏度；而在阴影区域，卫星温度会下降至零下200摄氏度左右，这很容易烤坏或冻坏卫星上的精密仪器仪表，它一度曾使航天科学家伤透了脑筋。后来，人们从蝴蝶身上受到启迪。原来，蝴蝶身体表面生长着一层细小的鳞片，这些鳞片有调节体温的作用。每当气温上升、阳光直射时，鳞片自动张开，以减少阳光的辐射角度，从而减少对阳光热能的吸收；当外界气温下降时，鳞片自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把体温控制在正常范围之内。科学家经过研究，为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。

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5、水母的顺风耳

水母在风暴来临之前，就会成群结队地游向大海，就预示风暴既将来临。在蓝色的海洋上，由空气和波浪摩擦而产生的次声波，这种次声波频率为每秒8至13次，这就是风暴来临之前的预告。这种次声波，人耳是听不到的，小小的水母却很敏感，对它来说，听见这种次声波却是易如反掌的事情。为什么水母能听见次声波，预测暴风呢？仿生学家经过研究发现，水母的耳朵的共振腔里长着一个细柄，柄上有个小球，球内有块小小的听石，当风暴前的次声波冲击水母耳中的听石时，听石就剌激球壁上的神经感受器，于是水母就听到了正在来临的风暴的声。仿生学家仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次声波的器官。把这种仪器安装在舰船的前甲板上，当接受到风暴的次声波时，可令旋转360°的喇叭自行停止旋转,它所指的方向，就是风暴前进的方向；指示器上的读数即可告知风暴的强度。这种预测仪能提前15小时对风暴作出预报，所以说水母对航海和渔业工作者的安全都有重要意义。蛇田鼠热血动物身体向外散热蛇通过感受器探测到热源6、蛇的红外探测颊窝de位置颊窝（Jiawo）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。7、夜蛾的反雷达技术反雷达技术使夜蛾死里逃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8、人工嗅觉----嗅敏检测仪，俗称“电子鼻”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：一类以SnO2（氧化锡）为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料。艺术珍品———澳大利亚悉尼歌剧院9、生物与建筑

薄壳结构：薄而耐压，省材而强度大，同时外观美丽东京中银舱体楼生物与建筑

舱体结构:模仿植物叶片空间配置,利于采光。生物与建筑

圆顶屋：外形美观，光线明亮，空气流通，结构完整，节省材料。美国佛罗里达的[未来世界]博物馆10、生物膜的选择吸收

----细胞膜的结构特点(S.JonSinger和GarthNicolson提出液态镶嵌模型，Singer-Nicolsonfluidmosaicmembranemodel)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。

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。课程学习体会心得体会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。心得体会

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