生物仿生学.ppt

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1、源于生命的灵感仿生学生物0803梁冲一、仿生学简介一、仿生学简介仿生学仿生学(Bionics)凤蓬草凤蓬草 轮子轮子 鱼尾鱼尾 船橹船橹 人眼晶状体人眼晶状体 透镜透镜 生物电生物电 电池电池 鸟鸟 飞机飞机生活中的仿生学生活中的仿生学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有生物系统特征或类似特征的科学二二.仿生设计仿生设计 仿生学仿生学是在生物科学与技术科学之间发展起来是在生物科学与技术科学之间发展起来的，模仿生物系统的原理来建造技术系统的一门新的，模仿生物系统的原理来建造技术系统的一门新兴边

2、缘学科。仿生学恰似兴边缘学科。仿生学恰似“桥梁桥梁”和和“纽带纽带”，连，连接着生物科学与技术科学。接着生物科学与技术科学。仿生设计仿生设计则是在仿生学的基础上发展起来的。则是在仿生学的基础上发展起来的。它以仿生学为基础，通过研究自然界生物系统的优它以仿生学为基础，通过研究自然界生物系统的优异功能、形态、结构、色彩等特征，并有选择性的异功能、形态、结构、色彩等特征，并有选择性的在设计过程中应用这些原理和特征进行设计。在设计过程中应用这些原理和特征进行设计。仿生造型设计结构适应于功能是动物中的普遍现象不同的动物，其形态结构特征可以有相当大的差别。动物为适应自然的选择，产生了各种各样的形态特征。仿

3、生学植物鱼类鸟类哺乳动物动物体的结构对功能的适应性信息仿生 控制仿生 拟态仿生 力学仿生 化学仿生 整体仿生仿生材料三 仿生学在工程技术中的应用研究的是生物机构与外界环境、生物个体之间、生物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体内各部分间的信息接收、存储、处理与利用的机理信息接收、存储、处理与利用的机理，以及将其移植于技术系统之中的以及将其移植于技术系统之中的方法方法，并最终制成类，并最终制成类似于生物系统的似于生物系统的计算系统和信息接收处理系统计算系统和信息接收处理系统。青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼 水母与电子耳水母与电子耳电子鸽眼、电子鼻、电子耳等电子鸽眼、电子鼻

4、、电子耳等信息仿生信息仿生信息仿生青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼由透镜（晶状体）由透镜（晶状体）在视网膜上形成光在视网膜上形成光学图像后，经过视学图像后，经过视细胞、双极细胞、细胞、双极细胞、输出细胞（神经节输出细胞（神经节细胞）而送往大脑细胞）而送往大脑中枢中枢青蛙的视觉系统青蛙的视觉系统信息仿生青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼神经节细胞有神经节细胞有4种：种：1.“边缘侦察器边缘侦察器”：感受外围：感受外围物体的边缘物体的边缘2.“昆虫侦察器昆虫侦察器”：感受移动：感受移动的昆虫的昆虫3.“事件侦察器事件侦察器”：感受亮度：感受亮度的变化的变化4.“光强减弱感受器光强减弱感受器”：感受：感受光线

5、减弱时阴影的暗色部分光线减弱时阴影的暗色部分 “电子蛙眼电子蛙眼”：人造卫星跟踪：人造卫星跟踪系统、雷达系统、信息处理系统、雷达系统、信息处理系统等系统等上图便是大名鼎鼎的电子眼“水母耳水母耳”风暴预测仪风暴预测仪可提前可提前15小时左右预报风暴小时左右预报风暴水母耳与电子耳水母耳与电子耳“耳耳”（细柄上的小球（细柄上的小球)中有小小的听石，上面中有小小的听石，上面布满神经感受器，能听布满神经感受器，能听到风暴产生时发出的次到风暴产生时发出的次声波（由空气和波浪摩声波（由空气和波浪摩擦而产生，频率为擦而产生，频率为8 8赫兹赫兹-13-13赫兹，传播比风暴、赫兹，传播比风暴、波浪的速度快）波浪

6、的速度快）信息仿生仿生学原理介绍水母漂浮在水面上，有的是青蓝色，有的是乳白色，还有的透明无色，看上去很象是一把撑开来的伞。在它的伞缘上，有很多触手，还有一个细柄，上面长有小球，它就是水母的耳朵。在水母耳的内部，有一个极小的听石。你可别小看这个小小的听石，次声波正是震动了小听石，听石再次把次声波的振动传给水母耳壁内的神经感受器，水母才能听到风暴声。于是，水母便游离岸边，去寻找安全之地，使自己免受风浪的袭击。由于次声波的传播速度要比风暴和波浪快的多，所以，水母才能提前收到风暴的“预告”，迅速采取躲避措施。人们受到水母接收次声波的启示，成功地设计出了“水母耳风暴预测仪”。使人们能够提前知道行将到来的

7、风暴，并做好相应的准备。研究生物机体研究生物机体控制系统的结构与功能原理控制系统的结构与功能原理，并用，并用这些原理去改进现有的或建造新型的自动控制系这些原理去改进现有的或建造新型的自动控制系统。统。当前研究较多的是体内稳态、反馈调节、肢体运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、生态系统的涨落和动控制、动物的定向与导航、生态系统的涨落和人机合作。人机合作。.蛇的红外探测蛇的红外探测.蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波.蛾的反雷达技术蛾的反雷达技术.动物的天然导航动物的天然导航控制仿生控制仿生颊窝是一个红外感受器，对周围颊窝是一个红外感受器，对周围温度变化极为敏感，能感受温度

8、变化极为敏感，能感受0.0010.001的温度变化。这类蛇能在的温度变化。这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的位置。夜间准确判断周围恒温动物的位置。研制出现代夜视仪、空对空响尾研制出现代夜视仪、空对空响尾蛇导弹以及仿生红外探测器蛇导弹以及仿生红外探测器蛇的红外探测蛇的红外探测蛇蛇田鼠田鼠热血动物身体热血动物身体 向外散热向外散热蛇通过感受器蛇通过感受器 探测到热源探测到热源控制仿生面目狰狞的响尾蛇根据其仿生原理研制的响尾蛇导弹蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波蝙蝠的声纳信息处理根据蝙蝠的回声探测器制成供盲人根据蝙蝠的回声探测器制成供盲人使用的使用的“探路仪探路仪”和和“盲人眼镜盲人眼镜”控制仿生 蝙蝠

9、夜间，蝙蝠靠超声波探路和捕食。它们发出人类听不见的声波。当这声波遇到物体时，会像回声一样返加来，由此蝙蝠就能辨别出这个物体是移动的还是静止的，以及离它有多远。雷达 ，所起的作用和眼睛相似，它的信息载体是无线电波。其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。夜蛾的反雷达技术夜蛾的反雷达技术 听觉系统听觉系统夜蛾胸腹之间有一对鼓膜器，可以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从很强的背景噪声中

10、分辨出蝙蝠发出的超声波，其身上厚密的绒毛还能吸的超声波，其身上厚密的绒毛还能吸收蝙蝠发射的探测超声波，从而在天收蝙蝠发射的探测超声波，从而在天敌面前处于敌面前处于“隐身隐身”状态。状态。科学家通过把夜蛾身上绒毛状的材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了目标被雷达、红外线和超声波发现的概率。的概率。控制仿生军事上就利用这个原理造出了军事上就利用这个原理造出了隐形战斗机，由于涂有涂层且隐形战斗机，由于涂有涂层且具有隐身设计，所以一般雷达具有隐身设计，所以一般雷达无法发现无法发现。研究和模拟的是生物机体外部形

11、态和内部结研究和模拟的是生物机体外部形态和内部结构的构的力学原理力学原理研究最多的是植物的茎、叶以及动物体形、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物的飞行、肌肉、骨骼的结构力学原理和动物的飞行、游泳、血液循环系统的流体力学原理游泳、血液循环系统的流体力学原理模拟形式：模拟形式：形体模仿、结构模仿形体模仿、结构模仿常见种类常见种类生物与造船生物与造船生物与飞机生物与飞机生物与建筑生物与建筑力学仿生力学仿生生物与造船体形的模仿我海军新型我海军新型094核潜艇核潜艇现代级水滴形军舰人们根据鱼的身体构造设计出水滴形舰艇，大大减少了水的阻力提高了速度。生物与造船生物与造船结

12、构的模仿模仿鱼和鲸体表粘模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工液合成了几种人工粘液，以减小湍流粘液，以减小湍流模仿鲸的胸鳍给模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍船装上了船鳍鹰击长空-啸傲云天生物与飞机飞飞鸟鸟的的体体形形和和翅翅膀膀在在滑滑进进飞飞行行时时与与飞飞机机的的飞飞行行极极为为相相似似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生物与建筑艺术珍品艺术珍品澳大利亚澳大利亚悉尼歌剧院悉尼歌剧院舱体结构东京中银舱体楼东京中银舱体楼美国美国佛罗佛罗里达里达的未的未来世来世界博界博物馆物馆薄壳结构研究和模拟的是生物体中的各类化学反应，

13、包括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、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。生物发光、生物发电等。人工嗅觉人工嗅觉仿生物膜仿生物膜化学仿生化学仿生嗅敏检测仪采集采集 系统系统嗅敏嗅敏 元件元件放大放大 系统系统报警系统报警系统报警系统报警系统电源电源嗅敏电阻嗅敏电阻是一类以是一类以SnOSnO2 2为主体为主体的金属半导体，它是一种表面的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料。效应很强的材料。狗的鼻子里的雾受一种蛋白质的控制，将气味分子浓缩后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

14、上的传送给鼻子里的气味感受器上的气味辨别蛋白气味辨别蛋白，当气味辨，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，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。种什么气味。人工嗅觉人工嗅觉仿生物膜细胞膜 流动镶嵌模型n脂双层形成框架；n蛋白质镶嵌其中；n具有动态特点n人工膜的特点n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）。机器人检修宇宙飞船机器人检修宇宙飞船整体仿生第一代是第一

15、代是示教再现型机器人示教再现型机器人，机器人有部分电脑化控制能力，机器人有部分电脑化控制能力，但最后的决策仍然是人类。但最后的决策仍然是人类。第二代是第二代是感觉机器人感觉机器人，人类，人类指派任务以后，机器人有足够指派任务以后，机器人有足够的智慧完成工作，不必实时指的智慧完成工作，不必实时指导。导。第三代是第三代是智能机器人智能机器人，机器，机器人几乎不必由人类控制人几乎不必由人类控制智能机器人 生物计算机生物计算机自动化机器人从月球土壤中提取气体自动化机器人从月球土壤中提取气体侧向运动时，蛇身体只有几个点接触地面，为了减少与高温侧向运动时，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球、火星等等这种未知的环境来做一些探察工作蛇形机器人随着社会科学的不断发展，随着人们对动物研究的深入，仿生学将会给人们带来更大的利益。