仿生学-(-3).ppt

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1、仿生学概论课程结业报告姓名：学号：班级：课程结业报告1 仿生学及其应用2 课程学习体会1.仿生学及其应用仿生学及其应用（1 1）仿生学的概念和学科特点；）仿生学的概念和学科特点；）仿生学的概念和学科特点；）仿生学的概念和学科特点；（2 2）仿生学的诞生和发展历程；）仿生学的诞生和发展历程；）仿生学的诞生和发展历程；）仿生学的诞生和发展历程；（3 3）仿生学的研究方向和内容；）仿生学的研究方向和内容；）仿生学的研究方向和内容；）仿生学的研究方向和内容；（4 4）仿生学的研究方法、步骤；）仿生学的研究方法、步骤；）仿生学的研究方法、步骤；）仿生学的研究方法、步骤；（5 5）仿生学的应用概述；）仿生

2、学的应用概述；）仿生学的应用概述；）仿生学的应用概述；（1）仿生学的概念和学科特点；仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学技术。仿构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学技术。仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪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。从仿生学的诞生，发中期才出现的一门新的边缘科学。从仿生学的诞生，发展到现在短短几十年时间内，它的研究成果已经非常可展到现在短短几十年时间内，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

3、就是观。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，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。显示了极强的生命力。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；）仿生学的诞生和发展历程；19601960年年9 9月月1313日，一门新的科学诞生了。这一天，在美国召开了第一届日，一门新的科学诞生了。这一天，在美国召开了第一届仿生学讨

4、论会，有仿生学讨论会，有3030名讲演者和大约名讲演者和大约700700名听众参加了这次会议。会上，名听众参加了这次会议。会上，斯蒂尔博士为仿生学下了这样的定义：斯蒂尔博士为仿生学下了这样的定义：“仿生学是模仿生物系统的原理来仿生学是模仿生物系统的原理来建建 造技术系统，或者使人造的技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。造技术系统，或者使人造的技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。”简单一句话，仿生学就是简单一句话，仿生学就是“模仿生物的科学模仿生物的科学”。自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。劳动创造了人类。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而

5、在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领。人类仿生的行为虽然早有雏型，但是在20世纪40年代以前，人们并没有自觉地把生物作为设计思想和创造发明的源泉。科学家对于生物学的研究也只停留在描述生物体精巧的结构和完美的功能上。而工程技术人员更多的依赖于他们卓越的智慧，辛辛苦苦的努力，进行着人工发明。他们很少有意识的向生物界学习。随着生产的需要和科学技术的发展，从20世纪50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、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、

6、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究，促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。（3）仿生学的研究方向和内容；）仿生学的研究方向和内容；仿生学的研究范围主要包括：仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。生等。力学仿生力学仿生 是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，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

7、度薄壳建筑，模仿股骨结学性质。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。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、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生

8、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。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。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

9、处理过程。例如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根据象鼻虫视动反应制成的成的“自相关测速仪自相关测速仪”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测的些装置。已建立的神经元模型达些装置。已建立的神经元模型达100100种以上，并在此基础上构造出新型种以上，并在此基础上构造出新型计算机。计算机。（4）仿生学的研究方法、步骤；）仿生学的研究方法、步骤；仿生学的主要研究方法就是提出模

10、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

11、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。（5）仿生学的应用概述 电子眼的应用水母的“顺风耳”“炮弹”甲虫发光的荧光虫长颈鹿对血压的控制蝙蝠与雷达蜻蜓与仿生学蜂巢中的几何电鱼与伏特电池“逐臭之夫”苍蝇电子蛙眼的应用 生物特性 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

12、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，叠在一起，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无反应。仿生元素 蛙眼独特的视觉识别系统 仿生应用 仿生学家根据蛙眼的原理和结构，发明了电子蛙眼。它的前部其实就是一个摄像头，成像之后通过光缆传输到电脑设备显示和保存，它的探测范围呈扇状且能转动类似蛙类的眼睛。现代战争中，敌方可能发射导弹来攻击我方目标，这时我方可以发射反导弹截击对方的导弹，但敌方为了迷惑我方，又可能发射信号来扰乱我方的视线。在战场上，敌人的飞机

13、、坦克、舰艇发射的真假导弹都处于快速运动之中，要克敌制胜，必须及时把真假导弹区别开来。将电子蛙眼和雷达相配合，就可以像蛙眼一样，敏锐迅速地跟踪飞行中的真目标。水母的“顺风耳”生物特性 水母，又叫海蜇，是一种古老的腔肠动物，早在5亿年前,它就漂浮在海洋里了。这种低等动物有预测风暴的本能，每当风暴来临前，它就游向大海避难去了。原来，在蓝色的海洋上，由空气和波浪摩擦而产生的次声波(频率为每秒813次)，总是风暴来临的前奏曲。这种次声波人耳无法听到，小小的水母却很敏感。仿生学家发现，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

14、上的神经感受器，于是水母就听到了正在来临的风暴的隆隆声。仿生元素 水母听觉系统对声波的处理方式 仿生应用 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，对航海和渔业的安全都有重要意义。“炮弹”甲虫n生物特性 甲虫自卫时，可喷射出具有恶臭的高温液体“炮弹”，以迷惑、刺激和惊吓敌害。科学家将其解剖后发现甲虫体内有3个小室，分别储有二元酚溶液、双氧水和生物

15、酶。二元酚和双氧水流到第三小室与生物酶混合发生化学反应，瞬间就成为100的毒液，并迅速射出。n仿生元素 甲虫分泌特殊液体的化学过程n仿生应用 这种原理目前已应用于军事技术中。二战期间，德国纳粹为了战争的需要，据此机理制造出了一种功率极大且性能安全可靠的新型发动机，安装在飞航式导弹上，使之飞行速度加快，安全稳定，命中率提高，英国伦敦在受其轰炸时损失惨重。美国军事专家受甲虫喷射原理的启发研制出了先进的二元化武器。这种武器将两种或多种能产生毒剂的化学物质分装在两个隔开的容器中，炮弹发射后隔膜破裂，两种毒剂中间体在弹体飞行的810秒内混合并发生反应，在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌人。它们易于生

16、产、储存、运输，安全且不易失效发光的萤火虫 生物特性 萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色，光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率，而且发出的冷光一般都很柔和，很适合人类的眼睛，光的强度也比较高。因此，生物光是一种人类理想的光。科学家研究发现，萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成。发光层拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光酶两种物质。在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合便发出荧光。萤火虫的发光，实质上是把化学能转变成光能的过程。仿生元素 萤火虫发光的化学机制 仿生应用 早在40年代，人们根据对萤火虫

17、的研究，创造了日光灯，使人类的照明光源发 生了很大变化。近年来，科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光酶，接着，又用化学方法人工合成了荧光素。由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。由于这种光没有电源，不会产生磁场，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。现在，人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光，作为安全照明用。长颈鹿对血压的控制 生物特性 长颈鹿之所以能将血液通过长长的颈输送到头部，是由于长颈鹿的血压很高。据测定，长颈鹿的血压比人的正常血压高出2倍。这样高的血压为什么不会使长颈鹿患

18、脑溢血而死亡呢？这与长颈鹿身体的结构有关。首先，长颈鹿血管周围的肌肉非常发达，能压缩血管，控制血流量；同时长颈鹿腿部及全身的皮肤和筋膜绷得很紧，利于下肢的血液向上回流。仿生元素 长颈鹿身体中肌肉对血管压力的控制 仿生应用 科学家由此受到启示，在训练宇航员对，设置一种特殊器械，让宇航员利用这种器械每天锻炼几小时，以防止宇航员血管周围肌肉退化；在宇宙飞船升空时，科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤可控制血管压力的原理，研制了飞行服“抗荷服”。抗荷服上安有充气装置，随着飞船速度的增高，抗荷服可以充入一定量的气体，从而对血管产生一定的压力，使宇航员的血压保持正常。同时，宇航员腹部以下部位是套入抽去空气的密封

19、装置中的，这样可以减小宇航员腿部的血压，利于身体上部的血液向下肢输送。蝙蝠与雷达 生物特性 蝙蝠会释放出一种超声波，这种声波遇见物体时就会反弹回来，而人类听不见。蝙蝠能够对这些声波信息分析和处理并作出判断。这就是“回声定位”。仿生元素 蝙蝠释放和接收超声波并作处理 仿生应用 雷达就是根据蝙蝠的这种特性发明出来的。现在在各种地方都会用到雷达。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。蜻蜓与仿生学 生物特性 蜻蜒通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流，井利用气

20、流产生的涡流来使自己上升。蜻蜒能在很小的推力下翱翔，不但可向前飞行，还能向后和左右两侧飞行，其向前飞行速度可达72km/小时。此外，蜻蜒的 飞行行为简单，仅靠两对翅膀不停地拍打。仿生元素 蜻蜓翅膀的特殊结构以及对气流的应用 仿生应用 科学家据此结构基础研制成功了直升飞机。飞机在高速飞行时，常会引起剧烈振动，甚至有时会折断机翼而引起飞机失事。蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飞行时安然无恙，于是人们仿效蜻蜒在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题。蜂巢中的几何 生物特性 蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小 蜂房组成，每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家精

21、确计算出来的菱形钝角109。28，锐角70。32完全相同，是最节省 材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。仿生元素 蜂巢特殊的几何结构与物理特性 仿生应用 人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞 机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。电鱼与伏特电池 生物特性 自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种。人们将这些能放电的鱼，统称为“电鱼”。各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生50

22、0伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压，称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动物。仿生元素 电鱼发电器官的化学效应 仿生应用 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”。对电鱼的研究，还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。“逐臭之夫”苍蝇 生物特性 苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢?原来，苍蝇的“鼻子”

23、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。仿生元素 苍蝇发达的嗅觉触角 仿生应用 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。就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；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。2.课程学习体会 通过本学期对仿生学概论这门课程的学习加深了我对仿生学的理解，同时我也学到了很多与仿生学相关的知识，很多日常生活应用其实都是对自然的杰作的模仿，大自然有无数的奥秘等待我们探索。仿生学这门学科涵盖较为广泛，拓宽了我的知识面，更重要的是培养了我们对自然科学的爱好，培养了观察自然兴趣。