仿生學(xué)-生命科學(xué)課件

1、開啟新技術(shù)的鑰匙仿生學(xué)前言信息仿生控制仿生擬態(tài)仿生力學(xué)仿生化學(xué)仿生整體仿生目錄前言.仿生學(xué)的簡(jiǎn)介.仿生學(xué)的研究前言 自然界形形色色的生物，都有著怎樣的奇異本領(lǐng)？它們的種種本領(lǐng)，給了人類哪些啟發(fā)？模仿這些本領(lǐng)，人類又可以造出什么樣的機(jī)器？這里要介紹的一門新興科學(xué)仿生學(xué) (Bionics) 中國(guó)古漢文中的仿生思想前言一、仿生學(xué)簡(jiǎn)介仿生學(xué)之起源前言鳳蓬草 輪子魚尾 船櫓人眼晶狀體 透鏡生物電 電池鳥 飛機(jī)茅草缺口 鋸子 生活中的仿生學(xué)仿生學(xué)(Bionics) 模仿生物系統(tǒng)的原理以建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的科學(xué)前言仿生學(xué)的概念前言二.仿生學(xué)研究仿生學(xué)是一門建立在多學(xué)科

2、邊緣上的綜合性學(xué)科，包括生理學(xué)、神經(jīng)學(xué)、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、數(shù)學(xué)、電子學(xué)、信息學(xué)等學(xué)科。仿生學(xué)的相關(guān)領(lǐng)域前言生物體生物模型數(shù)學(xué)模型技術(shù)模型技術(shù)裝置仿生學(xué)的研究方法數(shù)學(xué)生物電烙鐵前言仿生學(xué)符號(hào).青蛙與電子蛙眼.水母與電子耳信息仿生信息仿生青蛙與電子蛙眼神經(jīng)節(jié)細(xì)胞有4種：“邊緣偵察器”“昆蟲偵察器”“事件偵察器”“光強(qiáng)減弱感受器”青蛙的視覺系統(tǒng)信息仿生青蛙與電子蛙眼由透鏡（晶狀體）在視網(wǎng)膜上形成光學(xué)圖像后，經(jīng)過視細(xì)胞、雙極細(xì)胞、輸出細(xì)胞（神經(jīng)節(jié)細(xì)胞）而送往大腦中樞青蛙的視覺系統(tǒng)信息仿生“水母耳”風(fēng)暴預(yù)測(cè)儀水母耳與電子耳 水母耳能感受風(fēng)暴產(chǎn)生時(shí)空氣和波浪摩擦而產(chǎn)生的次聲波.蛇的紅外探測(cè).蝙蝠與超聲波.蛾的反

3、雷達(dá)技術(shù).動(dòng)物的天然導(dǎo)航控制仿生控制仿生蛇田鼠熱血?jiǎng)游锷眢w向外散熱蛇通過感受器探測(cè)到熱源蛇的紅外探測(cè)控制仿生頰窩頰窩是一個(gè)紅外感受器，對(duì)周圍溫度變化極為敏感，能感受0.001的溫度變化。這類蛇能在夜間準(zhǔn)確判斷周圍恒溫動(dòng)物的位置蛇的紅外探測(cè)控制仿生飛行中的蝙蝠超聲波聲音反射波蛾蝙蝠的捕食蝙蝠與超聲波控制仿生蝙蝠的回聲定位超聲信號(hào)被反射蝙蝠與超聲波腦控制仿生蝙蝠與超聲波蝙蝠的聲納處理參考波刺激接受器載有信息的超聲波發(fā)出的超聲波控制仿生夜蛾的反雷達(dá)技術(shù)反雷達(dá)技術(shù)使夜蛾死里逃生控制仿生夜蛾的反雷達(dá)技術(shù)鼓膜器鼓膜器 振動(dòng)器胸神經(jīng)節(jié)神經(jīng)纖維氣囊聽覺細(xì)胞感受器鼓膜角質(zhì)皺折非聽覺細(xì)胞聽覺系統(tǒng)控制仿生千里遷徙萬(wàn)

4、里洄游動(dòng)物的天然導(dǎo)航控制仿生動(dòng)物的天然導(dǎo)航一些動(dòng)物利用日月星辰導(dǎo)航，也有些動(dòng)物利用海流、海水成分、地磁場(chǎng)、重力場(chǎng)等進(jìn)行導(dǎo)航，為研制通訊設(shè)備和新型導(dǎo)航儀器提供啟迪控制仿生動(dòng)物的天然導(dǎo)航太陽(yáng)原始的位置2（1/2）小時(shí)后 的太陽(yáng)位置2（1/2）小時(shí)后 螞蟻的路線螞蟻在暗盒子中呆 了2（1/2）小時(shí)螞蟻原始的路線螞蟻把太陽(yáng)當(dāng)作指南針定義 生物界中普遍存在著擬態(tài)，現(xiàn)將擬態(tài)用于工程技術(shù)中去就叫擬態(tài)仿生擬態(tài)仿生擬態(tài)仿生模仿者被模仿者受騙者擬態(tài)系統(tǒng)常見于直翅目、螳螂目、同翅目、半翅目、鞘翅目、鱗翅目、雙翅目等大多是對(duì)受騙者而言是不可食、不好食或有毒的動(dòng)、植物或環(huán)境中的其它物體受騙者多為擬態(tài)者的天敵，尤以鳥類為

5、主警戒色擬態(tài)仿生擬態(tài)仿生動(dòng)物的擬態(tài)與保護(hù)色擬態(tài)仿生擬態(tài)仿生坦克的迷彩著裝三色迷彩的德國(guó)“豹”I坦克在電視成像下的效果擬態(tài)仿生擬態(tài)仿生坦克的迷彩著裝.生物與造船.生物與飛機(jī).生物與建筑力學(xué)仿生化學(xué)仿生蓮花效應(yīng)自潔凈油漆、涂料 波恩大學(xué)的植物學(xué)家William Barthlott在70年代發(fā)現(xiàn)植物的自清潔效應(yīng)-“蓮花效應(yīng)（Lotus effect）”。1989年他研究了1萬(wàn)多種植物的表面結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)水在有小的茸毛和小的蠟質(zhì)覆蓋在葉子上形成一個(gè)個(gè)的球體，這些滾動(dòng)的水珠帶走葉子表面的灰塵，從而潔凈了葉子表面。力學(xué)仿生生物與造船模仿鱈魚、鲇魚外形建造的“復(fù)仇號(hào)”帆船體形的模仿力學(xué)仿生生物與造船體形的模仿力

6、學(xué)仿生生物與造船體形的模仿俄羅斯海軍新型核潛艇 力學(xué)仿生生物與造船模仿鯨的胸鰭給船裝上了船鰭結(jié)構(gòu)的模仿力學(xué)仿生生物與造船結(jié)構(gòu)的模仿 相傳早在大禹時(shí)期，我國(guó)古代勞動(dòng)人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎，他們就在船尾上架置木槳。通過反復(fù)的觀察、模仿和實(shí)踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動(dòng)力，掌握了使船轉(zhuǎn)彎的手段。力學(xué)仿生生物與造船結(jié)構(gòu)的模仿模仿魚和鯨體表粘液合成了幾種人工粘液，以減小湍流力學(xué)仿生生物與造船結(jié)構(gòu)的模仿潛水艇在航行時(shí)會(huì)造成巨大的湍流海豚游泳時(shí)身邊的水流很小力學(xué)仿生鷹擊長(zhǎng)空嘯傲云天生物與飛機(jī)力學(xué)仿生生物與飛機(jī)飛鳥與飛機(jī) 據(jù)韓非子記載魯班用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”。 四百多年前，意大

7、利人利奧那多達(dá)芬奇和他的助手對(duì)鳥類進(jìn)行仔細(xì)的解剖，研究鳥的身體結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥類的飛行。設(shè)計(jì)和制造世界上第一架人造飛行器。 力學(xué)仿生生物與飛機(jī)達(dá)芬奇設(shè)計(jì)的撲翼飛機(jī)飛鳥與飛機(jī)力學(xué)仿生生物與飛機(jī)飛鳥與飛機(jī)飛鳥的體形和翅膀在滑進(jìn)飛行時(shí)與飛機(jī)的飛行極為相似力學(xué)仿生生物與飛機(jī)現(xiàn)代先進(jìn)的飛機(jī)能夠模仿昆蟲在空中作各種花樣演習(xí)昆蟲與飛機(jī)力學(xué)仿生生物與飛機(jī)昆蟲與飛機(jī)昆蟲翅膀的運(yùn)動(dòng)昆蟲飛行時(shí)翅膀的運(yùn)動(dòng)很復(fù)雜，其角度的變化控制比目前的飛行自動(dòng)駕駛儀還好力學(xué)仿生生物與飛機(jī)昆蟲與飛機(jī)飛機(jī)仿造蜻蜓的翅膀配重防止振顫力學(xué)仿生生物與飛機(jī)昆蟲與飛機(jī) 蒼蠅，是細(xì)菌的傳播者，誰(shuí)都討厭它?？墒巧n蠅的楫翅（又叫平衡棒）是“天然導(dǎo)航儀”

8、，人們模仿它制成了“振動(dòng)陀螺儀”。這種儀器目前已經(jīng)應(yīng)用在火箭和高速飛機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛 力學(xué)仿生薄殼結(jié)構(gòu)藝術(shù)珍品澳大利亞悉尼歌劇院生物與建筑力學(xué)仿生生物與建筑 榴蓮博物館力學(xué)仿生生物與建筑圓頂屋 美國(guó)佛羅里達(dá)的 未來(lái)世界博物館.人工嗅覺.仿生物膜化學(xué)仿生化學(xué)仿生狗的嗅覺過程狗的嗅覺 狗的鼻子里的霧受一種蛋白質(zhì)的控制，將氣味分子濃縮后傳送給鼻子里的氣味感受器上的氣味辨別蛋白，當(dāng)氣味辨別蛋白將不同的氣味辨別后，被辨別出的特定的氣味信號(hào)，立即被嗅覺細(xì)胞傳遞給大腦，大腦便知道了所聞到的是一種什么氣味。人工嗅覺化學(xué)仿生氣味受體和嗅覺系統(tǒng)組織(2004年諾貝爾獎(jiǎng))化學(xué)仿生人工嗅覺嗅敏檢測(cè)儀采集系統(tǒng)嗅敏元

9、件放大系統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)電源嗅敏電阻是一類以SnO2為主體的金屬半導(dǎo)體，它是一種表面效應(yīng)很強(qiáng)的材料化學(xué)仿生細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)仿生物膜蛋白分子磷脂分子鑲嵌蛋白跨膜蛋白(形成通道)跨膜蛋白細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型：(1)脂雙層形成框架；(2)蛋白質(zhì)鑲嵌其中；(3)具有動(dòng)態(tài)特點(diǎn)化學(xué)仿生仿生物膜人工膜人工膜的特點(diǎn) 化學(xué)組成和厚度與天然膜相似：能有效地分開兩種不同的水相；具有結(jié)構(gòu)和化學(xué)兩側(cè)不對(duì)稱性，易于操作，能用來(lái)研究膜的向量功能（如傳遞等）化學(xué)仿生仿生物膜人工膜 現(xiàn)在發(fā)明了一種人工生物膜，它可以把氧從二氧化碳中分離出來(lái)。老鼠裝在用這種膜封閉起來(lái)的籠子里沉入水中，居然能照常生活。原來(lái)，通過這種膜，水中的氧氣

10、可以進(jìn)入籠中，老鼠呼出的二氧化碳，又可以通過這種膜排進(jìn)水里。氧氣可進(jìn)不可出，而二氧化碳則是可出不可進(jìn) 。機(jī)器人檢修宇宙飛船整體仿生整體仿生自動(dòng)化機(jī)器自動(dòng)化機(jī)器人從月球土壤中提取氣體智能機(jī)器人整體仿生智能機(jī)器人自然語(yǔ)言語(yǔ)音圖形圖像信息知識(shí)庫(kù)管理軟件求解問題推理軟件智能接口軟件內(nèi)核軟件（智能操作系統(tǒng)、 編譯系統(tǒng)等） 并行處理體系結(jié)構(gòu)知識(shí)庫(kù)硬件推理機(jī)硬件智能接口硬件智能計(jì)算機(jī)組成人機(jī)接口軟件硬件整體仿生智能機(jī)器人生物計(jì)算機(jī)耗能低阻抗小存儲(chǔ)量極大自我組織自我修復(fù)優(yōu)點(diǎn)速度快整體仿生生物計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 能制成超高密度的線路能使生物本身固有的自我修復(fù)機(jī)能得到發(fā)揮 ， 即使芯片中出了故障本身也能修復(fù) ，從而使它 成為一種具有永久性的不出故障元件只要用少量的能量就能工作 ，不存在發(fā)熱問題整體仿生生物計(jì)算機(jī)的一些進(jìn)展2003年02月以色列科學(xué)家研制出一“臺(tái)”速度達(dá)每秒330萬(wàn)億次運(yùn)算的生物計(jì)算機(jī)。2006年10月，來(lái)自美國(guó)哥倫比亞大學(xué)和新墨西哥州立大學(xué)的研究人員宣布，他們已經(jīng)共同研發(fā)出了基于DNA的中等大小的集成分子電路。整體仿生生物計(jì)算機(jī)的一些進(jìn)展2008年10月，科學(xué)家最新研制的生物計(jì)算機(jī)能夠在活酵母細(xì)胞中進(jìn)行計(jì)算處理。美國(guó)加州理工學(xué)院已研制出一種RNA計(jì)算機(jī)。