仿生學課程結(jié)業(yè)報告

（課程結(jié)業(yè)報告）

姓名：王春城

班級：計科123

學號：20121111098仿生學及應用

仿生學目錄：仿生學的概念仿生學研究的特點仿生學的誕生仿生學的發(fā)展歷程仿生學的研究方向應用實例：生物硅化材料電鰻和伏特電池蒼蠅與宇宙飛船蝴蝶和微星控溫系統(tǒng)水母的順風耳蛇的紅外探測夜蛾的反雷達技術(shù)人工嗅覺生物與建筑生物膜的選擇吸收仿生學的概念

仿生學是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學，它是在上世紀中期才出現(xiàn)的一門新的邊緣科學。仿生學研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術(shù)之中，發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機器，創(chuàng)造新技術(shù)。從仿生學的誕生、發(fā)展，到現(xiàn)在短短幾十年的時間內(nèi)，它的研究成果已經(jīng)非常可觀。仿生學的問世開辟了獨特的技術(shù)發(fā)展道路，也就是向生物界索取藍圖的道路，它大大開闊了人們的眼界，顯示了極強的生命力。

仿生學研究的特點仿生學是一門建立在多學科邊緣上的綜合性學科，這些相關(guān)性的基礎學科，正如前面所述，包括生理學、神經(jīng)生理學、心理學、生物物理學、電子學、物理學、化學、數(shù)學，以及通訊、計算技術(shù)、建筑工程、航空、航海工程及系統(tǒng)科學等。防生學的誕生從二十世紀五十年代以來人們已經(jīng)認識到生物系統(tǒng)是開辟新技術(shù)的主要途徑之一，自覺地把生物界作為各種技術(shù)思想、設計原理和和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。（萌芽）作為一門獨立的學科仿生學誕生于1960年9月。“仿生學”是由美國科學家J.E斯蒂爾在美國召開的第一次生物學會議上命名，取名為“Bionics"，希臘文，意思是代表著“研究生命系統(tǒng)功能的科學”。1963年我國“Bionics"譯為“仿生學”。在20世紀90年代初,各國都在為發(fā)展仿生學這門交叉學科的基礎研究作了精心長期的計劃準備。美國有一項優(yōu)先發(fā)展先進制造、先進材料以及先進軍事裝備研究等領域的長期計劃,德國的研究與技術(shù)部已就“21世紀的技術(shù)”為題在適應電子技術(shù)、納米技術(shù)、富勒碳材料、光子學、仿生材料、生物傳感器等領域投入了相當大的財力和人力。英國政府也早在1993年5月就發(fā)表了科學大臣沃爾德格雷夫主持撰寫的科技白皮書,題為《運用我們的潛力——科學、工程和技術(shù)戰(zhàn)略》。日本、俄羅斯以及韓國等國都有相應的中長期計劃,在先進制造、材料、生物技術(shù)、高性能計算與通信計劃等領域開展基礎性研究。這是一場在仿生科學技術(shù)研究領域內(nèi)展開源頭研究的全球性競爭,以便在21世紀的世界市場上占有主動地位。

仿生學的發(fā)展歷程仿生學的研究范圍主要包括：力學仿生分子仿生能量仿生信息與控制仿生等仿生學的研究方向力學仿生

力學仿生學是研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細結(jié)構(gòu)的靜力學性質(zhì)，以及生物體各組成部分在體內(nèi)相對運動和生物體在環(huán)境中運動的動力學性質(zhì)。例如，建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱，既消除應力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結(jié)構(gòu)，把人工海豚皮包敷在船艦外殼上，可減少航行揣流，提高航速。分子仿生

分子仿生，是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害蟲舞毒蛾性引誘激素的化學結(jié)構(gòu)后，合成了一種類似有機化合物，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺雄蟲。

能量仿生

能量仿生，是研究與模仿生物電器官生物發(fā)光、肌肉直接把化學能轉(zhuǎn)換成機械能等生物體中的能量轉(zhuǎn)換過程。

信息與控制仿生

信息與控制仿生，是研究與模擬感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。例如,根據(jù)象鼻蟲視動反應制成的“自相關(guān)測速儀”可測定飛機著陸速度。根據(jù)鱟復眼視網(wǎng)膜側(cè)抑制網(wǎng)絡的工作原理，研制成功可增強圖像輪廓、提高反差、從而有助于模糊目標檢測的—些裝置。已建立的神經(jīng)元模型達100種以上，并在此基礎上構(gòu)造出新型計算機。

仿生學應用實例1、生物硅化材料生物體通過生物礦化過程合成二氧化硅的過程被成為生物硅化作用(Biosilicification)。其中海綿與硅藻是海洋中主要的生物硅化者。其中超過90%的海綿能夠通過生物硅化作用構(gòu)建起硅質(zhì)骨骼。這種生物礦化二氧化硅主要存在于各種單細胞藻類(60000~100000種硅藻)、細菌、海綿(約6000種)、原生動物如稀孔蟲目(Phaeodaria)、領鞭毛蟲(Choanoflagellates)、硅鞭毛蟲(Silicoflagellates))和高等植物體內(nèi)骨針具有優(yōu)異的光學性能和機械性能在海綿生物硅化過程中,一類被稱為硅蛋白(Silicatein)的蛋白質(zhì)表現(xiàn)出了特殊的催化活性,也因此得到了生物學家、化學家和材料學家的關(guān)注。21世紀初，美國貝爾實驗室則更系統(tǒng)地研究了六放海綿綱拂子偕科偕老同穴屬一種Euplectellaaspergillum的骨針的光學性能及其結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)其光導性能非常類似于商業(yè)光纖的性能，可有效的連接光纖網(wǎng)絡。2、電鰻和伏特電池經(jīng)過對電魚的解剖研究，終于發(fā)現(xiàn)在電魚體內(nèi)有一種奇特的發(fā)電器官。這些發(fā)電器是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細胞構(gòu)成的。電電鰻的發(fā)電器呈棱形，位于尾部脊椎兩側(cè)的肌肉中；電鰩的發(fā)電器形似扁平的腎臟，排列在身體中線兩側(cè)，共有200萬塊電板;電鯰的發(fā)電器起源于某種腺體，位于皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板。單個電板產(chǎn)生的電壓很微弱，但由于電板很多，產(chǎn)生的電壓就很大了。電魚這種非凡的本領，引起了人們極大的興趣。19世紀初，意大利物理學家伏特，以電魚發(fā)電器官為模型，設計出世界上最早的伏特電池。因為這種電池是根據(jù)電魚的天然發(fā)電器設計的,所以把它叫做“人造電器官”。

3、蒼蠅與宇宙飛船蒼蠅是聲名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污穢的地方，都有它們的蹤跡。原來，蒼蠅的“鼻子”——嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上。每個“鼻子”只有一個“鼻孔”與外界相通，內(nèi)含上百個嗅覺神經(jīng)細胞。若有氣味進入“鼻孔”，這些神經(jīng)立即把氣味刺激轉(zhuǎn)變成神經(jīng)電脈沖，送往大腦。大腦根據(jù)不同氣味物質(zhì)所產(chǎn)生的神經(jīng)電脈沖的不同，就可區(qū)別出不同氣味的物質(zhì)。因此，蒼蠅的觸角像是一臺靈敏的氣體分析儀。

仿生學家由此得到啟發(fā)，根據(jù)蒼蠅嗅覺器官的結(jié)構(gòu)和功能，仿制成一種十分奇特的小型氣體分析儀。這種儀器的“探頭”不是金屬，而是活的蒼蠅。分析器一經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣味物質(zhì)的信號，便能發(fā)出警報。這種儀器已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內(nèi)氣體的成分。這種小型氣體分析儀，也可測量潛水艇和礦井里的有害氣體。利用這種原理，還可用來改進計算機的輸入裝置和有關(guān)氣體色層分析儀的結(jié)構(gòu)原理中。4、蝴蝶和衛(wèi)星控溫系統(tǒng)遨游太空的人造衛(wèi)星，當受到陽光強烈輻射時，衛(wèi)星溫度會高達200攝氏度；而在陰影區(qū)域，衛(wèi)星溫度會下降至零下200攝氏度左右，這很容易烤壞或凍壞衛(wèi)星上的精密儀器儀表，它一度曾使航天科學家傷透了腦筋。后來，人們從蝴蝶身上受到啟迪。原來，蝴蝶身體表面生長著一層細小的鱗片，這些鱗片有調(diào)節(jié)體溫的作用。每當氣溫上升、陽光直射時，鱗片自動張開，以減少陽光的輻射角度，從而減少對陽光熱能的吸收；當外界氣溫下降時，鱗片自動閉合，緊貼體表，讓陽光直射鱗片，從而把體溫控制在正常范圍之內(nèi)。科學家經(jīng)過研究，為人造地球衛(wèi)星設計了一種猶如蝴蝶鱗片般的控溫系統(tǒng)。

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5、水母的順風耳

水母在風暴來臨之前，就會成群結(jié)隊地游向大海，就預示風暴既將來臨。在藍色的海洋上，由空氣和波浪摩擦而產(chǎn)生的次聲波，這種次聲波頻率為每秒8至13次，這就是風暴來臨之前的預告。這種次聲波，人耳是聽不到的，小小的水母卻很敏感，對它來說，聽見這種次聲波卻是易如反掌的事情。為什么水母能聽見次聲波，預測暴風呢？仿生學家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，水母的耳朵的共振腔里長著一個細柄，柄上有個小球，球內(nèi)有塊小小的聽石，當風暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時，聽石就剌激球壁上的神經(jīng)感受器，于是水母就聽到了正在來臨的風暴的聲。仿生學家仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能，設計了水母耳風暴預測儀，相當精確地模擬了水母感受次聲波的器官。把這種儀器安裝在艦船的前甲板上，當接受到風暴的次聲波時，可令旋轉(zhuǎn)360°的喇叭自行停止旋轉(zhuǎn),它所指的方向，就是風暴前進的方向；指示器上的讀數(shù)即可告知風暴的強度。這種預測儀能提前15小時對風暴作出預報，所以說水母對航海和漁業(yè)工作者的安全都有重要意義。蛇田鼠熱血動物身體向外散熱蛇通過感受器探測到熱源6、蛇的紅外探測頰窩de位置頰窩（Jiawo）是一個紅外感受器，對周圍溫度變化極為敏感，能感受0.001℃的溫度變化。這類蛇能在夜間準確判斷周圍恒溫動物的位置。7、夜蛾的反雷達技術(shù)反雷達技術(shù)使夜蛾死里逃生夜蛾的反雷達技術(shù)鼓膜器鼓膜器振動器胸神經(jīng)節(jié)神經(jīng)纖維氣囊聽覺細胞感受器鼓膜角質(zhì)皺折非聽覺細胞聽覺系統(tǒng)8、人工嗅覺----嗅敏檢測儀，俗稱“電子鼻”采集系統(tǒng)嗅敏元件放大系統(tǒng)報警系統(tǒng)報警系統(tǒng)電源嗅敏電阻：一類以SnO2（氧化錫）為主體的金屬半導體，它是一種表面效應很強的材料。藝術(shù)珍品———澳大利亞悉尼歌劇院9、生物與建筑

薄殼結(jié)構(gòu)：薄而耐壓，省材而強度大，同時外觀美麗東京中銀艙體樓生物與建筑

艙體結(jié)構(gòu):模仿植物葉片空間配置,利于采光。生物與建筑

圓頂屋：外形美觀，光線明亮，空氣流通，結(jié)構(gòu)完整，節(jié)省材料。美國佛羅里達的[未來世界]博物館10、生物膜的選擇吸收

----細胞膜的結(jié)構(gòu)特點(S.JonSinger和GarthNicolson提出液態(tài)鑲嵌模型，Singer-Nicolsonfluidmosaicmembranemodel)蛋白分子磷脂分子鑲嵌蛋白跨膜蛋白(形成通道)跨膜蛋白細胞膜的流動鑲嵌模型：(1)脂雙層形成框架；(2)蛋白質(zhì)鑲嵌其中；(3)具有動態(tài)特點。

本學期的學科專題中，我們有幸了解了仿生學的專業(yè)內(nèi)容。經(jīng)過一學期的學習，我們不僅對仿生學專業(yè)的研究內(nèi)容有了進一步的了解，更對未來深入學習研究的方向有了一定的認識與計劃。而我，則對仿生學產(chǎn)生了濃厚的興趣。 仿生，簡單地講就是用人造裝置對有生命的物質(zhì)進行模擬。仿生技術(shù)研究的內(nèi)容非常廣泛，大致有力學仿生、分子仿生、能量仿生以及信息與控制仿生這五個方面。課程學習體會心得體會科學家們根據(jù)昆蟲復眼的結(jié)構(gòu)特點研制出了多孔徑光學系統(tǒng)裝置，更易于搜索到目標，這已在國外一些重要武器系統(tǒng)中得到應用。仿生學在軍事方面給了人類許多的啟發(fā)，讓人類的武器無論是活動能力還是攻擊準確性都得到了極大的提高，而攻擊準確性的提高使戰(zhàn)爭有效地避免了許多無辜人員的傷亡，這也從一定程度上對世界人民的利益作出了維護。也許，依靠昆蟲仿生學，人類真的可以實現(xiàn)戰(zhàn)爭的無硝煙化。心得體會

更神奇的是，科學家們受蝴蝶身上的鱗片會隨陽光的照射方向自動變換角度而調(diào)節(jié)體溫的啟發(fā)，將人造衛(wèi)星的控溫系統(tǒng)制成了葉片正反兩面輻射、散熱能力相差很大的百葉窗樣式，在每扇窗的轉(zhuǎn)動位置安裝有對溫度敏感的金屬絲，隨溫度變化可調(diào)節(jié)窗的開合，從而保持了人造衛(wèi)星內(nèi)部溫度的恒定，解決了航天事業(yè)中的一大難題。昆蟲仿生學又從航天事