仿生学工程应用实例

1、仿生学工程应用实例控制学院吴夏鹏1、翠鸟和新干线 日本的工程师们成功地制造出了新一代新干线列车，其运行时速超过320公里，但是当列车高速行驶时其产生的噪音超过了环境标准，这是由于列车高速通过狭窄的车道时将产生音爆效应。这一问题的一部分原因是列车的车头是子弹型，因此它会“推挤”前方的空气而非“切穿”过去。为了解决这个问题，工程师们从翠鸟的嘴巴上得到了灵感，这种鸟类在冲向水中捕鱼时只会溅起很少的水花。观察发现，翠鸟拥有一个流线形的长长鸟嘴，其直径逐渐增加，以便让水流顺畅向后流动。通过仿生学设计，工程师们对子弹车头进行重新改造，西日本铁路公司制造出了500系列列车，并于1997年投入使用。实践证明这

2、种列车的车速比起原有设计提升了10%，而电力消耗降低了15%，而噪音水平也有了显著下降。2、和树木一样强健 树木和骨骼都拥有相对较轻却高强度的特征。为了使应力均匀分布，树木会在最重要的受力点增加重量，而骨骼会在不需要的地方去除不必要的物质以便减轻整体重量。工程师们从树木和骨骼的结构中得到启发，将灵感运用到软件设计中，以便实现减重并增加材料表现水平。 梅赛德斯公司推出的一款概念车设计采用了轻质骨架，便是从树木和骨骼结构中得到了灵感。尽管这款名为“Bionic”的低排量汽车从未投入大批量生产，但是该公司确实将这些理念运用到了之后的多款量产型汽车设计中。5、自动水流收集系统 这是一只澳洲刺蜥，它能通

3、过自己身体表面进行自动集水。当夜晚温度下降时，露水会在它身上聚集并通过毛细作用自动流向它的嘴里。 如果我们能设计出类似这种高效的被动集水系统，它将帮助全球数百万饮水困难的民众脱离困境。3.像蚊子那样扎针 不管过后有多么其痒难耐，你会发现蚊子在咬人时你是不怎么疼的。蚊子的口器接触人体的方式可以使它触发尽可能少的皮肤神经，从而减少疼痛反应。 在对这一现象进行的渗入研究中，日本关大学的工程师们制造出了一种细微的，根据蚊子口器仿生制成的锯齿形针尖。和传统的圆柱状针管不同，在中央针尖的旁边还设置了两条细微的外侧锯齿条，极大地降低扎入人体的痛楚。4.全天然空调系统 白蚁会建造这样巨大的巢穴系统，但是在炎热

4、干燥的非洲草原上，这样一个建筑的内部却总是能自己保持恒温和湿润。不论外界多么潮湿，干旱，高温或寒冷，对其内部毫无影响。为了做到这一点，白蚁们会视情况在一天中忙着不停的打开或关闭不同方向的通风口。 在设计津巴布韦首都哈拉雷市的东门购物中心和办公大楼时，设计师麦克皮尔斯(Mike Pearce)研究了白蚁巢穴的结构。其结果是，东门购物中心只需要传统设计10%的能量消耗。这样形成的节约使它得以降低租金，从而吸引更多商户入驻。5.像鲨鱼那样对抗细菌 很多鲸类和海牛的身上会长出藻类甚至藤壶，但是不知道你注意过没有，鲨鱼的身上却从来不会出现这种情况。这似乎得益于鲨鱼身上一种被称为“盾鳞”的结构。这是一种软

5、骨鱼类特有的，与牙齿结构近似，由表皮和真皮共同形成的鳞片，这也是鲨鱼的皮肤摸上去非常粗糙的原因。 科学家们根据鲨鱼皮肤的构造启发，设计了一种被称为“鲨鱼”的表面工程设计。这种表面结构本身不需借助任何其他手段，其本身便可以阻止细菌在其表面生长。一家名为“鲨鱼技术”的公司已经将应用这种仿生技术的贴膜销售给许多需要防菌的用户，并生产了一些有意义的新型产品，如不会被细菌感染的导尿管等等。控制仿生学 研究生命活动所特有的自动控制过程及其工作原理，用以研制具有类似功能的自动控制、定向和导航等技术系统的一门新兴交叉学科。是仿生学的一个分支，也称神经仿生学。 生物体内平衡调控和肢体运动控制的研究是控制仿生学的

6、重要内容。人和动物机体依靠神经通路和内分泌(激素)通路，自动调节其生理活动、肢体运动及自身行为，以保持机体与内外环境的统一。例如， 人体体温调节系统通过精确控制机体产热与散热过程的平衡，使体温恒定在37左右； 人和动物的行走、奔跑、游泳、飞翔等各种灵巧的肢体运动，也都是在机体自动控制系统的精确、可靠的控制下才得以完成，并保持了动作过程中身体的平衡以及动作的协调与稳定。控制仿生学的研究目的在于为改善工程自动控制系统的结构和提高其性能提供借鉴。 控制仿生学的研究对象包括两个层次，即以反馈为主的初级控制系统和大脑的高级控制系统。 生物神经系统对机体的调节机能，与工程自动控制装置的功能在理论上极为相似

7、，两者进行控制的基础都是“反馈”的存在。生物控制系统与工程自动控制系统这种理论上的一致性，使控制仿生学具有了重要的实用意义。人的神经系统有两个子系统。一个是调节内脏活动的植物神经系统，又称自主神经系统；另一个是对机体实施精细、完善调节的大脑皮质，是高级神经活动中枢，主导机体的一切活动过程，并调节机体与周围环境的平衡，其功能涉及到学习、记忆和思维。 所以，对大脑控制机能的仿生学研究，不仅可为在技术系统中实现精确、完善的控制提供新的设计思想，更重要的是可以提供智能化的自动控制原理。 工程自动控制系统输入的阈值一经调定就成了固定的，而生物控制系统却具有自动调节的可变阈值。 例如，在嘈杂的声响环境中，

8、人的听觉系统能阻断声音通道或有选择地开放某种声音通道，做到“集中注意力”看书或听某一个人的谈话，对其他声响则“充耳不闻”。模仿人的控制系统的这一功能，去建造具有可变阈值的工程自动控制系统， 如具有较高抗干扰特性的军事监听、观察和通信系统，将具有重大的军事意义。 控制仿生学还研究动物定向与导航系统的功能原理。研究发现， 海豚借助其利用超声波回声定位的独特功能，能发现3千米之外的鱼群并确定其方位； 蝙蝠在飞行过程中能分辨直径0.1毫米的细线并准确地躲避，还可同时探测多个目标，数万只蝙蝠同在一个岩洞中其超声定位系统却互不干扰。 动物系统的这些独特功能及其结构原理，对于提高声纳和雷达系统的灵敏度和抗干扰性能具有重大参考价值。 某些动物远程导航本领极强，候鸟飞行几千甚至上万千米，也能准确地到达迁徙目的地。通过对动物在远程导航过程中所采用的“星象导航”、“地磁场导航”和“重力场导航”等机能原理的深入探索，有可能为设计新型导航仪器找到全新原理。 研究动物的跟踪制导本领也是控制仿生学的重要课题，典型的例子是 关于雄性家蝇对雌性家蝇的跟踪行为的研究。雄性家蝇借助复眼中各个小眼的协同配合，依据被追逐目标(雌性家蝇)在其小眼视网膜上成像大小的变化，判断与目标间的距离。雄性家蝇脑根据距离变化去控制其下一时刻的飞行加速度，从而实现对飞行方向与速度的精确控制。据此总结出了蝇