仿生学的应用科学

1、仿生学的应用科学第1页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日前言信息仿生控制仿生拟态仿生力学仿生化学仿生整体仿生目 录第2页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日1、仿生学简介 远在中国古代,劳动人民就在长期的生产和生活中产生了朴素的仿生思想。如，中国象形文字便是一种借助文字象形传递信息的手段；中华武术、祖国传统医学中的养生之道更是集世间万物之精巧，愈显其博大精深。第1节 前 言第3页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日凤蓬草 轮子鱼尾 船橹人眼晶状体 透镜鸟 飞机2、生活中的仿生学第1节 前 言第4页，共62页，2022年，5月20日，21点

2、2分，星期日仿生学(Bionics) “模仿生物系统的原理建造技术系统，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”，亦即“模仿生物特性的科学。” - Dr. Jack Ellwood Steel3、仿生学的概念第1节 前 言第5页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日4、 仿生学的创立1960年9月13-15日,美国Dayton的一个空军基地,第一届美国仿生学讨论会.在50年代已成为一门独立学科的仿生学在该会上被正式命名.学科名称定义者J.E. Steel是一位专长于精神病学和神经学、又受过数学和电子学训练的美国军医.Bionics源于希腊语“bion”(生命的方式)

3、,其词尾“-ic”则是“具有性质”的意思。Bionics并非源于 Bio-和electronics，所以，仿生学Bionics 生物电子学Bioelectronics。仿生学的学科基础：生物学+ 技术科学。相关学科包括生理学、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。第1节 前 言第6页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日5、仿生学的研究范围 经过大自然千百万年的精雕细琢，生物体结构与功能的优异之处是数不胜数的。家猫黑夜捉老鼠，老马千里识返途，骆驼数里能闻水，候鸟万里年年飞。因此，仿生学的研究内容极其

4、广泛，无论是宏观的，还是微观的，整体的还是局部的，无论是结构还是功能，只要生物系统比技术系统有明显的优点，值得人们去模仿，都是仿生学的研究内容。第1节 前 言第7页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日6、仿生学的研究分支 第1节 前 言信息仿生学控制仿生学力学仿生学化学仿生学医学仿生学拟态仿生学整体仿生学第8页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日7、仿生学研究的特点 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

5、程及系统科学等。第1节 前 言第9页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日8、仿生学的研究方法（仿生研究三步曲，重要环节在于建立各种模型，关键在于技术模型的建立） 首先，在对生物的某种结构与功能进行仔细研究并有了清楚了解的基础上，除去一些无关因素并加以简化，提出一个生物模型（Biological model）（又称生物原型Living prototype）； 然后，将有关生物模型的实验资料翻译成数学语言，用数学公式来表达，变成具有普遍意义的数学模型(mathematical model); 最后，根据这个数学模型，或直接根据生物原型，用电子电路、机械结构、化学结构等各种手段制作

6、出可以在工程技术上进行实验的实物模型，经过反复实验，特别是经过生物学实验的验证、改进而发展成各种技术模型（technological model），最终实现对生物系统的工程模拟（Engineering simulating）。第1节 前 言第10页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日生物体生物模型Biological Model,又称生物原型 Living Prototype数学模型,Mathematical model技术模型,Technological Model工程模拟Engineering Simulating,亦即生产出“技术装置”第1节 前 言第11页，共62页，

7、2022年，5月20日，21点2分，星期日数学模拟生物科学电子技术9、仿生学符号（仿生学=生物模型+数学模拟+技术模型） 第1节 前 言第12页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日 是目前仿生学研究的重点。研究的是生物机构与外界环境、生物个体之间、生物体内部各部分之间的信息接收、存储、处理与利用的机理，以及将其移植于技术系统之中的方法，并最终制成类似与生物系统的计算系统、信息接收和处理系统。研究内容包括细胞内和细胞间通信、动物间通信、机体的信息存储与提取，感觉器官的机理和人工智能(Artificial Intelligence, AI)。第2节 信息仿生学第13页，共62页，

8、2022年，5月20日，21点2分，星期日1、事例.从蛙眼与到电子蛙眼.从水母耳到电子耳第2节 信息仿生学第14页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日2、动物的视觉器官 眼睛是人的最重要的感觉器官，从外界进入人脑的信息，有90%以上来自眼睛。大部分信息是在视网膜中进行处理的。经过视细胞、双极细胞、输出细胞（神经节细胞）等视网膜组分处理和选择后形成的光学图像被送往大脑中枢，在那里，经综合后便可感知眼睛所见到的完整图像。100万个视细胞50万个输出细胞100万个双极细胞第2节 信息仿生学第15页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日3、蛙眼与电子蛙眼-青蛙的视觉系

9、统第2节 信息仿生学 青蛙的眼睛含有多种视觉细胞,可分别取得图象的不同特征.这种特殊结构使得青蛙只对运动的物体敏感,对静止的东西则“视而不见”.模仿这一机理制成的多用途“电子蛙眼”，可用于多种技术系统，如飞行中的飞机与导弹的识别、人造卫星自反差跟踪系统；鸽眼视觉细胞具有识别定向运动的特性，用这一原理制成的雷达系统，可以监视国境或机场外来飞行器的侵入等。第16页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日 模仿生物体听觉器官的生理机能，可以改善技术系统的输入装置、建立新型通讯和自动控制系统。有一种研制成功的电子耳（electronic ear），由500个电子神经元和15个滤波器组成，

10、将它用于一种通讯系统后，可以把600个电话通道压缩成一个通道，大大提高传输效率。4、生物听觉系统与电子耳第2节 信息仿生学第17页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日海洋漂浮生物水母（俗称海蜇）的听觉器官，可以感应次声波（infrasonic wave，一种人耳不能感觉的低频率波，由风暴时快速流动的空气与海水波浪相摩擦产生的），因而模仿其原理制造的“水母耳”风暴预测仪可以提前15个小时准确预报风暴方向与强度。5、水母耳与电子耳第2节 信息仿生学第18页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日 人和动物体内存在着许多结构小巧、功能完善、精确可靠的自动控制系统（如人

11、的体温基本恒定在37），以保证新陈代谢的正常进行、对内外环境的适应以及整个机体的协调统一。研究生物机体控制系统的结构与功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新型的自动控制系统，就是控制仿生学的研究内容。当前研究较多的是体内稳态（entatic state）、反馈调节（feedback）、肢体运动控制、动物的定向与导航、生态系统的涨落以及人-机合作（man-machine teamwork）。第3节 控制仿生学第19页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日1、事例.蛇的红外探测.蝙蝠与超声波.动物的天然导航第3节 控制仿生学第20页，共62页，2022年，5月20日，21点2分

12、，星期日蛇田鼠热血动物身体向外散热蛇通过感受器探测到热源2、蛇的红外探测第3节 控制仿生学第21页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日颊窝de位置颊窝（Jia wo）是一个红外感受器，对周围温度变化极为敏感，能感受0.001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。3、蛇的红外探测第3节 控制仿生学第22页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日飞行中的蝙蝠超声波声音反射波蛾4、蝙蝠与超声波-蝙蝠的捕食第3节 控制仿生学第23页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日超声信号被反射5、蝙蝠与超声波-蝙蝠的回声定位第3节 控制仿生学第24

13、页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日脑6、蝙蝠的回声探测器-蝙蝠的声纳信息处理原理参考波刺激接受器载有信息的超声波发出的超声波第3节 控制仿生学发送器第25页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日、动物的天然导航一些动物利用日月星辰导航，也有些动物利用海流、海水成分、地磁场、重力场等进行导航，这些为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪。第3节 控制仿生学第26页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日千里迁徙万里洄游、动物的天然导航第3节 控制仿生学第27页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日1、定义：生物界中普遍存在着拟态。拟

14、态是生物体对环境适应的一种方式，它是指动物的体色与环境色泽相似，或没有抗敌害能力的动物长得像有“本领”的动物而“以假乱真”，以躲避天敌或成功捕食。将拟态原理应用于工程技术就叫拟态仿生。拟态仿生在军事中应用广泛。第4节 拟态仿生学第28页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日2、拟态仿生-动物的拟态与保护色第4节 拟态仿生学第29页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日3、拟态仿生坦克的迷彩伪装，分保护迷彩、变形迷彩、仿造迷彩第4节 拟态仿生学第30页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日三色迷彩的德国“豹”I坦克在电视成像下的效果4、拟态仿生-坦

15、克的迷彩伪装第4节 拟态仿生学第31页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日 研究和模拟的是生物机体外部形态和内部结构的力学原理。研究最多的是植物的茎、叶及动物体形、肌肉、骨骼的结构力学（structural mechanics）原理，以及动物的飞行、游泳、血液循环系统的流体力学（hydromechanics）原理。第5节 力学仿生学第32页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日1、事例.生物与航海.生物与航空.生物与建筑第5节 力学仿生学第33页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日2、生物与航海-轮船对海洋生物体形的模仿模仿鳕鱼、鲇(nian

16、)鱼外形建造的“复仇号”帆船第5节 力学仿生学第34页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日3、生物与航海-轮船对海洋生物体形的模仿第5节 力学仿生学第35页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日4、生物与航海-轮船对海洋生物体形的模仿俄罗斯海军新型核潜艇第5节 力学仿生学第36页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日 5、生物与航海-轮船对海洋生物结构的模仿模仿鲸的胸鳍(qi)给船装上了船鳍第5节 力学仿生学第37页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日6、生物与航海-轮船对海洋生物结构的模仿模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液

17、，以减小湍流第5节 力学仿生学第38页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日7、生物与航海-轮船对海洋生物结构的模仿潜水艇在航行时会造成巨大的湍(tuan)流海豚游泳时身边的湍(tuan)流很小第5节 力学仿生学第39页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日人造海豚皮构造图8、生物与航海-轮船对海洋生物结构的模仿海豚皮肤构造模式图第5节 力学仿生学第40页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日鹰击长空啸傲云天9、生物与航空第5节 力学仿生学第41页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日10、生物与航空-飞鸟与飞机达芬奇设计的扑翼飞

18、机第5节 力学仿生学第42页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日 飞机在滑进飞行时与飞鸟飞行时的体形和翅膀极为相似。11、生物与航空-飞鸟与飞机第5节 力学仿生学第43页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日12、生物与航空-昆虫与飞机现代先进的飞机能够模仿昆虫在空中作各种花样演习第5节 力学仿生学第44页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日13、生物与航空-昆虫与飞机昆虫翅膀的运动 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。第5节 力学仿生学第45页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日14、生

19、物与航空-昆虫与飞机飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤第5节 力学仿生学第46页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日艺术珍品澳大利亚悉尼歌剧院15、生物与建筑薄壳结构：薄而耐压，省材而强度大，同时外观美丽第5节 力学仿生学第47页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日东京中银舱体楼16、生物与建筑舱体结构:模仿植物叶片空间配置,利于采光。第5节 力学仿生学第48页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日17、生物与建筑圆顶屋：外形美观，光线明亮，空气流通，结构完整，节省材料。 美国佛罗里达的 未来世界博物馆第5节 力学仿生学第49页，共62页，202

20、2年，5月20日，21点2分，星期日 研究和模拟的是生物体中的各类化学反应,包括酶学(enzymology)原理、选择性生物膜(biomembrane)、生物结构的能量转化、生物发光(bioluminescence)、生物发电（bioelectricity）等。第6节 化学仿生学第50页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日1、事例.人工嗅觉（电子鼻）.仿生物膜(人工膜)药物等化学物质的仿生合成人工昆虫信息激素第6节 化学仿生学第51页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日狗的嗅觉：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上的气

21、味辨别蛋白，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，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。2、动物嗅觉-狗的嗅觉过程第6节 化学仿生学第52页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日3、人工嗅觉-嗅敏检测仪，俗称“电子鼻”采集系统嗅敏元件放大系统报警系统报警系统电源嗅敏电阻：一类以SnO2（氧化锡）为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料。第6节 化学仿生学第53页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日4、生物膜的选择吸收-细胞膜的结构特点(S. Jon Singer和Garth Nicolson提出液态镶嵌模型，Singer-Nicolson fluid mosaic membrane model)蛋白分子磷脂分子镶嵌蛋白跨膜蛋白(形成通道)跨膜蛋白 细胞膜的流动镶嵌模型：(1)脂双层形成框架；(2)蛋白质镶嵌其中；(3)具有动态特点。第6节 化学仿生学第54页，共62页，2022年，5月20日，21点2分，星期日5、仿生物膜-人工膜人工膜的特点：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）。第6节 化学仿生学第55页，共62页，2022年，5月20日，2