仿生学

——开启新技术的钥匙前言信息仿生控制仿生拟态仿生力学仿生化学仿生整体仿生目录前言.仿生学的简介.仿生学的研究中国古汉文中的仿生思想前言一、仿生学简介仿生学之起源《三国演义》中有孔明的“木牛流马”每牛载十人所食一月之粮，人不大劳，牛不饮食。鲁班茅草锯宏村是中国古代依据仿生学建造的，具有独特造型的“牛型村落”——“山为牛头树为角，桥为四蹄屋为身”。前言凤蓬草轮子鱼尾船橹人眼晶状体透镜生物电电池鸟飞机生活中的仿生学仿生学(Bionics)模仿生物系统的原理以建造技术系统，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。前言仿生学的概念1960年9月正式诞生，当时美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗？”斯梯尔为新兴的科学命名为“Bionics”，希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”。前言二.仿生学研究仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合性学科，包括生理学、神经学、医学、化学、数学、电子学、信息学等学科。仿生学的相关领域前言生物体生物模型数学模型技术模型技术装置仿生学的研究方法蜂巢蜂巢模型数学分析技术模型蜂巢板数学解剖刀（生物学）电烙铁（电子学）前言仿生学符号.青蛙与电子蛙眼.水母与电子耳信息仿生青蛙与电子蛙眼神经节细胞有4种：“边缘检测器”“凸边（昆虫）检测器”、“反差检测器”、“变暗检测器”青蛙的视觉系统信息仿生青蛙眼睛的视网膜中间细胞层光感受细胞层神经节细胞层成像并转换为神经电信号电信号传给第三层检测影像特征，并将这些电信号编成密码传给大脑信息仿生神经节细胞（检测器）边缘检测器凸边检测器反差检测器变暗检测器信息仿生边缘检测器只对比周围环境亮或暗的景物边缘有反应凸边检测器只对像昆虫那样移动的景物弯曲的凸边有反应反差检测器只对亮度的变化有反应变暗检测器只对光强的减弱即阴影有反应信息仿生信息仿生青蛙与电子蛙眼由透镜（晶状体）在视网膜上形成光学图像后，经过视细胞、双极细胞、输出细胞（神经节细胞）而送往大脑中枢青蛙的视觉系统青蛙的眼睛既对“前端圆圆的快速移动的物体”特别敏感——有这样特征的是它喜欢吃的昆虫，也对那些“有很大的阴影的快速运动”的天敌特别敏感。而对与它的生存没有意义的事物，如不动的或摇动的树木和草叶则都没有反应。信息仿生信息仿生“水母耳”风暴预测仪水母耳与电子耳次声波风暴来临水母很敏感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次声波剌激球壁上的神经感受器水母就知道来临的风暴信息仿生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。信息仿生.蛇的红外探测.蝙蝠与超声波.蛾的反雷达技术.动物的天然导航控制仿生控制仿生蛇田鼠热血动物身体向外散热蛇通过感受器探测到热源蛇的红外探测控制仿生颊窝颊窝是一个红外感受器，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。蛇的红外探测控制仿生飞行中的蝙蝠超声波声音反射波蛾蝙蝠的捕食蝙蝠与超声波控制仿生蝙蝠的回声定位超声信号被反射蝙蝠与超声波脑控制仿生蝙蝠与超声波蝙蝠的声纳处理参考波刺激接受器载有信息的超声波发出的超声波控制仿生夜蛾的反雷达技术反雷达技术使夜蛾死里逃生特殊的鼓膜器30米外的危险信号二个细胞三根神经纤维蝙蝠来自左方超声波到达夜蛾中央神经系统的信号左边要比右过早千分之一秒，强度也较强夜蛾马上准备逃跑并且以特殊的翅膀来减少对蝙蝠所发声波的反射控制仿生振动器一连串“咔嚓”声干扰超声波定位绒毛吸收超声波蝙蝠近在咫尺翻斤斗兜圈子收起翅膀跌在地上无法定位控制仿生控制仿生夜蛾的反雷达技术鼓膜器鼓膜器振动器胸神经节神经纤维气囊听觉细胞感受器鼓膜角质皱折非听觉细胞听觉系统控制仿生千里迁徙万里洄游动物的天然导航控制仿生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，为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪。蚂蚁从甲地乙地天空光去掉偏振４1０纳米以上的光４００纳米以下的光乙地迷路迷路紫外线导航偏光导航但是动物导航的方法并不是每种动物只有一种。科学家把鸽子的眼睛蒙住，结果它仍然能到达目的地，研究发现它是利用了地磁场来定位；相反，通过干扰鸽子的磁场进行试验，它却又利用太阳或星辰完成了任务。看来，动物识途也是多种能力运用的结果。定义生物界中普遍存在着拟态，现将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生拟态仿生拟态仿生拟态仿仿生动物的拟态与保护色螃蟹竹节虫枯叶蝶尺蠖拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装三色迷彩的德国“豹”I坦克在电视成像下的效果拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装.生物与造船.生物与飞机.生物与建筑力学仿生生物与造船体形的模仿古帆船现代帆船力学仿生生物与造船模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的“复仇号”帆船体形的模仿这种船型的特点是将船体水线以下部分建造成丰满的圆头，船尾逐渐变狭窄以有利于水的流动高耸的艉楼与低矮的艏楼则有利于帆船逆风航行，易于转舵抢占上风这些就是“复仇”号线型的特点，也是古帆船与近现代舰船明显不同之处。力学仿生生物与造船体形的模仿力学仿生生物与造船体形的模仿俄罗斯海军新型核潜艇力学仿生生物与造船模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍结构的模仿力学仿生生物与造船结构的模仿模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液，以减小湍流物体在水中行进时，附近液体流动情况可分为三个区域：第一区域，层流，紧靠物体表面，没有漩涡，阻力最小；第二区域，漩涡，离物体一定距离时，层流被破坏而变成湍流，产生了，阻力明显加大；第三区域，在接近尾部的地方，形成更大的漩涡，阻力更大。粘附在鱼体表面的黏液，和第一种区域即层流区相邻。当鱼的游进速度加快时，层流区越来越薄，湍流发生厉害越来越接近鱼体表面时，黏液也就处在水流和鱼体交界的边界层上了。由于黏液的存在，可以把湍流压低下来，从而减少前进的阻力。类似的黏液，涂在船的外壳板上，试验表明它们的确能降低船只前进的阻力。力学仿生生物与造船结构的模仿潜水艇在航行时会造成巨大的湍流海豚游泳时身边的水流很小人造海豚皮构造图力学仿生生物与造船结构的模仿海豚皮肤构造模式图力学仿生鹰击长空啸傲云天生物与飞机力学仿生生物与飞机达芬奇设计的扑翼飞机飞鸟与飞机飞鸟的体形和翅膀在滑进飞行时与飞机的飞行极为相似生物与飞机飞鸟与飞机力学仿生力学仿生生物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昆虫与飞机力学仿生生物与飞机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力学仿生生物与飞机昆虫与飞机飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤力学仿生薄壳结构艺术珍品—澳大利亚悉尼歌剧院生物与建筑东京中银舱体楼力学仿生生物与建筑舱体结构螺旋状排列137°30′28″车前子力学仿生生物与建筑圆顶屋美国佛罗里达的未来世界博物馆力学仿生生物与建筑鸟巢建筑.人工嗅觉.仿生物膜化学仿生化学仿生狗的嗅觉过程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（2亿个嗅觉细胞）的气味辨别蛋白，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。人工嗅觉化学仿生人工嗅觉嗅敏检测仪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是一类以SnO2为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料。化学仿生细胞膜的结构特点仿生物膜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)具有动态特点化学仿生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）。作用医学：替代或协助完成人体部分器官生理功能。如人工肾、人工心肺，辅助性人工肝、人工胰、人造皮肤、人造血管工业：人工模拟设计选择通过性膜，淡化海水或者处理污水机器人检修宇宙飞船整体仿生整体仿生自动化机器自动化机器人从月球土壤中提取气体智能机器人整体仿生智能机器人自然语言\语音\图形\图像信息知识库管理软件求解问题推理软件智能接口软件内核软件（智能操作系统、编译系统等）平行处理体系结构知识库硬件推理机硬件智能接口硬件智能计算机组成人机接口软件硬件生物电脑就是利用生物分子代替硅，实现更大规模的高度集成。传统计算机的芯片是用半导体材料制成的，1毫米见方的硅片上最多不能超过25万个。而生物芯片上生物计算机的元件密度比人的神经密度还要高100万倍，传递信息的速度也比人脑的思维速度快100万倍。智能机器人生物计算机整体仿生整体仿生智能机器人生物计算机生物计算机的特点•能制成超高密度的线路•能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥，即使芯片中出了故障本身也能修复，从而使它成为一种具有永久性的不出故障元件•只要用少量的能量就能工作，不存在发热问题前言信息仿生控制仿生拟态仿生力学仿生化学仿生整体仿生本章小结返回总目录