132仿生学-大自然的赏赐课件.ppt

1、开启新技术的钥匙开启新技术的钥匙中国古汉文中的仿生思想中国古汉文中的仿生思想前言一、仿生学简介一、仿生学简介 仿生学之起源仿生学之起源 1960年9月13日，一门新的科学诞生了。这一天，在美国召开了第一届仿生学讨论会，有30名讲演者和大约700名听众参加了这次会议。会上，斯蒂尔博士为仿生学下了这样的定义：“仿生学是模仿生物系统的原理仿生学是模仿生物系统的原理来建来建 造技术系统，或者使人造的技术系统具有或类似于造技术系统，或者使人造的技术系统具有或类似于生物系统特征的科学生物系统特征的科学。”简单一句话，仿生学就是“模仿生物的科学模仿生物的科学”。仿生学仿生学(Bionics)模仿生物系统的原

2、理以建造技术系统，或者使人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造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学.仿生学的应用z电子眼的应用z水母的“顺风耳”z“炮弹”甲虫z发光的荧光虫z长颈鹿对血压的控制z蝙蝠与雷达z蜻蜓与仿生学 蜂巢中的几何 电鱼与伏特电池“逐臭之夫”苍蝇前言二二.仿生学研究仿生学研究仿生学仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合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。学、数学、电子学、信息学等学科。仿生学的相关领域仿生学的相关领域前言生物体生

3、物体生物模型生物模型数学模型数学模型技术模型技术模型技术装置技术装置仿生学的研究方法仿生学的研究方法信息仿生青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼神经节细胞有神经节细胞有4种：种：“边缘侦察器边缘侦察器”“”“昆昆虫侦察器虫侦察器”、“事件事件侦察器侦察器”、“光强减光强减弱感受器弱感受器”青蛙的视觉系统青蛙的视觉系统 青蛙的眼睛是看不见（或说看不清）静止的东西的青蛙的眼睛和一般动物的眼睛不一样，它是专门看运动着的物体的。不动的蛾子、苍蝇在蛙眼中竟然是毫无反应，然而，只要蛾子一动，青蛙就会立即发现它，并根据它的飞行方向和速度，一跃而起捕食到口。无怪乎有些动物学家开玩笑地说，青蛙是喜欢吃苍蝇的，可是，青蛙

4、要是坐在死苍蝇堆里也会饿死。青蛙的眼睛还有一种特殊的本领，可以识别不同的图像。它可以在各种形状的飞动着的小动物里，立即识别出它最喜欢吃的苍蝇，而那些飞动着的小动物静止不动的背景却在青蛙眼里没有反应。就是说，蛙眼不像照相机，可以一点不漏地把镜头前的景物统统照下来，它只看到对它有用的景物。蛙眼能够敏捷地发现运动着的目标，迅速判断目标的位置、运动方向和速度，并且立即选择最好的攻击姿态和攻击时间。信息仿生“水母耳水母耳”风暴预测仪风暴预测仪水母耳与电子耳水母耳与电子耳z水木耳可提前15小时左右预报风暴。它由喇叭、接受次声波的共振器和把这种振动转变为电脉冲的转换器以及指示器组成。将这种仪器安装在船的前甲

5、板上，喇叭做360旋转。当它接收到8赫兹13赫兹的次声波时，旋转自动停止，喇叭所指示的方向，就是风暴将要来临的方向。指示器还可以告诉人们风暴的强度。这对航海与渔业生产有重要意义。控制仿生蛇蛇田鼠田鼠热血动物身体热血动物身体向外散热向外散热蛇通过感受器蛇通过感受器探测到热源探测到热源蛇的红外探测蛇的红外探测控制仿生颊窝颊窝颊窝颊窝是一个红外感受器，是一个红外感受器，对周围温度变化极为敏感，对周围温度变化极为敏感，能感受能感受0.001的温度变化。的温度变化。这类蛇能在夜间准确判断这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的位置周围恒温动物的位置蛇的红外探测蛇的红外探测控制仿生飞行中的蝙蝠飞行中的蝙蝠超声

6、波超声波声音反射波声音反射波蛾蛾蝙蝠的捕食蝙蝠的捕食蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波控制仿生蝙蝠的回声定位蝙蝠的回声定位超声信号被反射超声信号被反射蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波脑脑控制仿生蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波蝙蝠的声纳处理蝙蝠的声纳处理参考波刺激参考波刺激接受器接受器载有信息载有信息的超声波的超声波发出的发出的超声波超声波控制仿生夜蛾的反雷达技术夜蛾的反雷达技术反雷达技术使夜蛾死里逃生反雷达技术使夜蛾死里逃生控制仿生夜蛾的反雷达技术夜蛾的反雷达技术鼓膜器鼓膜器鼓膜器鼓膜器 振动器振动器胸神经节胸神经节听觉系统听觉系统接收超声波信号接收超声波信号 夏日的夜晚，蝙蝠正在追逐一只夜蛾。眼看夜蛾就要束手就擒，

7、只见它一个急转弯，接着几个翻转动作，一下子钻进草丛深处，溜之大吉了。原来，蝙蝠是利用超声波“雷达”发现目标。而夜蛾专门有一套反雷达装置鼓膜器，长在胸腹间，里面有许多高度灵敏的神经细胞，在30米远处就能接收蝙蝠发出的超声波，使自己能有充裕的时间巧妙避开蝙蝠的追捕。军事工程师通过对夜蛾截听、干扰和吸收蝙蝠超声波能力的研究，制造了各种类型的无线电干扰机，安装在舰艇或飞机上，进行电子对抗，使对方无法发现踪影。控制仿生千里迁徙千里迁徙万里洄游万里洄游动物的天然导航动物的天然导航控制仿生动物的天然导航动物的天然导航一些动物利用日月星辰一些动物利用日月星辰导航，也有些动物利用导航，也有些动物利用海流、海水成

8、分、地磁海流、海水成分、地磁场、重力场等进行导航，场、重力场等进行导航，为研制通讯设备和新型为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪导航仪器提供启迪定义定义 生物界中普遍存在着拟态，现将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用于工程技术中去就叫拟态仿生拟态仿生拟态仿生动物的拟态与保护色动物的拟态与保护色拟态仿生拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装坦克的迷彩着装三色迷彩的德国三色迷彩的德国“豹豹”I I坦克在电视成像下的效果坦克在电视成像下的效果拟态仿生拟态仿生拟态仿生坦克的迷彩着装坦克的迷彩着装力学仿生生物与造船生物与造船模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的“复仇号复仇号”

9、帆船帆船体形的模仿体形的模仿力学仿生生物与造船生物与造船体形的模仿体形的模仿力学仿生生物与造船生物与造船体形的模仿体形的模仿俄罗斯海军新型核潜艇俄罗斯海军新型核潜艇力学仿生生物与造船生物与造船模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍结构的模仿结构的模仿力学仿生生物与造船生物与造船结构的模仿结构的模仿模仿鱼和鲸体表粘液合成了几模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液，以减小湍流种人工粘液，以减小湍流力学仿生生物与造船生物与造船结构的模仿结构的模仿潜水艇在航行时会潜水艇在航行时会造成巨大的湍流造成巨大的湍流海豚游泳时身海豚游泳时身边的水流很小边的水流很小力学仿生鹰击长空鹰击长空啸傲云天啸傲

10、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达芬奇设计的扑翼飞机飞鸟与飞机飞鸟与飞机力学仿生生物与飞机飞鸟与飞机飞鸟与飞机飞鸟的体形和翅膀飞鸟的体形和翅膀在滑进飞行时与飞在滑进飞行时与飞机的飞行极为相似机的飞行极为相似力学仿生生物与飞机 现代先进的飞机现代先进的飞机能够模仿昆虫在空中能够模仿昆虫在空中作各种花样演习作各种花样演习.昆虫与飞机昆虫与飞机力学仿生生物与飞机昆虫与飞机昆虫与飞机昆虫翅膀的运动昆虫翅膀的运动昆虫飞行时翅膀的运动昆虫飞行时翅膀的运动很复杂，其角度的变化很复杂，其角度的变化控制比目前的飞行自动控制比目前的飞行自动驾驶仪还好驾驶仪还好力学仿生生物与飞机昆虫与飞机昆虫与

11、飞机飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤力学仿生薄壳结构薄壳结构艺术珍品艺术珍品澳大利亚悉尼歌剧院澳大利亚悉尼歌剧院生物与建筑东京中银舱体楼东京中银舱体楼力学仿生生物与建筑舱体结构舱体结构力学仿生生物与建筑圆顶屋圆顶屋 美国佛罗里达的美国佛罗里达的 未来世界博物馆未来世界博物馆化学仿生狗的嗅觉过程狗的嗅觉过程狗的嗅觉狗的嗅觉 狗的鼻子里的雾受一种蛋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味辨别蛋白，当子里的气味感受器上的气味辨别蛋白，当气味辨别蛋白将不同的气味辨别后，被辨气味辨别蛋白将不同的气味

12、辨别后，被辨别出的特定的气味信号，立即被嗅觉细胞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传递给大脑，大脑便知道了所闻到的是一种什么气味种什么气味人工嗅觉化学仿生人工嗅觉嗅敏检测仪嗅敏检测仪采集采集系统系统嗅敏嗅敏元件元件放大放大系统系统报警系统报警系统报警系统报警系统电源电源嗅敏电阻嗅敏电阻是一类以是一类以SnO2为主体的金属半为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料导体，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细胞膜的结构特点仿生物膜蛋白分子蛋白分子磷脂分子磷脂分子镶嵌蛋白镶嵌蛋白跨膜蛋白跨膜蛋白(形成通道形成通道)跨膜蛋白跨膜蛋白细胞膜的细胞

13、膜的流动镶嵌流动镶嵌模型：模型：(1)脂双层形脂双层形成框架；成框架；(2)蛋白质蛋白质镶嵌其中；镶嵌其中；(3)具有动具有动态特点态特点化学仿生仿生物膜人工膜人工膜人工膜的特点人工膜的特点 化学组成和厚度与天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；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，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）能用来研究膜的向量功能（如传递等）机器人检修宇宙飞船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自动化机器人从月球土壤中提取气体自动化机器人从月球土壤中提取气体智能机器人整体仿

14、生智能机器人自然语言自然语言语音语音图形图形图像信息图像信息知识库知识库管理软件管理软件求解问题求解问题推理软件推理软件智能智能接口软件接口软件内核软件（智能操作系统、内核软件（智能操作系统、编译系统等）编译系统等）并行处理体系结构并行处理体系结构知识库知识库硬件硬件推理机推理机硬件硬件智能接智能接口硬件口硬件智能计算机组成智能计算机组成人机接口人机接口软件软件硬件硬件整体仿生智能机器人生物计算机生物计算机生物计算机的特点生物计算机的特点 能制成超高密度的线路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即使芯片中出了故障本身也能修复，从而使它，从而使它 成为一种具有永久性的不出故障元件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只要用少量的能量就能工作，不存在发热问题，不存在发热问题