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1、开启新技术的钥匙开启新技术的钥匙第六章第六章主主主主 要要要要 内内内内 容容容容 仿生学简介仿生学简介 信息仿生信息仿生 控制仿生控制仿生 拟态仿生拟态仿生 力学仿生力学仿生 化学仿生化学仿生 整体仿生整体仿生 中国古汉文中的仿生思想中国古汉文中的仿生思想 一、仿生学简介一、仿生学简介 凤蓬草凤蓬草 轮子轮子鱼鱼 尾尾 船橹船橹人眼晶状体人眼晶状体 透镜透镜生物电生物电 电池电池飞飞 鸟鸟 飞机飞机生生 活活 中中 的的 仿仿 生生 学学 仿仿 生生 学学模仿生物系统的原理以建造技术系统，或使人模仿生物系统的原理以建造技术系统，或使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科造技术系统具有生物
2、系统特征或类似特征的科学学。植物、动物在几百万年的自然进化中，已完全植物、动物在几百万年的自然进化中，已完全适应自然，一些相似功能，甚至超越了人类的适应自然，一些相似功能，甚至超越了人类的技术设计方案技术设计方案。仿生学是一门综合性学科，涉及生物学、物仿生学是一门综合性学科，涉及生物学、物理学、数学、物理学、化学、控制论、信息理学、数学、物理学、化学、控制论、信息学、工程学等学科领域。学、工程学等学科领域。飞机飞机苍耳苍耳锯齿草、螳螂锯齿草、螳螂苍蝇苍蝇水母水母生物学生物学 仿生学符号仿生学符号数数 学学 物理学物理学 二、信息仿生二、信息仿生二、信息仿生二、信息仿生信息仿生就是把生物信息处理
3、原理应用到现代信息仿生就是把生物信息处理原理应用到现代技术系统中。技术系统中。信息仿生是研究与模拟生物的感觉器官、神经信息仿生是研究与模拟生物的感觉器官、神经元、神经网络，以及高级中枢的智能活动等的元、神经网络，以及高级中枢的智能活动等的信息处理过程。信息处理过程。青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼由透镜由透镜(晶状体晶状体)在在视网膜上形成光学视网膜上形成光学图像后，经过视细图像后，经过视细胞、双极细胞、输胞、双极细胞、输出细胞出细胞(神经节细胞神经节细胞)而送往大脑中枢。而送往大脑中枢。青蛙的视觉青蛙的视觉边缘侦查器边缘侦查器边缘侦查器边缘侦查器昆虫侦察器昆虫侦察器昆虫侦察器昆虫侦察器事件侦察器
4、事件侦察器事件侦察器事件侦察器光强减弱感受器光强减弱感受器光强减弱感受器光强减弱感受器电子蛙眼电子蛙眼 水母与电子耳水母与电子耳水母即海蜇，是古老的水母即海蜇，是古老的 低等海洋腔肠动物。低等海洋腔肠动物。水母耳朵的共振腔里的水母耳朵的共振腔里的 细柄上有个小球，小球细柄上有个小球，小球 腔的腔的“听石听石”刺激球壁的神经感受器，成为水刺激球壁的神经感受器，成为水母的听觉。母的听觉。水母耳的听石能够感受到风暴前的次声波，可水母耳的听石能够感受到风暴前的次声波，可提前十几个小时预测风暴。提前十几个小时预测风暴。水母耳风暴预测仪水母耳风暴预测仪 三、控制仿生三、控制仿生三、控制仿生三、控制仿生生物
5、体的自动控制系统，能保证新陈代谢的正生物体的自动控制系统，能保证新陈代谢的正常运行、对内外环境的适应以及整个机体的协常运行、对内外环境的适应以及整个机体的协调统一。调统一。结构小巧、功能完善、精确可靠。结构小巧、功能完善、精确可靠。控制仿生是将生物信息处理原理应用到现代技控制仿生是将生物信息处理原理应用到现代技术系统中。术系统中。蛇与红外探测蛇与红外探测蛇是爬行动物，身体细长，四肢退化，无足、蛇是爬行动物，身体细长，四肢退化，无足、无可活动的眼睑，无耳孔，无四肢，无前肢带，无可活动的眼睑，无耳孔，无四肢，无前肢带，身体表面覆盖有鳞。身体表面覆盖有鳞。任何物体的温度高于绝对零度任何物体的温度高于
6、绝对零度(273.16)273.16)，便会向外发出红外辐射，随着温度的增高，其便会向外发出红外辐射，随着温度的增高，其红外辐射也增强。红外辐射也增强。颊窝颊窝 颊窝是一个红外感受颊窝是一个红外感受器，对周围温度变化器，对周围温度变化极为敏感，能感受极为敏感，能感受 0.0010.001的温度变化。的温度变化。这类蛇能在夜间准确这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的判断周围恒温动物的位置。位置。蛇蛇田鼠田鼠热血动物身热血动物身体向外散热体向外散热蛇通过感蛇通过感受器探测受器探测到热源到热源 红外探测器红外探测器响尾蛇红外制导导弹响尾蛇红外制导导弹 蝙蝠与超声波蝙蝠与超声波蝙蝠是哺乳动物，有特长的
7、指骨，其末端生有蝙蝠是哺乳动物，有特长的指骨，其末端生有薄而柔软的膜。薄而柔软的膜。蝙蝠是益兽，白天在屋洞或岩隙缝中栖息，早蝙蝠是益兽，白天在屋洞或岩隙缝中栖息，早晨和晚上捕食害虫。晨和晚上捕食害虫。蝙蝠具有在黑暗中准确捕食的非凡本领。蝙蝠具有在黑暗中准确捕食的非凡本领。回声定位回声定位-蝙蝠飞行蝙蝠飞行时，从喉内发出脉冲时，从喉内发出脉冲超声波。当超声波被超声波。当超声波被物体挡住后反射回来，物体挡住后反射回来，蝙蝠能接收到这种超蝙蝠能接收到这种超声波，即可准确地判声波，即可准确地判断出障碍物或食物的断出障碍物或食物的距离、大小。距离、大小。飞行中的蝙蝠飞行中的蝙蝠超声波超声波蛾蛾声音反射波
8、声音反射波盲人盲人“探路仪探路仪”盲人盲人“眼镜眼镜”夜蛾与反雷达技术夜蛾与反雷达技术夜蛾多是农业害虫。夜蛾多是农业害虫。夜蛾能接收蝙蝠的超夜蛾能接收蝙蝠的超声波，做好逃亡准备。声波，做好逃亡准备。夜蛾能发出超声波，夜蛾能发出超声波，干扰蝙蝠。干扰蝙蝠。弱小的夜蛾凭借反雷弱小的夜蛾凭借反雷达技术死里逃生。达技术死里逃生。动物的天然导航动物的天然导航动物可利用日月星辰动物可利用日月星辰导航；导航；动物也可利用海流、动物也可利用海流、海水成分、地磁场、海水成分、地磁场、重力场等导航；重力场等导航；可研制通讯设备和新可研制通讯设备和新型导航仪器。型导航仪器。振动陀螺仪振动陀螺仪 千里迁徙千里迁徙万里
9、洄游万里洄游四四四四、拟态仿生拟态仿生拟态仿生拟态仿生生物界中普遍存在着拟态，拟态是生物体对环生物界中普遍存在着拟态，拟态是生物体对环境适应的一种方式。境适应的一种方式。将拟态用于工程技术，就是拟态仿生。将拟态用于工程技术，就是拟态仿生。动物的拟态与保护色动物的拟态与保护色 坦克的迷彩伪装坦克的迷彩伪装保保 护护 迷迷 彩彩 三色迷彩的德国三色迷彩的德国“豹豹”I I坦克坦克 坦克的迷彩伪装坦克的迷彩伪装五、力学仿生五、力学仿生五、力学仿生五、力学仿生力学仿生是研究模拟生物体大体结构与精细结力学仿生是研究模拟生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体构的静力学性质，以及生物
10、体各组成部分在体内相互运动和生物体在环境中运动的力学性质。内相互运动和生物体在环境中运动的力学性质。生物与造船生物与造船“复仇号复仇号”帆船帆船体形的模仿体形的模仿鱼雷鱼雷 俄罗斯新型核潜艇俄罗斯新型核潜艇 模仿鱼胸鳍制作的船鳍模仿鱼胸鳍制作的船鳍结结构构的的模模仿仿模仿鱼、鲸的体表粘液合模仿鱼、鲸的体表粘液合成人工粘液，以减小湍流成人工粘液，以减小湍流五、力学仿生五、力学仿生五、力学仿生五、力学仿生力学仿生是研究模拟生物体大体结构与精细结力学仿生是研究模拟生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相互运动和生物体在环境中运动的力学
11、性质。内相互运动和生物体在环境中运动的力学性质。生物与造船生物与造船生物与飞机生物与飞机 鸟与飞机鸟与飞机达达 芬奇设计的扑翼飞机芬奇设计的扑翼飞机飞鸟的体形和翅膀在飞鸟的体形和翅膀在滑进飞行时与飞机的滑进飞行时与飞机的飞行极为相似飞行极为相似 昆虫与飞机昆虫与飞机昆虫飞行时翅膀昆虫飞行时翅膀的运动很复杂，的运动很复杂，其角度的变化控其角度的变化控制比飞行自动驾制比飞行自动驾驶仪还好。驶仪还好。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 现代现代飞机飞机能模能模仿昆仿昆虫在虫在空中空中花样花样表演表演五、力学仿生五、力学仿生五、力学仿生五、力学仿生力学仿生是研究模拟生物体大体
12、结构与精细结力学仿生是研究模拟生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相互运动和生物体在环境中运动的力学性质。内相互运动和生物体在环境中运动的力学性质。生物与造船生物与造船生物与飞机生物与飞机生物与建筑。生物与建筑。埃菲尔铁塔埃菲尔铁塔薄壳结构薄壳结构蛋壳、鸟龟壳、贝壳等，都有弯曲的表面，蛋壳、鸟龟壳、贝壳等，都有弯曲的表面，很耐压，就是薄壳结构。很耐压，就是薄壳结构。薄壳结构省料、刚度大，外观能做成各种美薄壳结构省料、刚度大，外观能做成各种美丽的流线型造型，广泛用于各种大跨度的建丽的流线型造型，广泛用于各种大跨度的建筑物中。筑物
13、中。澳大利亚悉尼歌剧院澳大利亚悉尼歌剧院 舱体结构舱体结构蛋壳、鸟龟壳、贝壳等，都有弯曲的表面，蛋壳、鸟龟壳、贝壳等，都有弯曲的表面，很耐压，就是薄壳结构。很耐压，就是薄壳结构。薄壳结构省料、刚度大，外观能做成各种美薄壳结构省料、刚度大，外观能做成各种美丽的流线型造型，广泛用于各种大跨度的建丽的流线型造型，广泛用于各种大跨度的建筑物中。筑物中。东京中银舱体楼东京中银舱体楼 杭州黄龙饭店杭州黄龙饭店 圆圆 顶顶 屋屋海海 胆胆 美国佛罗里达州美国佛罗里达州未来世界博物馆未来世界博物馆 仿生态建筑仿生态建筑19921992年，德国慕尼黑出现了第一座仿生态建筑。年，德国慕尼黑出现了第一座仿生态建筑。
14、屋顶是草地，能隔热和吸收噪音；屋顶是草地，能隔热和吸收噪音；聚光镜能采集阳光，用以发电、烧水；聚光镜能采集阳光，用以发电、烧水；暖房的植物提供清醒的空气；暖房的植物提供清醒的空气；收集雨水净化成食用水；收集雨水净化成食用水；用天然木材作建筑材料，使用天然涂料，避免了用天然木材作建筑材料，使用天然涂料，避免了污染。污染。生命建筑生命建筑未来的建筑将是有生命特征的。未来的建筑将是有生命特征的。具有知觉，能够感知内、外状态的变化并准具有知觉，能够感知内、外状态的变化并准确地做出反应；确地做出反应；具有具有“神经系统神经系统”，能观察、预报建筑物内，能观察、预报建筑物内部的隐患，并迅速做出反应。部的隐
15、患，并迅速做出反应。六、六、六、六、化学仿生化学仿生化学仿生化学仿生研究和模拟生物体内的各类生物化学反应，研究和模拟生物体内的各类生物化学反应，就是化学仿生。就是化学仿生。人工合成物质人工合成物质 天然物质：吗啡、奎宁、天然物质：吗啡、奎宁、利血平。利血平。人工合成物质：普罗美多。人工合成物质：普罗美多。人工合成物质与天然物质，人工合成物质与天然物质，在分子结构上类似、生物在分子结构上类似、生物活性上相同，效果更理想。活性上相同，效果更理想。六、六、六、六、化学仿生化学仿生化学仿生化学仿生研究和模拟生物体内的各类生物化学反应，研究和模拟生物体内的各类生物化学反应，就是化学仿生。就是化学仿生。人
16、工合成物质人工合成物质人工嗅觉人工嗅觉 狗鼻里的雾受一种蛋白质狗鼻里的雾受一种蛋白质的控制，能将气味分子浓的控制，能将气味分子浓缩后传送给鼻子里的气味缩后传送给鼻子里的气味感受器上，气味感受器的感受器上，气味感受器的气味辨别蛋白对不同的气气味辨别蛋白对不同的气味进行辨别，被辨别出的味进行辨别，被辨别出的特定气味信号，立即被嗅特定气味信号，立即被嗅觉细胞传递到大脑，便确觉细胞传递到大脑，便确认气味的种类。认气味的种类。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 嗅敏电阻嗅敏电阻 是一类以是一类以SnOSnO2 2为主体的金属为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料半导体，它是一种
17、表面效应很强的材料放大放大系统系统电源电源报警系统报警系统报警系统报警系统嗅敏检测仪嗅敏检测仪六、六、六、六、化学仿生化学仿生化学仿生化学仿生研究和模拟生物体内的各类生物化学反应，研究和模拟生物体内的各类生物化学反应，就是化学仿生。就是化学仿生。人工合成物质人工合成物质人工嗅觉人工嗅觉仿生物膜仿生物膜 细胞膜的结构特点细胞膜的结构特点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 人工膜的化学组成和厚人工膜的化学组成和厚度与天然膜相似。度与天然膜相似。能有效地分开两种不同能有效地分开两种不同的水相；的水相；具有结构和化学两侧不具有结构和化学
18、两侧不对称性，易于操作，能对称性，易于操作，能用来研究膜的向量功能用来研究膜的向量功能(传递传递)。七、整体仿生七、整体仿生七、整体仿生七、整体仿生机器人机器人机器人是能模拟人部分功能的机器。机器人是能模拟人部分功能的机器。其体内装有微型计算机，在接受指令后，即可其体内装有微型计算机，在接受指令后，即可开始执行任务。开始执行任务。类人机器人、动物机器人、智能机器人。类人机器人、动物机器人、智能机器人。智能机器人安装有传感装置智能机器人安装有传感装置(视觉、触觉、听觉视觉、触觉、听觉)，能与环境进行交谈，可在复杂的环境中，能与环境进行交谈，可在复杂的环境中“生生存存”。智能机器人广泛应用于工业、
19、农业、矿业、天智能机器人广泛应用于工业、农业、矿业、天空、海洋、文娱、体育、医疗、服务等领域。空、海洋、文娱、体育、医疗、服务等领域。机器人从月球土壤中提取气体机器人从月球土壤中提取气体 机器人检修宇宙飞船机器人检修宇宙飞船七、整体仿生七、整体仿生七、整体仿生七、整体仿生机器人机器人智能计算机智能计算机智能计算机是知识处理的智能计算机是知识处理的一种工具。一种工具。是现代计算技术、通信技是现代计算技术、通信技术、人工智能和仿生学的术、人工智能和仿生学的有机结合。有机结合。能摹拟人类的某些智能，能摹拟人类的某些智能，如感觉、推理、数学模型如感觉、推理、数学模型的建立、图像的识别等。的建立、图像的
20、识别等。自自然然语语言言语语音音图图形形图图像像信信息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内核核软软件件（智智能能操操作作系系统统、编编译译系系统统等等）并并行行处处理理体体系系结结构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入入 机接口机接口软软 件件硬硬 件件七、整体仿生七、整体仿生七、整体仿生七、整体仿生机器人机器人智能计算机智能计算机生物计算机生物计算机 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，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从而使它成为一种具有永久性的不出故障元件；元件；只要用少量的能量就能工作，不存在发热只要用少量的能量就能工作，不存在发热问题。问题。