仿生学的应用科学优秀PPT.ppt

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1、仿生学的应用科学第1页，本讲稿共62页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，本讲稿共62页1 1、仿生学简介、仿生学简介 远在中国古代远在中国古代,劳动人民就在长期的生产和生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活中产生了朴素的仿生思想。如，中国象形文字。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。万物之精巧，愈显其博大精深。第1节 前 言第3页，本讲稿共62页凤蓬草凤蓬草 轮子轮子鱼尾鱼尾 船橹

2、船橹人眼晶状体人眼晶状体 透镜透镜鸟鸟 飞机飞机2、生活中的仿生学第1节 前 言第4页，本讲稿共62页仿生学仿生学(Bionics)“模仿生物系统的原理建造技术系统，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似特征的科学”，亦即，亦即“模仿生物特性的科模仿生物特性的科学。学。”-Dr.Jack Ellwood Steel3、仿生学的概念第1节 前 言第5页，本讲稿共62页4、仿生学的创立1960年年9月月13-15日日,美国美国Dayton的一个空军基地的一个空军基地,第一届美国仿生学第一届美国仿生学讨论会讨论会.在

3、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年代已成为一门独立学科的仿生学在该会上被正式命名名.学科名称定义者学科名称定义者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受过数学和电子学训练的美国军医.Bionics源于希腊语源于希腊语“bion”(生命的方式生命的方式),其词尾其词尾“-ic”则是则是“具有具有性质性质”的意思。的意思。Bionics并非源于并非源于 Bio-和和electronics，所以，仿生学，所以，仿生学Bionics 生物电子学生物电子学Bioelectronics。仿生学的学科基础：生物学仿

4、生学的学科基础：生物学+技术科学。相关学科包括生理学、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、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。统科学等。第1节 前 言第6页，本讲稿共62页5 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

5、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，本讲稿共62页6、仿生学的研究分支 第1节 前 言信息仿生学信息仿生学控制仿生学控制仿生学力学仿生学力学仿生学化学仿生学化学仿生学医学仿生学医学仿生学拟态仿生学拟态仿生学整体仿生学整体仿生学第8页，本讲稿共62页7 7、仿生学研究的特点、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、航海工程及系统科学等。第1节 前 言第9页，本讲

6、稿共62页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、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）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）（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，用数学公式来然后，将有关生物模型的实验资料翻

7、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出可以在工程技术上进行实验的实物模型，经构、化学结构等各种手段制作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（），最终实

8、现对生物系统的工程模拟（Engineering simulating）。）。第1节 前 言第10页，本讲稿共62页生物体生物体生物模型生物模型Biological Model,又称又称生物原型生物原型 Living Prototype数学模型数学模型,Mathematical model技术模型技术模型,Technological Model工程模拟工程模拟Engineering Simulating,亦即生产出亦即生产出“技术装置技术装置”第1节 前 言第11页，本讲稿共62页数学模拟数学模拟生物科学生物科学电子技术电子技术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

9、第12页，本讲稿共62页 是目前仿生学研究的重点。研究的是生物机构与外界是目前仿生学研究的重点。研究的是生物机构与外界是目前仿生学研究的重点。研究的是生物机构与外界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、环境、生物个体之间、生物体内部各部分之间的信息接收、环境、生物个体之间、生物体内部各部分之间的信息接收、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存储、处理与利用的机理，以及将其移植于技术系统之中存储、处理与利用的机理，以及将其移植于技术系统之中存储、处理与利用的机理，以及将其

10、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、信息接的方法，并最终制成类似与生物系统的计算系统、信息接的方法，并最终制成类似与生物系统的计算系统、信息接的方法，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、动物收和处理系统。研究内容包括细胞内和细胞间通信、动物收和处理系统。研究内容包括细胞内和细胞间通信、动物收和处理系统。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间通信、机体的信息存储与提取，感觉器官的机理和人工间通信、机体的信息存储与提取，感觉器官的机理和人工间通信、机体的信息存储与提取，感

11、觉器官的机理和人工智能智能智能智能(Artificial Intelligence,AI)(Artificial Intelligence,AI)。第2节 信息仿生学第13页，本讲稿共62页1、事例、事例.从蛙眼与到电子蛙眼从蛙眼与到电子蛙眼.从水母耳到电子耳从水母耳到电子耳第2节 信息仿生学第14页，本讲稿共62页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

12、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，本讲稿共62页3、蛙眼与电子蛙眼、蛙眼与电子蛙眼-青蛙的视觉系统第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，本讲稿共62页 模仿生物体听觉器官的生理机能，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

13、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。有一种研新型通讯和自动控制系统。有一种研制成功的电子耳（制成功的电子耳（electronic ear），由），由500个电子神经元和个电子神经元和15个滤波器组成，将个滤波器组成，将它用于一种通讯系统后，可以把它用于一种通讯系统后，可以把600个电个电话通道压缩成一个通道，大大提高传输效话通道压缩成一个通道，大大提高传输效率。率。4、生物听觉系统与电子耳第2节 信息仿生学第17页，本讲稿共62页海洋漂浮生物水母（俗海洋漂浮生物水母（俗称海蜇）的听觉器官，称海蜇）的听觉器官，可以感应次声波可以感应次声波（infrasonic waveinf

14、rasonic wave，一种，一种人耳不能感觉的低频人耳不能感觉的低频率波，由风暴时快速率波，由风暴时快速流动的空气与海水波流动的空气与海水波浪相摩擦产生的），浪相摩擦产生的），因而模仿其原理制造因而模仿其原理制造的的“水母耳水母耳”风暴预风暴预测仪可以提前测仪可以提前1515个小个小时准确预报风暴方向时准确预报风暴方向与强度。与强度。5、水母耳与电子耳第2节 信息仿生学第18页，本讲稿共62页 人和动物体内存在着许多结构小巧、功能完善、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（如人的体温基本恒定在精确可靠的自动控制系统（如人的体温基本恒定在3737），以保证新陈代谢

15、的正常进行、对内外环境），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（的研究内容。当前研究较多的是体内稳态（entatic entatic statestate）、反馈调节（）、反馈调节（feedbackfeedback）、肢体运动控制、动物）、肢体运动控制、动物的定向与导航、生态系统的涨落以及人的定向与

16、导航、生态系统的涨落以及人-机合作（机合作（man-man-machine teamworkmachine teamwork）。）。第3节 控制仿生学第19页，本讲稿共62页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，本讲稿共62页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2、蛇的红外探测第3节 控制仿生学第21页，本讲稿共62页颊窝颊窝de位置位置颊窝（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

17、制仿生学第22页，本讲稿共62页飞行中的蝙蝠飞行中的蝙蝠超声波超声波声音反射波声音反射波蛾蛾4、蝙蝠与超声波-蝙蝠的捕食第3节 控制仿生学第23页，本讲稿共62页超声信号被反射超声信号被反射5、蝙蝠与超声波-蝙蝠的回声定位第3节 控制仿生学第24页，本讲稿共62页脑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，本讲稿共62页、动物的天然导航一些动物利用日一些动物利用日月星辰导航，也月星辰导航，也有些动物利用海有些动物利用海流、海水成分、流、海水成分、地磁场、重力场地磁场、重力场等进行导航，这等进行导航，这些为研制通讯设

18、些为研制通讯设备和新型导航仪备和新型导航仪器提供启迪。器提供启迪。第3节 控制仿生学第26页，本讲稿共62页千里迁徙千里迁徙万里洄游万里洄游、动物的天然导航第3节 控制仿生学第27页，本讲稿共62页1、定义：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，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。拟。拟态仿生在军事中应用广泛。态仿生在军事中应用广泛。第4节 拟态仿生学第28页，本讲稿共62页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，本讲稿共62页3、

19、拟态仿生坦克的迷彩伪装，分保护迷彩、变形迷彩、仿造迷彩坦克的迷彩伪装，分保护迷彩、变形迷彩、仿造迷彩第4节 拟态仿生学第30页，本讲稿共62页三色迷彩的德国“豹”I坦克在电视成像下的效果4、拟态仿生-坦克的迷彩伪装第4节 拟态仿生学第31页，本讲稿共62页 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，本讲稿共62页1、事例、事例.生物与航海生物与航海生物与航海生物与航海.生

20、物与航空生物与航空生物与航空生物与航空.生物与建筑生物与建筑生物与建筑生物与建筑第5节 力学仿生学第33页，本讲稿共62页2、生物与航海、生物与航海-轮船对海洋生物体形的模仿模仿鳕鱼、鲇(nian)鱼外形建造的“复仇号”帆船第5节 力学仿生学第34页，本讲稿共62页3、生物与航海生物与航海-轮船对海洋生物体形的模仿第5节 力学仿生学第35页，本讲稿共62页4、生物与航海生物与航海-轮船对海洋生物体形的模仿俄罗斯海军新型核潜艇俄罗斯海军新型核潜艇第5节 力学仿生学第36页，本讲稿共62页 5、生物与航海生物与航海-轮船对海洋生物结构的模仿模仿鲸的胸鳍模仿鲸的胸鳍(qi)给船装上了船鳍给船装上了船

21、鳍第5节 力学仿生学第37页，本讲稿共62页6、生物与航海生物与航海-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，以减小湍流第5节 力学仿生学第38页，本讲稿共62页7、生物与航海生物与航海-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，本讲稿共62页人造海豚皮构造图人造海豚皮构造图8、生物与航海生物与航海-轮船对海洋生物结构的模仿海豚皮肤构造模式图海豚皮肤构造模式图第5节 力学仿生学第40页，本讲稿共62页鹰击长空鹰击长空啸傲云天啸傲云天9、生物与航空第5节 力学仿生学第41页，本讲稿共62

22、页10、生物与航空-飞鸟与飞机达达芬芬奇奇设设计计的的扑扑翼翼飞飞机机第5节 力学仿生学第42页，本讲稿共62页 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，本讲稿共62页12、生物与航空-昆虫与飞机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，本讲稿共62页13、生物与航空-昆虫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。第5节 力学仿生学第45页，本讲稿共62页14、生物与航空-昆虫与飞机昆虫与飞机飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤第5

23、节 力学仿生学第46页，本讲稿共62页艺艺术术珍珍品品澳澳大大利利亚亚悉悉尼尼歌歌剧剧院院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，本讲稿共62页东京中银舱体楼16、生物与建筑舱体结构舱体结构:模仿植物叶片空间配置模仿植物叶片空间配置,利于采光。利于采光。第5节 力学仿生学第48页，本讲稿共62页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。美美国国佛佛罗罗里里达达的的 未未来来世世界界博博物物馆馆第5节 力学仿生学第49页，本讲稿共62页 研究和模拟的是生物体中的各类化学

24、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，本讲稿共62页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，本讲稿共62页狗的嗅觉狗的嗅觉：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、

25、动物嗅觉-狗的嗅觉过程狗的嗅觉过程第6节 化学仿生学第52页，本讲稿共62页3、人工嗅觉-嗅敏检测仪，俗称嗅敏检测仪，俗称“电子鼻电子鼻”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：一类以一类以SnO2（氧化锡）为主体（氧化锡）为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料。料。第6节 化学仿生学第53页，本讲稿共62页4、生物膜的选择吸收-细胞膜的结构特点细胞膜的结构特点(S.Jon Singer和和Garth Nicolson提出液态镶嵌提出液态镶嵌模型，模型，Singer-Nicolson

26、 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，本讲稿共62页5、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然膜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，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）。第6节 化学仿生学第55页，本讲稿共62页第7

27、节 医学仿生学 研究的是人工脏器、生物医研究的是人工脏器、生物医学的图象识别以及医学信号的分学的图象识别以及医学信号的分析与处理。析与处理。第56页，本讲稿共62页自动化机器人从月球土壤中提取气体1、智能机器人-自动化机器自动化机器第8节 整体仿生学第57页，本讲稿共62页2、智能机器人-智能计算机组成智能计算机组成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

28、口硬件口硬件人机接口人机接口软件软件硬件硬件第8节 整体仿生学第58页，本讲稿共62页3、智能机器人-生物计算机生物计算机生物计算机的特点 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的元件成为一种具有永久性的不出故障的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，不存在发热问题第8节 整体仿生学第59页，本讲稿共62页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第60页，本讲稿共62页本章思考题仿生学研究包括哪三个主要步骤？信息仿生学的主要研究范围和内容是什么？控制仿生学的主要研究内容和时下研究热点？什么叫生物的拟态？力学仿生学最经常模拟的是生物哪些方面？最常见的应用事例在哪些方面？你认为化学仿生学最有前景的应用是什么？智能机器人的研制属于仿生学的哪个分支？第61页，本讲稿共62页本章到此结束，谢谢大家！本章到此结束，谢谢大家！欢迎同学们提出宝贵意见！欢迎同学们提出宝贵意见！第62页，本讲稿共62页