生命科学与仿生学_杜家纬
生命科学与仿生学
杜家纬
（中国科学院上海生命科学研究院植物生理生态研究所，上海 ２０００３２）
１ 前言
仿生学（Ｂｉｏｎｉｃｓ）是１９６０年由美国斯蒂尔博士提出的从生物界发现机理来解决人类技术上问题的一门综合性的交叉学科，是利用自然生物系统构造和生命活动过程作为技术创新设计的标准，有意识地进行复制，它使人类社会逐步由向自然索取转入向自然界学习和创造世界的新纪元。国际上有声誉的动物学家Ｗｅｍｅｒ Ｎａｃｈｔｉｇａｌｌ博士提出仿生学就是“学习自然界的现象作为技术创新的模式”的基本概念。
美国蒙大拿大学讲师Ｂｅｎｙｕｓ于１９９８年撰写和出版一本《仿生学：源于自然的创新灵感》的仿生学专著［１］。书名采用了“Ｂｉｏｍｉｍｉｃｒｙ”一词，来自希腊语ｂｉｏｓ（意为生命） 和ｍｉｍｅｓｉｓ （意为模仿）的组合，作者阐述和描绘了将来的仿生学定义及其意义。这是近几年国际学术讨论和２０００年工业生态国际会议的一个热门主题。这个新的科学研究方法论给科学、工业、社会，甚至个人更新自然知识和设计原理开辟了一条新的途径，是寻找持续解决人类问题的技术设计原理和策略的交叉学科。它的核心思想是利用自然界的原理、过程和技术来创造新产品、新工艺和新策略，以使人类达到长期适应地球的生存。仿生学促使我们去创造像树叶产生能量、蜘蛛制造纤维、牡蛎生长陶瓷材料那样的仿生技术和仿生工程。
目前对于仿生学的研究范围和领域很难予以划定和区分，其主要原因：（１） 从生物系统获取灵感的范围和数量相当巨大；（２） 相当复杂的协调体系和集合性功能。因此，要简单地归纳若干仿生范围或领域是很困难的。一般可将仿生学划定为：结构与
文章编号 ：１００４－０３７４（２００４）０５－０３１７－０７
·研究动态·
材料、机理和能量、行为与控制、信息传递与传感器、生殖与生命活动等覆盖面较大的领域。２０世纪９０年代，仿生学正以令人吃惊的程度影响着从地毯产业直至计算机芯片制造商。世界各国企业家、产品设计师和科学家目光都将转向自然界，探索新的技术和设计原理，以改进现有的产品和发展完全创新的技术。目前仿生学也正以意想不到的速度渗入生命科学，揭示生命活动过程的奥秘，从中获取新材料、新技术和新工艺的启示。２ 来自生命活动的启示
自从有了生命之后，自然界生物体就面临和解决形形色色的环境压力和生存问题。生物界在进化压力下经过亿万年的进化才造就现在我们所看到的优秀性状、形态和生命活动过程。人类则是从这些生物的特殊能力中获得启示，受这些形态、模式和结构的启迪，使人类能够得以创新。生物体的生命活动过程为科学领域提供了技术创新的无穷灵感。太阳能在植物中以化学形式贮存几乎是百分之百的效率，动物肌肉是一种最有效的机械马达将效率的控制、信息的传输发挥到非常精确的程度。生物界利用的机理、过程、结构和材料是人类技术和工程巨大的宝库。
２．１ 新原理与新技术的发现 表１列出了生命科学中的若干仿生的范例［２￣５］。从这些范例中可以看出许多重大科学技术原理的发现都源于科学家对自然界和生命活动的探索。例如美国Ｉｒｉｄｉｇｍ公司通过研究蝴蝶双翅的显微结构发现这种显微结构能使光产生闪烁的色泽，而研制出一种利用光产生干涉光原理的ＩＭＯＤ元件，它能展现类似自然界的结构色泽。Ｉｒｉｄｉｇｍ公司所研制这种由ＩＭＯＤ元件组成的显示屏
能像蝴蝶翅那样产生同样的色泽效果。 由于ＩＭＯＤ元件并不含有色素，因此，屏幕色彩就比较稳定，在任何光线条件下显示器的图像都可以清楚地显示，是目前图像视频的最理想显示器。该公司所设计的这种新型显示器能与目前所有硬件和软件兼容，所显示的图像和文件非常清晰（图１）。
２１世纪具有更大挑战性的领域将是计算机。提高计算机的运算能力和减小体积是目前计算机研究领域的热点。２００１年，以色列Ｗｅｉｚｍａｎｎ科学研究所宣布由Ｅｈｕｄ Ｓｈａｐｉｒｏ博士所领导的研究小组已经
图１ 蝴蝶翅超微结构模拟图（左）和ＩＭＯＤ显示器的仿生结构（右）
图片取自ｗｗｗ．ｉｒｉｄｉｇｍ．ｃｏｍ
321第５期杜家纬：生命科学与仿生学
为“ｆｏｒｉｓｏｍｅ”的能对钙离子浓度的很小变化的反应而产生较大的动力，这将是设计一种新型的分子微电机的原理。
２．３ 我国拟解决的若干工程技术问题 在当代现代科学和工业技术中，信息的利用和控制是当前工业技术发展中的一个主要矛盾，如何解决这个矛盾，生物界提供了有益的启示。生物系统所展现的功能和所要解决的工业技术之间有着很明显的相似之处。这些相似之处可以表现在对生物系统研究的不同水平上。由简单的单个细胞到复杂的器官系统（神经系统）都存在着各种调节和自动控制的生理过程。２１世纪是生命科学的时代，也正处于一个各种自然科学高度综合起来和互相交叉、渗透的新时代。仿生学是一座科学研究方式的桥梁，将生命科学与仿生学连接起来，解决我国拟解决的若干工程技术问题（表２）。
在汽车工业中轮胎花纹和形状的设计非常重要，必须具备与地面的摩擦性和抓地性能较好的性能。最近，德国轮胎设计专家根据跑行中的猫前爪垫的结构功能和蜘蛛网的柔顺结构及其稳定性，设计出一种ＡＭＣ垫型轮胎。采用这种全新概念的轮胎，增加了轮胎与地面的摩擦力，大大降低了刹车距离，提高了安全性。同时这种轮胎表面的柔软性和硬性网状结构设计提供较大的抓地性和运行精度，这类新概念的轮胎目前正在进行实地试验，不久即将问世。根据新原理所设计的汽车轮胎将对世界和我国的轮胎产业产生很大的冲击力。 又如英国ＦＭＣ公司最近公布了一项新技术发明专利，该项发明使汽车燃料电池的功率增长１６％，而制造价格却随之下降，功率还有很大提高的余地。这项发明使得燃料电池商业化进入市场变成现实。这项发明是根据动物肺部和植物叶子呼吸的原理设计而成的，在电池电极板的设计上模仿了这种大量分布的通道和许多很细的毛细管的结构，使电极板带有大量的流向分叉，这是分布反应液的最有效方法。这种结构降低了压降， 保证电池所产生的气体能顺利排出，使燃料电池具备更大的功率。这种设计或许对我国电动自行车的蓄电瓶设计有参考价值。
２００２年，德国米勒（Ｍｉｅｌｅｓ）公司推出一种新型的洗衣机，其内桶表面结构是由Ｍｉｒｔｓｃｈ教授根据蜂巢和龟背壳形状所设计，他说：不是从仿生联想而来，我们决不会设计出这种结构形状的洗衣机。新设计思想的洗衣机的洗涤过程具有非常柔顺的特点，而所洗的衣服特别干净且不易损坏。这类利用仿生学的原理所设计的洗衣机将是对目前世界洗衣机产业的巨大挑战。据统计，我国目前每年洗衣机的更新量为５００万台，这就意味着我国自行设计的洗衣机在今后能占多大的市埸份额，值得深思。
在纺织工业中，人造纤维的仿生合成工艺研究也在紧张地进行。科学家在研究了蜘蛛丝的强度、结构和生物合成过程后，提出了人造纤维的生产技术的重大变革。这也将在本世纪对现有纺织业产生
322生命科学第１６卷
巨大的冲击。在超微结构研究中的另一个重要例子是对一种海洋生物海绵（Ｓｅａ Ｓｐｏｎｇｅ）结构研究表明，其基部的针状物大小与光导纤维相似，材料性质相同，类似现代的光导纤维的结构，但不易断。贝尔实验室和美国Ｌｕｃｅｎｔ 半导体公司Ａｉｚｅｎｂｅｒｇ博士等测试了它的光学性能，发现这种针形物及笼型构造具有很高的光反射指数，具有相当出色的信号传输能力。而这种针状物却不易断（这是利用光导纤维通讯的主要问题）。难能可贵的是这种天然纤维是在海洋温度下形成的，而制造光导纤维是需高温的，这样就很难加入特殊杂质去改善其传输性能。这类仿生学的研究对光导纤维的制造工艺将会有很大的启示和推动［１２］。
建筑业和军事装备研究中对能沿垂直表面自动爬行或运动的机械附着机理研究具有极大的兴趣，因为这类自动机械在城市高层建筑表面清洁、救护和空间探索等方面具有巨大的市场。为了解决此类科学技术问题，科学家们对一种壁虎 Ｔｏｋａｙ ｇｅｃｋｏｓ能在墙上自由爬行，不用胶液或虹吸方式，产生巨大兴趣。 最近，加州大学Ｌｅｗｉｓ 和Ｃｌａｒｋ学院的Ａｕｔｕｍｎ等［１３］检查了它的足部，发现其足底长着约５０万根仅显微镜能看见的刚毛，每一根刚毛的尖端上有上百个极细的匙形衬垫。这种动物还具有一种独特的足趾伸直和弯曲使它很快能附着或分开的行为，当足移动时，会有每秒１５次动作，这样一来可达到６００倍高的附着力，很难将其足从表面上挪开或取下。研究者还发现另一个有趣的特性是这种足具有自净行为，测定了它的一个足的粘着力，然后排除了摩擦力和虹吸作用的机理的看法。推测这种壁虎足部的附着力是依靠足部几十万根刚毛的巨大表面积和微细刚毛间的分子相互作用。该项研究的商业价值很大，用不了多久就可以制造设计出一种可适应各种表面结构的新型附着器。
紫杉醇是治疗乳腺癌和子宫癌的突破性药物，但由于它是从紫杉树的树皮中提取，每个患者每年就需要消耗３到６棵紫杉树。而利用紫杉树针叶半合成的药物不但昂贵且难以生产。但是如果利用最小化基因组微生物，我们可以测得紫杉树的基因组，找到制造紫杉醇的基因通道，将这些通道插入合成的细胞中，就可以生产紫杉醇了。再比如，甲烷球菌，它在深海中火山区的超高温下还能存活，并吸收二氧化碳，呼出大量甲烷（发电和家庭取暖用的天然气）。目前科学家已经测出其基因序列，现在只要找到起作用的关键基因，并将其植入合成细菌中，其制造甲烷的能力将大为增强，这将产生一种既经济又环保的生物能源。
有一种细菌Ｓｔｒｅｐｔｏｍｙｃｅｓ ｇｌｏｂｉｓｐｏｒｕｓ能产生一种叫做Ｃ－１０２７的抗生素，因为它具有毒副作用，所以并没有在临床上应用。Ｌｉｕ等［１４］将整个的Ｃ－１０２７生物合成基因簇克隆出来，做了测序和分析。然后通过操纵这个基因簇，他们得到了变异的菌株，这些变异菌株能够产生许多新的化合物，这些新化合物为开发临床上有效药物提供了无穷的有效构型，为医药工业开创了一条简便的新药筛选途径。
３ 我国仿生科学研究的发展方向与前沿
进入２１世纪前， 世界各国在仿生学这门交叉学科的基础研究上做了精心的长期计划准备。 例如美国有一项长期研究计划， 将优先发展先进制造（其中包括模拟与仿真、传感器、生物技术、微制造）和先进材料（材料合成、加工技术研究、创造新材料和新工艺等）以及先进军事装备研究等领域。 德国研究与技术部也就“２１世纪的技术”为题在自适应电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感器等投入了相当大的财力和人力。 英国政府也早于１９９３年５月发表了科学大臣沃尔德格雷夫主持撰写的科技白皮书，题为《运用我们的潜力——科学、工程和技术战略》。日本、俄罗斯以及亚洲韩国等国都有相应的中长期计划，在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。 从这些科技发展计划中明显看出各国在仿生学研究领域内展开源头研究的激烈竞争，以便在２１世纪的世界市场上占据较为有利和主动的地位。
同时， 从世界科学领域中两个比较重要的刊物Ｎａｔｕｒｅ和Ｓｃｉｅｎｃｅ自１９９３年至２００３年１０年中所发表的文献来看，共发表文章总量２万多篇，有１６个共有领域。其中分子生物学与遗传学领域的论文发表量最高，达２ ８９４篇，占总量的１３．８５％；其次是交叉学科，达２ ７７３篇，占总量的１３．２７％。这个基本数据反映了各国近１０年中在交叉学科研究上取得了令人瞩目的成就。
近１０年来，不仅基础研究和科学技术成果丰硕，而且它们被迅速地转化为工艺相关产品，应用于经济、军事和人类的福利与健康，创造了巨大的经济效益。从科技战略意义上说，目前科学技术先进的国家在研究成果商业化方面的竞争比在研究与
323第５期杜家纬：生命科学与仿生学
开发方面的竞争更为激烈。这种竞争进一步推动现代科学技术发展，使具有崭新性和增益性的创新成果不断涌现，产品和工艺不断改进。
为适应我国科学和技术源头创新的需要，进一步推动我国经济和社会实现跨越式发展，以积极主动的姿态迎接全球性竞争和挑战， 于２００３年１２月１１日￣１３日召开了中国科学院第２２０次“仿生学的科学意义与前沿”香山科学会议。根据我国科学技术的创新研究发展状况，会议提出了“仿生科学与技术”系统性基础研究的五大方向和优先发展的１０个前沿领域：（１） 建立复杂生物体系的仿生学研究平台，开展仿生结构与力学、仿生功能器件及控制、分子仿生、微系统与微制造仿生技术、脑功能的仿生与认知等五大“仿生科学与技术”基础研究方向。（２） 优先发展仿生材料、仿生工艺、仿生机械、微纳米仿生技术、基因仿生工程、组织仿生工程、蛋白质仿生工程、仿生能源、仿生计算、人工智能等１０个前沿领域的研究与开发。（３） 注重仿生科学技术创新研究在我国当前优先发展的１４１项高技术产业领域中的应用和商业化，以使我国仿生科学技术总体水平迅速接近发达国家。
４ 结 语
在世界科技发展史中，中国的四大发明像一阵龙卷风席卷世界各国，对世界科学技术的发展作出了重大贡献。目前我国国民经济发展正以前所未有的速度在前进，令世人瞩目。然而，在经济高速发展的今天，我国科学家们和高新技术企业必须重视从自然界的创新源泉中去获取属于我们自己的新技术、新方法、新工艺和新理论，它使生物科学的研究在方法上发生根本的变化和转变，在内容上也从描述和分析的水平向着精确定量的方向深化。生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的信息，加速我国科学技术的持续发展。中国科学院院长路甬祥院士指出：人类进化只有五百万年的历史，而生命进化已经历了三十五亿年的历史。模仿人的创造固然重要，模仿自然更有无限的潜力和机会！更有可能提升我国原始创新的能力！
［参 考 文 献］
［１］Ｂｅｎｙｕｓ Ｊ Ｍ． Ｂｉｏｍｉｍｉｃｒｙ： Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｉｎｓｐｉｒｅｄ ｂｙ Ｎａｔｕｒｅ［Ｍ］． Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： Ｗｉｌｌｉａｍ Ｍｏｒｒｏｗ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ， １９９８．［２］杜家纬． 二十一世纪仿生学研究对我国高新技术产业的影响［Ａ］． 第２２０次仿生学的科学意义与前沿香山科学会
议资料［Ｃ］． 北京： ２００３， ２￣５
［３］杜家纬． 动植物功能性结构与分子仿生． 科学中国人，２００４， ４： ３３￣３４
［４］杜家纬． 从自然界中探寻之源［Ｎ］． 文汇报（科技文摘第４９７期）， ２００３－１２－２８
［５］杜家纬． 仿生梦幻［Ｍ］． 郑州： 河南科学技术出版社， ２０００，２８０
［６］Ｂｅｎｅｎｓｏｎ Ｙ， Ｇｉｌ Ｂ， Ｂｅｎ－Ｄｏｒ Ｕ， ｅｔ ａｌ． Ａｎ ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｍｏ－ｌｅｃｕｌａｒ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｆｏｒ ｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｇｅｎｅ ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｎａｔｕｒｅ， ２００４， ４２９： ４２３￣４２９
［７］Ｒｉｄｅｒ Ｔ Ｈ， Ｐｅｔｒｏｖｉｃｋ Ｍ Ｓ， Ｎａｒｇｉ Ｆ Ｅ， ｅｔ ａｌ． ＡＢ ｃｅｌｌ－ｂａｓｅｄｓｅｎｓｏｒ ｆｏｒ ｒａｐｉｄ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｐａｔｈｏｇｅｎｓ． Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２００３，３０１： ２１３￣２１５
［８］Ｋｗｏｎ Ｈ Ｊ， Ｓｍｉｔｈ Ｗ Ｃ， Ｓｃｈａｒｏｎ Ａ Ｊ， ｅｔ ａｌ． Ｃ－Ｏ ｂｏｎｄ ｆｏｒｍａ－ｔｉｏｎ ｂｙ ｐｏｌｙｋｅｔｉｄｅ ｓｙｎｔｈａｓｅｓ． Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２００２， ２９７： １３２７￣１３３０［９］Ｄｈｕｇｇａ Ｋ Ｓ， Ｂａｒｒｅｉｒｏ Ｒ， Ｗｈｉｔｔｅｎ Ｂ， ｅｔ ａｌ． Ｇｕａｒ ｓｅｅｄ β－ｍａｎｎａｎ ｓｙｎｔｈａｓｅ ｉｓ ａ ｍｅｍｂｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ ｓｙｎｔｈａｓｅ ｓｕｐｅｒｇｅｎｅ ｆａｍｉｌｙ． Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２００４， ３０３： ３６３￣３６６
［１０］Ｂｏｕｖｉｅｒ Ｆ， Ｄｏｇｂｏ Ｏ， Ｃａｍａｒａ Ｂ． Ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｏｄａｎｄ ｃｏｓｍｅｔｉｃ ｐｌａｎｔ ｐｉｇｍｅｎｔ ｂｉｘｉｎ （ａｎｎａｔｔｏ）． Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２００３，３００： ２０８９￣２０９１
［１１］Ｋｎｏｂｌａｕｃｈ Ｍ， Ｎｏｌｌ Ｇ Ａ， Ｍｕｌｌｅｒ Ｔ， ｅｔ ａｌ． ＡＴＰ－ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｃｏｎｔｒａｃｔｉｌｅ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｆｒｏｍ ｐｌａｎｔｓ． Ｎａｔ Ｍａｔｅｒ， ２００３， ２： ６００￣６０３［１２］Ｓｕｎｄａｒ Ｖ Ｃ， Ｙａｂｌｏｎ Ａ Ｄ， Ｇｒａｚｕｌ Ｊ Ｌ， ｅｔ ａｌ． Ｆｉｂｒｅ－ｏｐｔｉｃａｌｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ａ ｇｌａｓｓ ｓｐｏｎｇｅ． Ｎａｔｕｒｅ， ２００３， ４２４： ８９９￣９００．［１３］Ａｕｔｕｍｎ Ｋ， Ｓｉｔｔｉ Ｍ， Ｌｉａｎｇ Ｙ Ａ， ｅｔ ａｌ． Ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｖｅｒ： ｅｖｉ－ｄｅｎｃｅ ｆｏｒ ｖａｎ ｄｅｒ ｗａａｌｓ ａｄｈｅｓｉｏｎ ｉｎ ｇｅｃｋｏ ｓｅｔａｅ． Ｐｒｏｃ ＮａｔｌＡｃａｄ Ｓｃｉ ＵＳＡ， ２００２， ９９： １２２５２￣１２２５６
［１４］Ｌｉｕ Ｗ， Ｃｈｒｉｓｔｅｎｓｏｎ Ｓ Ｄ， Ｓｔａｎｄａｇｅ Ｓ， ｅｔ ａｌ． Ｂｉｏｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｏｆｔｈｅ ｅｎｅｄｉｙｎｅ ａｎｔｉｔｕｍｏｒ ａｎｔｉｂｉｏｔｉｃ Ｃ－１０２７． Ｓｃｉｅｎｃｅ， ２００２，２９７： １１７０￣１１７３
动物仿生学的例子
动物仿生学的例子 动物仿生学的例子25个 动物仿生学的例子（一）： 鱼漂与潜水艇 潜水艇是怎能样发明的呢？为了让一种船既能在水面划，又能在海底游，科学家观察到了鱼这种动物。 鱼肚中有一种东西叫鱼鳔，里面装满了空气。在鱼想潜到水底时，将鱼鳔中的空气排出，浮力就立刻变小了，鱼可自由地沉下水面。而潜水艇中也有一种机器，里面也装满了空气，将空气一排出，潜水艇便能沉下水底。科学家是按这个原理制造的潜水艇。 看，我们如今已经很高级的潜水艇，原先它们是利用鱼鳔原理而做的。是的，生活中若没有动物，人类将会失去很多发明的机会。能够说，动物对人类生活也有很大的帮忙。 动物仿生学的例子（二）： 蝙蝠与雷达
蝙蝠会释放出一种超声波，这种声波遇见物体时就会反弹回来，而人类听不见。雷达就是根据蝙蝠的这种特性发明出来的。在各种地方都会用到雷达，例如：飞机、航空等。 动物仿生学的例子（三）： 乌贼和鱼雷诱饵 乌贼体内的囊状物能分泌黑色液体，遇到危险时它便释放出这种黑色液体，诱骗攻击者上当。潜艇设计者们仿效乌贼的这一功能读者设计出了鱼雷诱饵。鱼雷诱醋似袖珍潜艇，可按潜艇的原航向航行，航速不变，也可模拟噪音、螺旋节拍、声信号和多普勒音调变化等。正是它这种惟妙惟肖的表演，令敌潜艇或攻击中的鱼雷真假难辩，最终使潜艇得以逃脱。 动物仿生学的例子（四）： 青蛙与电子娃眼 我从《小爱迪生》这本书中读到了青蛙的眼睛，《小爱迪生》上头说的是青蛙的眼睛只能够看见动的东西。我将信将疑，问了一下爸爸。爸爸说：你还是做一个试验比较好。我点点头。
首先，我先找来一只青蛙，这只青蛙蹲坐在报纸上，用它警惕的大眼睛 盯着我的一举一动，好像警察监视罪犯一样。它身穿美丽的绿皮袄，好像一个贵妇人，仪态端庄。 我先把事先拍死的苍蝇放到它面前。那只苍蝇好像在青蛙的眼里消失了，对这嗟来之食无动于衷。我拿出了小细线，将苍蝇细心翼翼地扎好，然后在它的眼前不停地摇晃。突然，青蛙的注意力不在我身上了，它目不转睛地盯着那只会飞的苍蝇。没过一会儿，只听扑的一声，青蛙伸出了它长长的、粉红色的舌头，轻轻一卷，便把苍蝇卷进了肚子里。 这次实验证明了：青蛙的眼睛只能够看见动的东西，看不见不会动的东西。于是，科学家们便经过青蛙的眼睛发明了电子蛙眼！ 动物仿生学的例子（五）： 人工冷光 自从人类发明了电灯，生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光，其余大部分都以热能的形式浪费掉了，并且电灯的热射线有害于人眼。那么，有没有只发光不发热的光源呢人类又把
仿生学内容
1、鸟在天空飞翔：制造了各种飞行器。 2、蜜蜂造巢窝：各种正六边形的蜂巢结构板材。 3、每只蜻蜓的翅膀末端，都有一块比周围略重一些的厚斑点，这就是防止翅膀颤抖的关键。飞机设计师研究苍蝇、蚊子、蜜蜂等的飞行方法，造出了许多具有各种优良性能的新式飞机。4鲸：外形是一种极为理想的“流线体”，而“流线体”在水中受到的阻力是最小的。后来工程师模仿（fǎng）鲸的形体，改进了船体的设计，大大提高了轮船舴的速度。 5、蛋壳：能够把受到的压力均匀（yún）地分散到蛋壳的各个部分。建筑师根据这种“薄壳结构”的特点，设计出许多既轻便又省料的建筑物。 6、6、袋鼠：会跳跃的越野汽车， 7、7、贝壳：外壳坚固的坦克……鱼儿在水中游荡：学会了游泳，发明潜艇。 8、8、连体鲨鱼装：第一代鲨鱼装模仿了鲨鱼的皮肤，在泳衣上设计了一些粗糙的齿状突起，以有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4%。 9、9、大乌背小乌龟：转动炮塔的坦克。 10、10、让盲者见到光明：在植入了微小的仿生视网膜之后，3位失明患者不仅看到了明灭或者移动的光点，甚至还成功地用眼睛区别出杯子和盘子。 11、人工合成蛛丝：蛛丝含有一种纤维蛋白，这种蛋白质和存在于毛发和羊角中的角质蛋白相似。这种蛋白分泌出来后开始变得坚韧。通过精细的平衡水的含量，蜘蛛和蚕可以防止纤维蛋白过快固化。 12、蜻蜓-飞机； 13、青蛙—快速扫描系统 14、苍蝇-气味探测器
15、螳螂—镰刀电鱼与伏特电池。经过对电鱼的解剖研究，发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。 16、水母耳朵：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。 16、动物仿生学 17、生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线，抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索。船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿。 18、响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理，研制开发出来的现代化武器。 19、火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。 20、科研人员通过研究变色龙的变色本领，为部队研制出了不少军事伪装装备。 21、科学家研究青蛙的眼睛，发明了电子蛙眼。 22、白蚁不仅使用胶粘剂建筑它们的土堆，还可以通过头部的小管向敌人喷射胶粘剂。于是人们按照同样的原理制造了工作的武器—一块干胶炮弹。 23、美国空军通过毒蛇的“热眼”功能，研究开发出了微型热传感器。 24、我国纺织科技人员利用仿生学原理，借鉴陆地动物的皮毛结构，设计出一种KEG保温面料，并具有防风和导湿的功能。 25、根据响尾蛇的颊窝能感觉到0.001℃的温度变化的原理，人类发明了跟踪追击的响尾蛇导弹。 26、人类还利用蛙跳的原理设计了蛤蟆夯。 27、人类模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的“电子警犬”。 28、科学家根据野猪的鼻子测毒的奇特本领制成了世界上第一批防毒面具。
仿生的发明史
仿生的发明史 达芬奇(Leonardo da Vinci，意大利文艺复兴时期的伟大画家、雕刻家和建筑学家)被认为是现代仿生学之父。在大约公元1500年，在鸟翅模型之后，他画了一系列的无法实现的飞行设备草图。大约400年之后，奥托(Otto Lilienthal)成功了，他根据鹳的翅膀制造的滑翔机成功的在Brandenburger村飞行了250米，而且他也取得了“滑翔机之父”的称号。 直到上个世纪中期，有许多研究者都在不断尝试把自然界的形态和规则用于技术上。但是，仅仅在60年代初一种科学的综合分类学科才由它产生。 植物学家William Barthlott和他的同事Nesta Ehler在70年代中期发现纯粹的自清洁效应，也被叫做“莲花效应(Lotus effect)”。他们把一批多样的植物叶片放在一个特殊的显微镜下时，开始并没有什么特殊的发现。这两个科学家的研究围绕着这样一个问题：能否根据叶子表面纹理的不同来检测这组植物中扭曲的茎。 植物学的例行任务，就是在每一个研究之前观察某些植物时先要把植物清洗干净，这是研究者们不用思考而首先要做的。但是很快生物学家就发现一个非常荒谬的现象：就是只有那些表面很光滑的叶子才需要清洗，而其它的那些表面在显微镜下看起来很粗糙的叶子反而是干净的。对他们来说更值得注意的是：某些特殊的叶子甚至可以完全抵制水。在那时，很清楚地是自清洁效果是和可润湿性相联系的。 这种效果特别明显得表现在莲属坚果莲中：从显微镜下看发现莲叶子上有小的茸毛和小的蜡质覆盖在叶子上，水滴下来就象从热的炉盘上滴下来一样。Barthlott解释说：在光滑表面，水会在污垢上蔓延。在粗糙表面，水滴粘不牢，形成球状，在可以到达的污垢粒子上滚动并且带着污垢粒子滚动。 1977年，生物学家们在一段短的旁注中描述了这种现象。看起来这段旁注是很琐碎的，只是为了引起更多的注意。仅仅在1989年，William Barthlott，其时正在波恩大学做教授，重新注意到了这个旧的发现并和他的研究生Christoph Neinhuis一起详细的研究了这个现象。这两个人不仅成功的破译了“莲花效应”对生物学的意义，而且同时把它的不被脏物污染的原理应用于人造表面。 1996年Barthlott 和Neinhuis用一个带有新衣料的白盘子实现了他们的程序，同时注册了专利。他们在一个白盘子上撒上煤灰和颜料的混合物并且滴上一些水。很快，这个盘子就干净了。作为对比，一个擦的特别亮的清漆膜也撒上煤灰盒颜料的混合物，但是即使在长时间的漂洗之后，煤灰仍然存在，而且还有另一个脏的灰层，对清漆膜来说，只用水是不能清洗干净的。 莲花效应的历史，从它的发现到应用，典型的来自于一个研究规则“技术学习自然”：仿生学。 在如今对仿生学的理解普遍认为是“各种技术手段转化，建筑使用，规划步骤以及生物系统的设计哲学”的基础上。世界著名的动物学家Werner Nachtigall进一步简化了这个概念，他这样来概括仿生学的实质：“把从自然界学来的知识作为对独立技术形式的建议”。 在几百万年的优化中接近完美的自然发明是化学家、机械师和建筑师所期望的研究对象。
仿生学论文综述
仿生学论文 10级生物科学 1009210117 张荣华
摘要 自然界生物在漫长的进化过程中优胜劣汰，为了生存、自卫、竞争和发展的需要，强化了自身许多优异的结构和特殊功能。人们模仿生物界的这些结构特征,将它们应用于自身的斗争,即军事斗争中。利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学。解决在日常的生产生活中遇到的问题，制造多种探测、斗争武器。 关键词：生物结构特殊功能实践运用军事
一.仿生学简介 仿生学（bionices）在具有生命之意的希腊语言bion上，加上有工程技术涵义的ices而组成的词语。大约从1960年才开始使用。生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潜艇设计原理上。仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。 1.历史由来自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使 它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展。劳动创造了人类。人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，在长期的生产实践中，促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。因此，人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领。 鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。 2.研究方法仿生学是生物学、数学和工程技术学互相渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号，把解剖刀和电烙铁“积分”在一起。这个符号的含
仿生学的例子
仿生学的例子 1。由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。 2。从萤火虫到人工冷光； 3。电鱼与伏特电池； 4。水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。 5。人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。 电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。 6。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。 7。模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。 8。根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器——步行机。 9。现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。 10。屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。 11。船桨模仿的是鱼的鳍。 12。锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。 13。苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。 14。嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。 15。壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。 16。贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。 好运 生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线，抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索。船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿。 响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理，研制开发出来的现代化武器。 火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。 科研人员通过研究变色龙的变色本领，为部队研制出了不少军事伪装装备。 科学家研究青蛙的眼睛，发明了电子蛙眼。
仿生学发展过程的分析_刘福林
仿生学发展过程的分析 刘福林 (商丘师范学院生命科学系,河南商丘476000) 摘要 仿生学在科学创新中具有重要作用,国内外学者对此进行了大量研究。在回顾分析仿生学重大事件的基础上,提出了仿生学经历了4个发展时期:萌芽时期、建立时期、巩固时期与现代时期,指出了仿生学的重大贡献是源头创新的研究理念与方法,并能在未来的所有领域内应用、取得突破性研究成果。 关键词 仿生学;重大事件;发展时期;研究方法 中图分类号 Q811 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2007)15-04404-02 A na lysis of the Developm ent P ro gress o f Bio nics LIU Fu-lin (Depart ment of Life Scien ce,S hangq iu Normal College,Shangqiu,Henan476000) A bstract The research on the bionics is imp ortan t in science innovation all over the word.In the article four devel op ment periods of b ionics includ in g bu ddin g,b uild ing,strengthen and modern were reviewed.The i mportant contribution of bionics to research idea and means of resource in novation was pointed out,which may be ap plied in all fiel ds in future for unpreced ented res earch results. Key w ords B ion ics;Great event;Devel op ment period;Research means 仿生学的诞生与发展过程分为4个时期:仿生学萌芽时期;仿生学建立时期;仿生学巩固时期;现代仿生学时期。 1 仿生学的萌芽时期(远古时代至1940年) 在人类文明的早期,为了生存,人类不得不对其赖以饱腹的动植物的生活习性以及周围世界的各种自然现象进行观察。因此,从远古时代起,人们实际上就已在从事仿生学工作。例如,相传春秋战国时代(公元前450～500年),鲁班上山伐木途中,手指为茅草划破,从而受到启发,经反复实践,终于制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯[1]。2300多年前墨子和他的300弟子,花了3年时间,造成一只“会飞的木鸟”,同时间希腊人阿奇太也制成一只“机械鸽子”。自古就有许多中外人士模仿鸟类飞行试制飞行器,但都不成功,原因在于不了解鸟类的形态构造和生理机能适于飞行的科学原理;又不了解人不具备飞行的生理条件,人要上天,必须依靠机械动力才有可能。1903年12月17日,美国人莱特兄弟飞机飞行的成功便是一例。另外,1884年,人们受到蚕食桑叶吐丝的启迪,利用硝酸液处理棉绒,制成硝酸纤维素,由法国化学家德贝尔尼戈·夏尔多内首次成功地将硝酸纤维素制成硝酸纤维。同年,英国人查尔斯·克劳斯(Charles·F·Cr oss)和爱德华·贝文(Edwa rd·J·Be van)申请了第1个醋酸纤维制造方法的专利,这两种纤维的问世是仿生学运用的成果。但这些发明和尝试,在人类文明史上犹如点点星火,一闪而灭,始终未能形成一门独立的学科[2]。总之,20世纪40年代前,人们对于生物体与机器之间有无共同之处,还缺乏明确认识,还不具备将二者进行类比的必要的基础知识。工程技术人员还不了解生物系统可成为各种技术思想、设计原理以及发明创造的源泉,生物学家也只局限于研究和描述生物结构的精巧、功能的神奇。因此,从远古到1940年属于仿生学的萌芽时期。该时期,人类的各种仿生现象与成果不断涌现,为这门科学的诞生积蓄了实践经验与感性认识。 2 仿生学的建立时期(1940～1960年) 20世纪40年代,工程技术领域中出现了调节理论,人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比,认识到二者具有 作者简介 刘福林(1965-),男,河南商丘人,副教授,从事管理仿生学研究。 收稿日期 2007-02-28自动调节系统。1944年,一些科学家已经明确机器与动物在自动控制、通信和统计动力学等一系列问题上是统一的,具有共同之处。同一个时期,美国的一位年轻工程师申农(C. Sha nnon)提议建立了一门叫作“信息论”的科学。从此,开展了大量关于信息传递与处理的研究工作,深刻认识到一切通信与控制系统所共有的特点。对许多研究工作得到的结果进行理论概括,并将技术控制系统的控制机理与现代生物科学所发现的动物体中的某些控制机理进行类比,又逐渐形成了一门新的科学“控制论”。1949年,控制论创始人、美国科学家维纳(N.Wie ner)出版了《控制论》一书,对这一学科的思想和概念等作了比较全面的论述。维纳着重指出,控制论是研究机器和生物体中控制与通信的科学。科学研究和生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来,成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁,奠定了生物与机器在控制与通信上进行类比的科学理论基础。随着这两门学科的结合与渗透,人类就为自已找到了一条新的技术发展道路———向生物界索取设计蓝图,并于1960年9月诞生了一门新的交叉科学———仿生学。1960年9月13～15日,在美国俄亥俄州达顿城(Da yto n)的一个空军基地,召开了美国第一届仿生学讨论会。在20世纪50年代已成为一门独立学科的“仿生学”,在这次会议上被正式命名。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J.E.斯蒂尔(Jac k Ellwo od Steel)博士,给这门新诞生的科学分支起了一个名字叫做bionics(仿生学)。斯蒂尔博士给它下了这样一个定义:“仿生学是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”,简单一句话,仿生学就是“模仿生物的科学”[3]。因此,从1940～1960年属于仿生学的建立时期。 该时期,人类在仿生学研究中的最大贡献是建立了仿生学理论。从实质上看,仿生学的诞生带给人类的是创新的理念与方法,即向生命系统学习的理念,模拟生命系统的方法。使人类从一个崭新的视角透视世界,发现前人未发现的事物,实现科学技术的原始创新,这是其他科学无法比拟的优势。 “提出模型,进行模拟,这就是仿生学的基本研究方 安徽农业科学,J ou rn al of An hui Agri.Sci.2007,35(15):4404-4405,4408 责任编辑 罗芸 责任校对 李洪
仿生学
1、1体温得测量方式及正常值 生命指征得定义 三种测量体温得方法:1、口测法2、肛测法3、腋测法 体温正常变化范围 体温异常 发热程度 1、1、2仿生学得起源 1、2仿生学得诞生 仿生学得定义就是1960年提出 1、3仿生学与科技创新得关系 仿生学就是科学与技术原始创新得不竭动力。 1、4、1仿生需求(一) 仿生需求:1、健康需求2、军事需求3、发展需求4、精神需求5、兴趣需求 1、4、2仿生模本(二) 仿生模本:1、生物模本2、生活模本3、生境模本 1、4、3仿生模拟(三) 仿生模拟:1、形似模拟2、神似模拟 1、4、4仿生制品(四) 仿生制品:1、非生命得仿生制品2、生命零部件得仿生制品 第二章从灵感到制造得创新过程——仿生学得研究方法 2、1生物模本分析 生物体→生物模型→数学模型→实物模型→技术装置 问题提出→典型生物体分析→建立生物原型 2、2仿生原理分析 仿生原理分析: 形态、成分、生物电、分泌物、弹性与柔性、生物活性 2、3实物模型建立 实物模型建立: 1、建立数学模型:数理统计、有限元、试验优化、分形分维、灰度分析、层次分析、动态过程、模型分析 建立实物模型:推土部件、铲装部件、耕作部件、储运部件 建立实物模型:推土部件(推土铲、推土板) 铲装部件(挖斗、铲斗) 耕作部件(犁壁、深松铲) 储运部件(步行轮、气垫车、驼蹄轮胎、自卸车箱) 第三章适者生存——军事仿生 3、1、1仿生武器装备1 军事仿生学研究方法(3阶段,3研究方法) 生物结构与兵器制造; 1、模仿生物得生物结构制造十八般武器:刀、戟、抓鞭与锏 3、1、2仿生武器装备2 飞机与鸟与昆虫蜻蜓可作长时间得悬停,苍蝇可以随意转变方向每根羽毛有专属得肌肉,鸟得喙就是中空得,鸟类全身设计都就是为了飞行 奥拓利林塔尔:滑翔机之父莱特兄弟1903年:飞行一号信天翁;展翅比飞机震颤问题军用飞机:歼击机、轰炸机,无人机 3、1、3仿生武器装备3 潜艇与鱼与海兽下潜与上浮水母,乌贼,鱼最初就是在水柜里冲水戴维布什内尔:美国第一潜艇Tuetle(1776) 富尔顿(1801—法)鹦鹉螺号动力: 人力电动机—柴油/汽油发动机速度与动力利用效力海豚:外表皮层,乳突在真皮层, 40~48公里每小时,70~100公里每小时冲
我对仿生学及仿生机械学的认识
我对仿生学及仿生机械学的认识 一、仿生学及仿生机械学简介 仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。 仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语言bion上，加上有工程技术涵义的ices而组成的词语。大约从1961年才开始使用。生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潜艇设计原理上。仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。 仿生学的诞生是建筑在生物科学的进步、以及与电子学的相互渗透的基础上。实际上它是一门涉及广阔领域的综合性的边缘学科，若以电子学为中心来考虑，就构成了仿生电子学，若以机械学为中心来考虑，则构成了仿生机械学。
如果把传统的机械称之为一般机械的话，仿生机械应该是指添加有人类智能的一类机械。在物理和机械机能方面，一般机械要比人类的能力要强许多，但在智能方面却比人类要低劣的多。因此，若把人——机结合起来，就有可能使一般机械进化为仿生机械。从这一角度出发，可以认为仿生机械应该是既具有像生物的运动器官一样精密的条件，又具有优异的智能系统，可以进行巧妙的控制，执行复杂的动作。 仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。仿生机械学的研究动向包括以下几种： （1）生物材料力学和机械力学 以骨或软组织（肌肉、皮肤等）作为对象，通过模型实验方法，测定其应力、变形特性，求出力的分布规律。还可根据骨骼、肌肉系统力学的研究，对骨和肌肉的相互作用等进行分析。 另外，生物的形态研究也是一大热门。因为生物的形态经过亿万年的变化，往往已形成最佳结构，如人体骨骼系统具有最少材料、最大强度的构造形态，可以通过最优论的观点来学习模拟建造工程结构系统。 （2）生物流体力学 主要涉及生物的循环系统，关于血液动力学等的研究已有很长的历史，但仍有许许多多的问题尚未解决，特别是因为它的研究与心血管疾病关系十分密切，已成为一门倍受关注的学科。 （3）生物运动学 生物的运动十分复杂，因为它与骨骼和肌肉的力学现象、感觉反馈及中枢控制牵连在一起。
仿生学-人类通过从动物身上得到的启发发明了很多东西
仿生学-人类通过从动物身上得到的启发发 明了很多东西 动物和人有着千丝万缕的联系，“仿生学”就是人类从动物身上获取灵感进行创造发明的一门先进科学。人类通过从动物身上得到的启发发明了很多东西。 小巧的蜂鸟不仅能垂直起落，而且在吮吸花蜜时能取直立姿势，悬在空中进退自如；野鸭能悠然自得地飞行在9500米的半高空；鸽子能够感受地震；海鸥、信天翁这些海鸟却可以通过眼睛附近一条盐腺把喝下去的海水中的盐分排出；鹰在高空具有超强的视力…… 那么，人类能从鸟类身上模仿出这些功能吗？ 从始祖鸟的出现到现在，在这亿万年的漫长进化过程中，鸟类形成了许多卓有成效的导航、识别、计算、能量转换等系统，其灵敏性、高效性、准确性、抗干旱性都另人惊叹不已。人们研究这些结构和功能原理并加以模拟，用来改善现有的或创造新的机械、仪器、工艺，这就是仿生学研究的一项重要内容。 仿生学是1960年正式诞生的一门综合的边缘科学。目前，仿生学的研究，着重了下列几个方面。
感觉器官的访生。根据生物的感觉器官，来研制能够接受、记录和测定信号的装置。特别是各种有关视觉、听觉、嗅觉、触觉以及包括冷热、酸痛、振动和平衡等等感觉方面的新颖传感器。生物的各种感觉器官，经过千万年的锤练，无论在选择性、适应性、灵活性、灵敏度、抗干扰性、微型化等方面，和我们目前各种自动装置中的传感器相比较，都优越得多。 自组织系统和神经元的访生。主要是为了研制新颖的自动控制系统。生物控制器官的研究，重点是大脑系统，揭开它的秘密，对创造人工的信息发射、按收、传送、加工和贮藏等装置，是非常有益的。 生物运动器官的仿生。例如肌肉是一个高效率的发动机，它把化学能变换为机械能，其效率在80%左右，而近代汽轮发电机系统的效率—殿只在40%左右。据报道，一种用聚丙烯酸制成的“人造肌肉”已经问世，它的应用远景是广阔的，如用于宇航来控制宙飞船；通过人造肌肉，也可以利用河水与海水之间存在着的天然的化学能差，来获得大量的廉价的机械能。 生物力学的仿生。科学工作者在研究鸟类、昆虫、鱼类等结构的基础人已经创造了模拟各种生物在陆上、空中、水里的运动器官。如可供实用的扑冀机；模仿膝关节的液压系统；能提高鱼雷航速的人工
仿生学的发明创造
仿生学的发明创造 1.从令人讨厌的苍蝇身上，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。 2.从萤火虫到人工冷光。 3.从电鱼到伏特电池。 4.水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。 5.人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。 电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。 6.根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。 7.模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。 8.根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器——步行机。 9.现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。 10.屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。 11.船桨模仿的是鸭的蹼。 12.锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。 13.苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。 14.嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。 15.壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。 16.贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手
仿生学
探讨仿生原理与创新设计（小二号，黑体） 学□□生：×××（五号，宋体） □□摘□要：（小四号，黑体）（正文：五号，宋体） □□关键词：（小四号，黑体）（正文：五号，宋体） □□那些仔细观察过大自然的人，肯定会对各种不同形状和颜色的动植物非常熟悉，而且会清楚地知道哺乳动物、鸟类和昆虫身体构造的区别。各种动物具有不同的身体构造，这种现象绝非偶然。在漫长的过程中，大自然创造了不同种类的动物和植物，通常情况下，它们都可以很好地适应周围的生存环境。我们将这样的进程称为进化过程。 动植物与各种工程技术产品之间存在着一些共同点，即工程技术产品也必须与其使用的环境相适应。例如，我们无法穿着精致的高跟凉鞋去登山。 这样，人们开始为日常生活中碰到的很多问题，寻找聪明的解决办法。对动植物的观察可以使人获得启发，从而找到解决问题的办法，并将其转化到技术中。仿生学就是这样产生的。 一、仿生学（一级标题顶格书写）（小三号，黑体） □□（正文：小四号，宋体） （一）大自然带来的启发什么是仿生学？ 仿生学是由“生物学”和“技术”这两个概念组成的。生物学是研究生命体的科学，因此仿生学是将生物学和工程技术相结合的交叉学科，也可以将仿生学描述为：从大自然中获得灵感，然后用它来发明新技术。 那些仔细观察过大自然的人，肯定会对各种不同形状和颜色的动植物非常熟悉，而且会清楚地知道哺乳动物、鸟类和昆虫身体构造的区别。各种动物具有不同的身体构造，这种现象绝非偶然。在漫长的过程中，大自然创造了不同种类的动物和植物，通常情况下，它们都可以很好地适应周围的生存环境。我们将这样的进程称为进化过程。 动植物与各种工程技术产品之间存在着一些共同点，即工程技术产品也必须与其使用的环境相适应。例如，我们无法穿着精致的高跟凉鞋去登山。 这样，人们开始为日常生活中碰到的很多问题，寻找聪明的解决办法。对动植物的观察可以使人获得启发，从而找到解决问题的办法，并将其转化到技术中。仿生学就是这样产生的。 （二）仿生学研究的主要内容 力学仿生，是研究并模仿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内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速； 分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激
植物仿生学实例
植物仿生学 一、植物仿生学 大自然带给了人类无穷无尽的想象力，启示我们发明创造。人们根据植物的功能、形状等制造了各种各样的工具。源于“叶”的 灵感 ①叶缘启示： 相传春秋战国时期（公元前507年——公元前444年），中国建筑鼻祖木匠鼻祖—鲁班，在上山砍伐途中，攀爬时 手被锯齿草的边缘的齿划伤了，他仔细观察发现，原来叶子边缘有两排锋利的锯齿，于是受此启发，并经反复实践，制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯。
② 叶脉的启示： 浮水植物王莲有“水中花王”之称，一个体重35kg 的人坐在上面也不会下沉， 原来王莲圆形叶片上的直径可达1-2.5米，背面有许多相互交错的叶脉骨架结构， 里面还有气室使得叶子稳定的浮在水面，受叶脉支撑作用的启示，英国著名建筑 师约瑟，以钢铁和玻璃为建材，设计了一个顶棚跨度很大的展览大厅—“水晶宫”， 它既轻巧、雄伟又经济适用，不仅成就了1851年的第一届世博会，也为近现代功 能主义建筑构建了雏形。 植物仿生学
③叶子排列的启示 车前草，叶子在茎上排列成的螺旋状，夹角为137030’30”。一层顺着一层，错落有致。只有这样叶子才能得到最多的阳光。建筑师根据车前草对植物的通风、采光都具有最佳效果的特性，建造了螺旋状的高楼，这样既通风，又使高楼各个部分受到均匀的太阳光。建筑仿生学是大有作为的一门使用科学技术，他将帮助人们征服地下、天空和海洋，建筑蔚为壮观的地下街区、海底乐园和太空体育城。 植物仿生学
④ 叶序的启示 德国波恩大学的科研人员发现，莲叶上有许多非常微小的绒毛和蜡质凸起物。这种粗 糙的叶片是干净的，而表面光滑的叶片反而需要清洗。模仿莲叶的自净原理，人们开发 出具有防污功能的自净涂层产品，其表面会形成类似茶叶的凹凸形貌，构筑一层疏水层。 这样一来，灰尘颗粒只好在涂层表面“悬空而立”，并最终在风雨冲刷下“一扫而净”。 此外，叶面形状也启迪了人们的思维。椰子树很高，叶片巨大，但每遇飓风和暴雨也很 少被折断。研究发现，椰子叶面呈“之”字形，可以承受更大的压力。 据此，建筑师设计出了结构薄、面积大 的楼房顶棚、薄状石棉板等。 植物仿生学
小学四年级语文：生物的启示——仿生学的诞生
小学四年级语文：生物的启示——仿生学的诞生仿生学是向生物学习的科学，是人们有意识地将自然原理加以推广应用的一种思维方法。从生物的结构想到人工产品的结构人们创造了类似茅草的锯子，制成了类似蛋壳的屋顶，建成了类似大树的电视塔。从生物的行为中得到启示学者们研究袋鼠的育儿行为(把幼鼠放进育儿袋中)，美国医学家研制出模仿袋鼠袋的装置，拯救了世界上无数早产儿。从生物的习性中发现其中的价值英国女人类学家古多你在坦桑尼亚的森林中发现猩猩每天要到较远地方去吃几片阿斯辟亚灌木的树叶，经过对叶子的化验、分析，从中提炼出有效成份生产出高效杀菌剂。从生物的形态特征中，启示了人们仿制出鱼雷艇。 近30年来，人们向生物系统索取设计蓝图，使军事、化工、机械、建筑等科学领域发生了根本性的变化，新事物层出不穷：从雪地行走的企鹅，人们发现了越野汽车；利用六角形结构蜜蜂窝，生产出了蜂窝材料；从青蛙突出的眼睛，制造了电子蛙眼等。 科学家们又想到，目前飞机虽飞得高，但在陡然起飞，向上飞升方面不如昆虫；核潜艇的航速还比不上海脉，今天，通过仿生学一定会揭开更多的生物界奥秘，在21世纪将会解决一些重要的科学难题。 生物对建筑的启示 北极熊的御寒外套启示科学家进行节能建筑的研究，法国建立了第一批示范性试验性透明热防护系统；英国建筑师根据蜘蛛网原理，为土耳其的伊斯坦布尔足球俱乐部设计出一座带屋顶的看台；津巴布韦建筑师根据白蚁巢(cho)穴调温的原理建立了一座新型的节能大楼；英国建筑师约瑟根据王莲叶片结构，设计建造了一座顶棚(png)跨度极
大的展览厅，整个建筑很有特点，既结构轻巧，又明亮壮观，还经济耐用。 动物的定向与导航，对于研制新的航空和航海导航仪有很大的帮助。如海龟游出几兆米外,3年后仍可游回原产卵地。海龟的导航系统正在成为航天、航空、航海等研究工作的重点。 酶学仿生也是人们研究的重点。模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。氢是无污染的能源物质，利用光合作用获得氢能源，将引起动力工业的革命。 机器人有应用生物电流的技术装置假手。假手不仅能做动作，而且能够随环境的变化而自动调整动作。
仿生学作文
仿生学作文 许多动物的尾巴都有保持平衡的作用，像小松鼠在很高的树上跳来跳去，就是靠大尾巴来保持平衡的。 小猫经常在树上或屋顶上跑来跑去，动作又快又灵活，也不会摔伤，那么为什么小猫从屋顶上跳下来不会摔伤呢？ 我上网查了查资料。原来，小猫具有很好的平衡能力，它从高处往下跳的时候，总是脚先着地，身体站得稳稳的。小猫的尾巴也能帮助它保持平衡，还有啊，小猫的脚底长有一层厚厚的肉垫，就像穿上了柔软的运动鞋，所以小猫从高处跳下来时不会摔伤。 根据这个启示，我有了一个新奇的想法，那就是：我想发明一种运动鞋。这种鞋是专门为小孩子设计的，小孩天生就是活蹦乱跳的，在他蹦跳的同时难免会因为没站稳而磕伤膝盖或胳膊，这双运动鞋就解决了这个问题。鞋子的鞋底，最底层是硬的。但中间层是软的，穿着非常舒适，当小孩子从高处跳下来时，这种鞋还有一种保持平衡的作用，所以落地时也会站得稳稳的、轻轻的，就像小猫一样。 这种鞋的图案也是小孩子最喜欢的“喜羊羊与灰太狼”的图案，颜色也有很多种:有白色的、有黑色的、有淡蓝色的、还有浅紫色和浅粉色等等。我想如果真有这样的鞋发明出来，应该会很受广大市民欢迎的吧？ 回音壁与仿生学 有一天，我和爸爸站在山顶上，看着眼前的美景，情不自禁地大叫起来，这时，传来了一阵阵回声，爸爸就给我讲起了北京的回音壁。 “北京的回音壁是一个声学建筑物，只要向回音壁小声地说一句话，在另一边的人也能听得到，这就是回音。因为声音像光一样，也可以反射回来。” “那为什么站在小屋子里就听不到回声了呢？”我问道，“因为房子太小，反射回来的声音用时太短了，基本上跟原来的声音重合在一起难以分辨。如果站在一间大屋子里说话就能听见回声了，这是因为反射回来的声音时间长，跟原来的发声就有了足够的时间间隔。人们通过回声的原理，发明了超声波探测仪，这就是仿生学原理。” 仿生学还有很多例子，如人们通过长“牙齿”的草发明了锯东西的锯子，贝壳内的蛋白质生成的胶质非常坚固，于是可以用它来做外科手术的缝合线……。 大自然是人类的老师，给了我们许多启示。我们要用锐利的眼睛去观察它，才会产生一个又一个的奇迹。
8条飞机设计中的仿生学原理
8条飞机设计中的仿生学原理 天鹅绒、鲨鱼皮与飞机在空气动力学设计上的创新有何相干？在航空学领域，越来越多的新想法都来源于自然界中各种各样的结构、器官和材料。在未来，这些在大自然中经过无数次尝试与检验洗礼的设计仍将成为激发我们创意的巨大源泉。 天鹅绒、鲨鱼皮与飞机在空气动力学设计上的创新有何相干？有一个专门的学科可以给你答案。此学科致力于从大自然中汲取灵感并效法自然。它就是“仿生学”。其设计灵感皆源于自然。仿生学家通过研究和模仿自然界中最优秀的创意来解决人类遇到的种种问题。在航空学领域，越来越多的新想法都来源于自然界中各种各样的结构、器官和材料。在未来，这些在大自然中经过无数次尝试与检验洗礼的设计仍将成为激发我们创意的巨大源泉。 【荷花效应】 在现在的进化阶段，荷叶表面的角质可以使其表面的雨水滚落并带走污浊以保持自身的清洁与干燥。这就是“荷花效应(the Lotus Effect)”。荷叶的这种特性激发了人们在机舱设备涂层设计上的灵感。这种涂层可以使水分以滚珠的形式流走并同时去除污物。这样就提高了飞机的清洁度，同时还能省水，减重，降耗并减
少碳排放。此灵感已经在空客飞机上的卫生间得到了应用。在未来，座位和地毯的材料也很可能被这样设计。 【可移动的机翼表面】 海鸟可以通过喙部察觉出空气中的阵风荷载量(Gust Load)，并通过调节翅膀的形状抑制升力。新型的空客A350 XWB在机头的探测器就可以检测风力并利用其可移动的机翼表面提高飞行效率。此设计可以进一步节能减排。 【来自老鹰的翼尖帆设计灵感】 对于像草原雕这样的大型鸟类，如果其翅膀过长，转向时的半径就会过大，从而使其在飞翔时无法利用热空气柱上升。实际上，鹰的翅膀完美地结合了最大的升力和最小的翅膀长度。它们会将翅尖羽毛向上卷曲，从而形成近乎90°的夹角。这能减小空气中的漩涡，提高飞行效率。若按传统方法设计，A380的翼幅将比国标机场可容纳的距离大出3米。不过，多亏了“翼尖帆(Winglet)[1]”——这种小巧的设计模仿了鹰类向上卷曲的羽毛，A380的翼幅比国标机场限值还少20厘米，却可以为世界上最大的客机提供足够的升力和飞行效率（节能、减排并减
仿生学仿生学(bionics)是模仿生物系统的原理来建造技
昆虫与仿生 彩万志 （中国农业大学昆虫学系） 仿生学(bionics)是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学。自从人类诞生就开始了仿生活动，但仿生学作为一门学科是1960年6月在美国召开的一个学术会议上提出的，它是一个涉及生物学、数学、物理学、化学、神经学、自动化、控制论等多学科的综合性边缘学科。其实质就是模仿生物制造各类设备。因此，首次仿生学会议的副标题就是“生物原型---新技术的钥匙”。 全球昆虫种类1000万种、占全球生物种类的1/2、占全球动物种类的2/3。在漫长的生物进化史中，鼎盛一时的三叶虫灭绝了，庞大的恐龙消失了……而小小的昆虫却一直繁荣至今。除了昆虫具有惊人的繁殖能力、适应能力外，它们在形态、生理、行为等方面具有很多绝妙之处。有很多地方连人类也自叹不如，如螳螂能够在0.05秒内一跃而起，捕捉到空中飞行的猎物，这一速度连目前的微电子和自动化技术都达不到。所有这些独到之点，都是仿生学的丰富资源。 昆虫的形态千姿百态，千差万别，从头到尾，从里到外，与仿生学相关之处甚多，大体有以下五个方面。 (1) 昆虫的头部与仿生昆虫的触角与各式各样的天线、昆虫的复眼与蝇眼相机、虫眼导弹、地对空速度仪、空对地速度计、偏振光导航仪等。 (2)昆虫的胸部与仿生翅的花纹与军事伪装、鳞片与计算机散然装置、鳞片结构与卫星控温、鳞片结构与防伪纸币、翅痣与飞机的减震装置、平衡棒与振动陀螺仪等。 (3) 昆虫的腹部与仿生蝗虫的产卵器和钻井装置、腹节的构造与套筒装置、腺体系统与火箭设计等。 (4)昆虫的生理与仿生几丁质与仿生材料、弹性素与弹跳鞋、肌肉发动机和燃料电池、昆虫的泌丝与人造纤维等。 (5)昆虫的行为与仿生昆虫的飞行与虫形飞机、昆虫的巢穴与建筑、蜜蜂巢房的结构与仿生、昆虫的发音与仿生、昆虫的发光与仿生、昆虫的化学通讯与仿生、毛虫的行走与战地越野车、尺蠖的行走与新型坦克、蜜蜂的访花与电子蜜蜂等。 此处，仅以翅的结构、飞行动力学为例简单介绍一下虫型飞机方面的仿生学进展。 一、虫型飞机的概念 昆虫是动物界中最早获得飞行能力的类群，也是无脊椎动物中惟一具翅的类群，其高超的飞行技巧时常使自认为万物之灵的人们愧叹弗如。吴承恩笔下的齐天大圣孙悟空会七十二般变化，一个筋斗能翻十万八千里，腾云驾雾、上天入地，好不自在！但在吴大师的心目中，孙悟空显然不如蝴蝶那么潇洒，在描述孙悟空所变的蝴蝶时，他这样写道：“一双粉翅，两道银须。乘风飞去急，映日舞来徐。渡水过墙能疾俏，偷香弄絮甚欢娱。体轻偏爱鲜花味，雅态芳情任卷舒。”从这些描写中，我们不难看到到他对蝴蝶翩翩起舞的羡慕之情。的确，每当春暖花开、万象生烟之际，美丽的蝴蝶双双对对在花间款款飞舞，不免使人顿发希望自己也能像蝴蝶那样自由飞翔的感慨。 人类渴望了上百万年的飞天梦，直到1903 年，美国的莱特兄弟成功地进行了动力载人飞行的那一刻才真正成为现实。在此后的100多年中，航空器的大型化、高速化、智能化一直是航空研究领域的主流。但是，20世纪90年代以来，随着微电子、微电子机械系统、微型照相机、微型红外传感器、微型检测器和计算机芯片等技术的飞速发展，飞行器的设计又始出现向小型化、微型化发展的趋势。