生命科学技术选讲.pptx
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1、 生命科学技术选生命科学技术选讲讲本章内容本章内容仿生学仿生学现代生物材料现代生物材料开启新技术的钥匙开启新技术的钥匙仿生学目目 录录v前言v信息仿生v控制仿生v拟态仿生v力学仿生v化学仿生v整体仿生前言前言一、仿生学简介一、仿生学简介二、仿生学研究二、仿生学研究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凤蓬草凤蓬草 轮子轮子鱼尾鱼尾 船橹船橹人眼晶状体人眼晶状体 透镜透镜生物电生物电 电池电池鸟鸟 飞机飞机生活中的仿生学生活中的仿生学前言仿生学仿生学(Bionics)模仿生物系统的原理以建造技术系模仿生物系统的原理以建造技术系统,或
2、者使人造技术系统具有生物系统统,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特征或类似特征的科学。仿生学的概念仿生学的概念前言二二.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。前言生物体生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前言一、青蛙与电子蛙眼一、青蛙与电子蛙眼二、水母与电子耳二、水母与电子耳信息仿生信息仿生青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼神经节
3、细胞有神经节细胞有4种:种:“边缘侦察器边缘侦察器”“昆虫侦察器昆虫侦察器”“事件侦察器事件侦察器”“光强减弱感受器光强减弱感受器”青蛙的视觉系统信息仿生青蛙与电子蛙眼青蛙与电子蛙眼由透镜(晶状体)由透镜(晶状体)在视网膜上形成光在视网膜上形成光学图像后,经过视学图像后,经过视细胞、双极细胞、细胞、双极细胞、输出细胞(神经节输出细胞(神经节细胞)而送往大脑细胞)而送往大脑中枢中枢青蛙的视觉系统信息仿生“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信息仿生一、蛇的红外探测一、蛇的红外探测二、蝙蝠与超声波二、蝙蝠与超声波三、蛾的反雷达技术三、蛾的反雷达技术四、动物的天然导航四、动
4、物的天然导航控制仿生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
5、蝠与超声波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脑脑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神经纤维神经纤维 气囊气囊听觉听觉细胞细胞感受器感受器鼓膜鼓膜角质皱折角质皱折非听觉非听觉细胞细胞听觉系统听觉系统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一些动物利用日月星辰
6、导航,也有些动物辰导航,也有些动物利用海流、海水成分、利用海流、海水成分、地磁场、重力场等进地磁场、重力场等进行导航,为研制通讯行导航,为研制通讯设备和新型导航仪器设备和新型导航仪器提供启迪。提供启迪。控制仿生定义:定义:生物界中普遍存在着拟态,现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拟态仿生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坦克的迷彩着装坦克的迷彩着
7、装拟态仿生一、生物与造船一、生物与造船二、生物与飞机二、生物与飞机三、生物与建筑三、生物与建筑力学仿生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”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种人工模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液,以减小湍流。粘液,以减
8、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边海豚游泳时身边的水流很小的水流很小力学仿生鹰击长空鹰击长空啸傲云天啸傲云天生物与飞机力学仿生生物与飞机达达芬芬奇奇设设计计的的扑扑翼翼飞飞机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力学仿生飞鸟的体形和飞鸟的体形和翅膀在滑进飞翅膀在滑进飞行时与飞机的行时与飞机的飞行极为相似飞行极为相似生物与飞机昆虫与飞机昆虫与飞机昆昆虫虫翅翅膀膀的的运运动动力学仿生昆虫飞行时翅膀的昆虫飞行时翅膀的运动很复杂,其角运动很复杂,其角度的变化控制比目度的变化控制比目前的
9、飞行自动驾驶前的飞行自动驾驶仪还好。仪还好。生物与飞机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生物与建筑力学仿生东东京京中中银银舱舱体体楼楼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力学仿生一、人工嗅觉一、人工嗅觉二、仿生物膜二、仿生物膜化学仿生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白质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的控制,将气味分子浓缩
10、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。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
11、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流细胞膜的流动镶嵌模型:动镶嵌模型:(1)脂双层脂双层形形 成框架;成框架;(2)蛋白质蛋白质镶镶 嵌其中;嵌其中;(3)具有动具有动态态 特点。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
12、)。化学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生整体仿生智能机器人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:v能制成超高密度的线路。能制成超高密度的
13、线路。v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。v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。整体仿生生物材料生物材料v前言前言v天然生物材料天然生物材料v生物医学材料生物医学材料v组织工程材料组织工程材料v仿生和智能材料仿生和智能材料生物材料的定义生物材料的定义 根据根据1972年以来国际会议年以来国际会议上所广泛接受的定义,认为:上所广泛接受的定义,认为:l与活体相
14、联系的材料与活体相联系的材料l植入活体内能起某种生物体功能的材料植入活体内能起某种生物体功能的材料l模仿生物功能的材料模仿生物功能的材料v前言生物材料学的研究目的生物材料学的研究目的 在分析天然生物材料微装配、生物功能在分析天然生物材料微装配、生物功能及及形成机制的基础上,发展新型医用材料以用形成机制的基础上,发展新型医用材料以用于人体组织器官的修复与替代;发展仿生高于人体组织器官的修复与替代;发展仿生高性能工程材料。性能工程材料。v前言生物材料研究内容生物材料研究内容 天然生物材料天然生物材料生物医学材料生物医学材料 仿生智能与组织工程材料仿生智能与组织工程材料 医学医学工程学工程学生生物物
15、学学材材料料科科学学v前言成分成分丰富元素:丰富元素:C、H、O、N较丰富元素:较丰富元素:Ca、P、Cl、K等等微量元素:微量元素:Fe、Cu、Zn、Mn、Mg等等v天然生物材料原子、分子间作用力 强相互作用:强相互作用:离子键、共价键离子键、共价键弱相互作用:弱相互作用:静电作用、色散力、氢键、静电作用、色散力、氢键、疏水键疏水键天然生物材料天然生物材料天然生物材料水水 核苷酸核苷酸 氨基酸氨基酸 糖类糖类 生物矿物生物矿物装装配配结构特征天然生物材料分 类结构蛋白结构蛋白结构多糖结构多糖生物软组织生物软组织生物复合纤维生物复合纤维生物矿物生物矿物天然生物材料胶原胶原 丝心蛋白丝心蛋白角蛋
16、白角蛋白弹性蛋白弹性蛋白肌肉收缩蛋白肌肉收缩蛋白 成纤维胶原的形成:多肽链成纤维胶原的形成:多肽链 原胶原原胶原 微纤维微纤维 胶原纤维胶原纤维结构蛋白天然生物材料 多糖多糖因其简单的化学合成和极其丰富的资因其简单的化学合成和极其丰富的资源而在商业上极具价值。纤维素、壳多糖、源而在商业上极具价值。纤维素、壳多糖、角叉菜胶、琼脂等可用于建筑、造纸、食物角叉菜胶、琼脂等可用于建筑、造纸、食物稳定剂、纺织以及染织等。稳定剂、纺织以及染织等。天然生物材料结构多糖柔韧的生物复合材料柔韧的生物复合材料可认为是相对刚硬的纤可认为是相对刚硬的纤维或粒子填充在柔软的基质中而形成。维或粒子填充在柔软的基质中而形成
17、。以海葵的骨架为例:以海葵的骨架为例:加州海岸老年海葵中胶层的组成为:加州海岸老年海葵中胶层的组成为:盐盐 5%胶原胶原 6.7%基质基质 2%水水 86%在较大的应力下,胶原纤维取向变化,中胶层在应在较大的应力下,胶原纤维取向变化,中胶层在应力方向变硬;载荷消失后,中胶层又能弹性地恢复力方向变硬;载荷消失后,中胶层又能弹性地恢复原形。原形。生物软组织天然生物材料可承受弯曲和压缩载荷的多组纤维组成,可承受弯曲和压缩载荷的多组纤维组成,应力可相互传递。应力可相互传递。以蝗虫腱为例:原纤维是几丁质,基体是以蝗虫腱为例:原纤维是几丁质,基体是蛋白。蛋白。几丁质是以很强的氢键结合的;蛋白块体几丁质是以
18、很强的氢键结合的;蛋白块体是球状的,它们形成基体并分布在纤维之是球状的,它们形成基体并分布在纤维之间,与其牢牢键合,从而增加了基体的刚间,与其牢牢键合,从而增加了基体的刚度。度。天然生物材料生物复合纤维由生命系统参与合成的天然的生物陶瓷和生物由生命系统参与合成的天然的生物陶瓷和生物高分子复合材料,如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳高分子复合材料,如骨骼、牙齿、珍珠、贝壳和鹿角等。和鹿角等。天然生物材料生物矿物贝壳的结构:珍珍珠珠层层横横短短面面角质层角质层棱质层棱质层 角质层角质层 最外层,很薄,由壳最外层,很薄,由壳 质蛋白构成质蛋白构成 棱柱层棱柱层 中层,由棱柱状方解中层,由棱柱状方解 石石平行排
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