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仿生学概论概要.pptx
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1、仿生学概论仿生学概论课程结业报告姓名:JLMK班级:机械112学号:2011071156仿生学及其应用仿生学及其应用 仿生学是研究生物系统的结构和性质以及工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学,是涵盖生物电子学、生物传感器、生物仿真材料、生物物理学、生物电机和生物大分子的自装配等的一门交叉学科。主要是研究和建立一类人工系统,使之具有生命系统的某些特性。它具有相似性、多样性、跨学科、复杂性、智能性、综合性、创新性的学科特性。随着生产的需要和科学技术的发展,从随着生产的需要和科学技术的发展,从20世纪世纪50年代以来,人们已经认识到生物系统是开辟新技术年代以来,人们已经认识到生物系统是开辟新技术
2、的主要途径之一,自觉地把生物界作为各种技术思的主要途径之一,自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化化学、想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究,促进了生物学的极大发展,对生物体内功的研究,促进了生物学的极大发展,对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想,而成了可以做到的事实。不再是引人入胜的幻想,而成了可以做到的事实。生物学家和工程师们积极合作,开始将从生物界获生物学家和工程师们积极合作,
3、开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列,而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门列,而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一起,互相渗透孕育出一门新生的科学起,互相渗透孕育出一门新生的科学仿生学。仿生学。仿生学正式诞生于仿生学正式诞生于1960年年9月月。仿生学的诞生和发展历程仿生学的诞生和发展历程 仿生学的研究方向和内容仿生学的研究方向和内容 仿生学的
4、研究方向按照不同的标准可分为不同的种类:1.一方面可分为力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息和控制仿生;2.另一方面也可按电子、机械、建筑、材料、医学、人体、宇宙仿生分类;3.还可按形态、功能、结构、色彩、意象、机理、形式美感进行划分。仿生学的研究内容:仿生学的研究内容是极其丰富多彩的,因为生物界本身就包含着成千上万仿生学的研究内容是极其丰富多彩的,因为生物界本身就包含着成千上万的种类,它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问的种类,它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内,仿生学的研究得到迅速的发展,且取得了很大的成世以来的二十几年内,仿生学的
5、研究得到迅速的发展,且取得了很大的成果。就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。果。就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究,即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来,近些年又出现新的分支,如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等。仿生学的研究内容:仿生学的研究内容:仿生学的研究内容是极其丰富多彩的,因为生物界本身就仿生学的研究内容是极其丰富多彩的,因为生物界本身就包含着成千上万的种类,它们具有各种优异的结构和功能包含着成千上万的种类,它们具有各种优异的结
6、构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内,仿供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内,仿生学的研究得到迅速的发展,且取得了很大的成果。就其生学的研究得到迅速的发展,且取得了很大的成果。就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。生等。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究,即仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究,即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来,近些年机械仿生和化学仿生方面的研究也
7、随之开展起来,近些年又出现新的分支,如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿又出现新的分支,如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等。生学等。仿生学的研究方法、步骤;仿生学的研究方法、步骤;仿生学的主要研究方法就是提出模型,进行模拟。其研究仿生学的主要研究方法就是提出模型,进行模拟。其研究程序大致有以下三个阶段:程序大致有以下三个阶段:首先首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题,是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题,将研究所得的生物资料予以简化,吸收对技术要求有益的将研究所得的生物资料予以简化,吸收对技术要求有益的内容,取消与生产技术要求无关的因素,得到一个生物模内容,取消与生
8、产技术要求无关的因素,得到一个生物模型;型;第二阶段第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析,并使其是将生物模型提供的资料进行数学分析,并使其内在的联系抽象化,用数学的语言把生物模型内在的联系抽象化,用数学的语言把生物模型“翻译翻译”成成具有一定意义的数学模型;具有一定意义的数学模型;最后最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型。当然在生物的模拟过程中,不仅仅是简单的仿生,更重当然在生物的模拟过程中,不仅仅是简单的仿生,更重要的是在仿生中有创新。经过实践要的是在仿生中有创新。经过实践认识认识再实践再实践的多次重复,才能使模拟出来的东西越
9、来越符合生产的的多次重复,才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果,使最终建成的机器设备将与生需要。这样模拟的结果,使最终建成的机器设备将与生物原型不同,在某些方面甚上超过生物原型的能力。例物原型不同,在某些方面甚上超过生物原型的能力。例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力,电如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力,电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点,就是整体性。个突出的特点,就是整体性。仿
10、生学的应用概述仿生学的应用概述:实例1.海豚皮肤生物特性生物特性:海豚的皮肤很柔软,皮肤外层生有无数中空突起,海豚的皮肤很柔软,皮肤外层生有无数中空突起,游泳时,整个皮肤表面能按水的紊流作波浪起伏,游泳时,整个皮肤表面能按水的紊流作波浪起伏,变得和水波的形状一致,这就减少变得和水波的形状一致,这就减少90%的水的的水的摩擦阻力。所以,海豚那种具有特殊组织的皮肤,摩擦阻力。所以,海豚那种具有特殊组织的皮肤,是它游泳速度快的主要原因。是它游泳速度快的主要原因。仿生元素:仿生元素:皮肤外层生有无数中空突起,游皮肤外层生有无数中空突起,游泳时,整个皮肤表面能按水的紊流作波浪起伏,泳时,整个皮肤表面能按
11、水的紊流作波浪起伏,变得和水波的形状一致,这就大大减小了水的变得和水波的形状一致,这就大大减小了水的摩擦阻力摩擦阻力 仿生应用:仿生应用:军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构,把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,可减人工海豚皮包敷在船舰外壳上,可减少航行揣流,提高航速;少航行揣流,提高航速;2.蛋壳与薄壳建筑蛋壳与薄壳建筑 生物特性生物特性:鸡蛋壳虽然非常薄,但是,它所能承受的力与鸡蛋壳虽然非常薄,但是,它所能承受的力与它的厚度的比却是非常惊人的,实事表明蛋壳它的厚度的比却是非常惊人的,实事表明蛋壳呈拱形,跨度大,包括许多力学原理。虽然它呈拱形,跨度大,包括许多力学原理。虽然
12、它只有只有2 mm的厚度,但使用铁锤敲砸也很难破坏的厚度,但使用铁锤敲砸也很难破坏它它。仿生元素:蛋壳呈拱形,跨度大,承受力的能力很强仿生元素:蛋壳呈拱形,跨度大,承受力的能力很强 仿生应用:仿生应用:建筑学家模仿它进行了薄壳建筑建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点:用设计。这类建筑有许多优点:用料少,跨度大,坚固耐用。薄壳料少,跨度大,坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形,举世闻名建筑也并非都是拱形,举世闻名的悉尼歌剧院则像一组泊港的群的悉尼歌剧院则像一组泊港的群帆。帆。3.蝴蝶与仿生蝴蝶与仿生 生物特性:五彩的蝴蝶锦色粲然,如重月纹凤生物特性:五彩的蝴蝶锦色粲然,如重月纹凤蝶,
13、褐脉金斑蝶等,尤其是萤光翼凤蝶,其后蝶,褐脉金斑蝶等,尤其是萤光翼凤蝶,其后翅在阳光下时而金黄,时而翠绿,有时还由紫翅在阳光下时而金黄,时而翠绿,有时还由紫变蓝。科学研究表明,变蓝。科学研究表明,蝴蝶身上的鳞片有随阳光蝴蝶身上的鳞片有随阳光的照射方向自动变换角度的特性,通过这一特性,的照射方向自动变换角度的特性,通过这一特性,蝴蝶可以调节自身的体温。蝴蝶可以调节自身的体温。仿生元素仿生元素:它身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变换角度而调节体温它身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变换角度而调节体温 仿生应用:人造卫星在太空中由于位仿生应用:人造卫星在太空中由于位 置的不断变化置的不断变化可引起温度
14、骤然变化,有时温差可高达两、三百度,可引起温度骤然变化,有时温差可高达两、三百度,严重影响许多仪器的正常工作。科学家受蝴蝶启发,严重影响许多仪器的正常工作。科学家受蝴蝶启发,将人造卫星的控温系统制成了叶片正反两面辐射、散将人造卫星的控温系统制成了叶片正反两面辐射、散热能力相差很大的百叶窗样式,在每扇窗的转动位置热能力相差很大的百叶窗样式,在每扇窗的转动位置安装有对温度敏感的金属丝,随温度变化可调节窗的安装有对温度敏感的金属丝,随温度变化可调节窗的开合,从而保持了人造卫星内部温度的恒定,解决了开合,从而保持了人造卫星内部温度的恒定,解决了航天事业中的一大难题。航天事业中的一大难题。4.澳洲刺角蜥
15、澳洲刺角蜥 生物特性生物特性:全长全长1515公分,皮肤表面上具有许多细沟纹延接公分,皮肤表面上具有许多细沟纹延接至嘴部位置,身体上若沾有水份的话,便可利至嘴部位置,身体上若沾有水份的话,便可利用毛细管原理汲取水份。当夜晚温度下降时,用毛细管原理汲取水份。当夜晚温度下降时,露水会在它身上聚集并通过毛细作用自动流向露水会在它身上聚集并通过毛细作用自动流向它的嘴里。它的嘴里。仿生元素:利用自己身体表面结构特性进行自动集水仿生元素:利用自己身体表面结构特性进行自动集水 仿生应用:根据澳洲刺角蜥自动集水特性,我们发仿生应用:根据澳洲刺角蜥自动集水特性,我们发明了这种集水系统,当空气中的水气遇到较冷的集
16、明了这种集水系统,当空气中的水气遇到较冷的集水器表面凝聚成水珠后,就会沿集水器表面的凹槽水器表面凝聚成水珠后,就会沿集水器表面的凹槽流到集水器底部,在集水器底部同样有凹槽,流下流到集水器底部,在集水器底部同样有凹槽,流下的水将通过底部的开口流入特定的容器内。的水将通过底部的开口流入特定的容器内。5.电鱼与伏特电池电鱼与伏特电池生物特性:自然界中有许多生物都能产生电,仅仅是鱼类就有生物特性:自然界中有许多生物都能产生电,仅仅是鱼类就有500余种余种。人们将这些能放电的鱼,统称为人们将这些能放电的鱼,统称为“电鱼电鱼”电鱼放电的奥秘究竟在哪里电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过经过对电鱼的解剖研究,对电
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