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1.
生物与造船
2.
3.
生物与飞机
生物与建筑
1. 2. 3.
自动化机器 智能计算机
生物计算机
化学仿生
1. 2.
人工嗅觉 仿生物材料
通识教育选修示范课程
整体仿生
通识教育选修示范课程
1.自动化机器
通识教育选修示范课程
2.智能计算机
自 然 语 言 语 音 图 形 图 像 信 息
知识库 管理软件
求解问题 推理软件
通识教育选修示范课程 3.1.3 生物电池
按场所的不同 1、单步反应型生物电池，指利用生物体内的氧化还原物质发生氧化 还原反应制成的生物电池。 2、多步反应型生物电池，指生物体外的氧化还原物质发生氧化还原 反应制成的生物电池。
3、细胞型生物电池，指生物体细胞外的氧化还原物质发生氧化还原 反应制成的生物电池。
3) 电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由 阳极室进入阴极室。
4) 氧气在阴极接收电子，发生氧化还原反应
通识教育选修示范课程 3.1.3 生物电池
2、酶电池 酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。反应原理如下：葡萄糖在葡 萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电 子由介体运送至阳极，在经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在 做过的氧化酶的作用下还原成水。 阳极反应：葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e阴极反应：2O2+2H++2e-→2H2O 普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制 成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型
它们的主要差别是反映场所不同。分别是“于生物体内”，“于生 物体外”以及“与生物体细胞外”。
通识教育选修示范课程 3.1.3 生物电池
1、微生物电池 微生物电池由阳极室和阴极室组成。有一个质子交换膜将两极室分 开。基本反应类型分为四步：
1) 在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子。 2) 介体捕获电子并将其运送至阳极。
12
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2.2仿生机械与生物特点
1. 工程结构 3. 进化 5. 运动条件 7. 极限借鉴 2. 种族延续
4. 结构材料 6. 能量消耗
通识教育选修示范课程
2.3 机器人技术
1. 定义
2. 3. 4. 5. 模仿自然界中生物的外形、运动原理或行为方式的 系统，能从事生物特点工作的机器人。 分类 仿人，包括仿人的机械臂和仿人步行。 仿生物，生物机器人。 特点 多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人， 机器人组成 机构复杂。 其驱动方式不同于常规的关节型机器人， 机器人的发展 通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金 等驱动。
通识教育选修示范课程
3.1.3 生物电池
我们知道，世界上的能量是守恒的。如果把 植物光合作用的能量用于发电，必然会影响 植物的生长。因此，在未来将主要用杂草和 树木来发电，不会用粮食作物、蔬菜和果树 来发电。和传统的太阳能发电一样，“生物 光伏”发电也面临着储能的问题。也就是说， 有阳光照射的时候，电能会源源不断地产生 并需要及时消耗，而在夜晚没有阳光的时候 则不会产生电能，需要用一些储电设备来解 决这个问题。
通识教育选修示范课程
奇异的仿生学 Biomimicry
海洋科学与工程学院 常雪婷 副教授 xtchang@shmtu.edu.cn
18:29:57
通识教育选修示范课程
学习内容
1. 2. 3. 4. 5. 6. 仿生学概论 仿生机器人 能量、动力与电子仿生 仿生化学 仿生纺织品 生物医用材料
通识教育选修示范课程
通识教育选修示范课程
• 4. 机器人的组成 机器人最基本的三大硬件 1 机器人的大脑: 微控制器，微处理器，处理器或者计算器等。 速度 存储容量 端口 编程语言 能耗 2 传感器： 机器人和现实世界之间的纽带。 光学传感器：光敏电阻、摄像头、红外传感器，红外探测器 力传感器：微动开关、压敏传感器 声传感器：microphone，超声波传感器 位置和姿态传感器：光电编码器、陀螺仪、GPS
智能 接口软件 软件
编内 译核 系软 统件 等（ ）智 能 操 作 系 统 、
并 行 处 理 体 系 结 构
知识库 硬件
推理机 硬件 智能接 口硬件 硬件
人机接口
\ \ \
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3.生物计算机
生物计算机的特点
•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 ，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 故障元件； •只要用少量的能量就能工作 ， 不存在发热问题。
3 驱动器： 驱动器就是驱动机器人的动的部件。 电机 液压 气动
15
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机器人的软件，是人工智能研究的主要实际目标，其最根本 问题有： (1)问题求解(对策)。指机器人能按人事先给定的条件和目 标，通过定理证明和启发按索的方法，制定计划，求解问题。 (2)环境了解。指机器人能通过各种信息传感器对周围环境 进行调查，掌握外界情况，并建立环境模型。 (3)知识表达。这是人工智能的一个关键问题。指机器能记 忆工作环境的状态和规律，以及自己的经验等知识，并能自由 地运用。 (4)自然语言处理。指机器人能理解和接受人发出命令的语 言系统，并可用这种语言进行对话。 (5)动作控制。指机器人能按人所给予的任务要求；对机械 手、足进行运动控制。
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3.1.2 生物电原理
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3.1.3 生物电池
生物电池（bio-fuel cells），是指将生物质能直接转化为电能的 装置（生物质蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光 合细菌通过光合作用转化而来的）。
从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内 存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此 影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。
通识教育选修示范课程 3.1.4 生物电池优势
3.1.1 生物电
生物电是生物的器 官、组织和细胞在生命
活动过程中发生的电位
和极性变化。 它是生命活动过程中 的一类物理、物理-化学 变化，是正常生理活动
的表现，也是生物活组
织的一个基本特征。
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3.1.1 生物电
脑电波 δ（1－4Hz）、θ（5－8Hz）、α（9－13Hz）、β（14－ 30Hz）、γ（大于30Hz） δ波（1 ～4HZ）δ波为优势波时，为深度睡眠、无意识状 态。人的睡眠品质好坏与δ波有非常直接的关系。δ波睡眠是一 种无梦很深沉的睡眠状态，如果在辗转难眠时自己召唤出近似δ 波状态，就能很快的摆脱失眠进入深沉睡眠。睡美容觉追求的就 是这种时间短但深沉的睡眠。此外，根据科学研究，δ波亦是开 发人类直觉雷达系统，以及超能神秘力量的关键。 θ波（5～8HZ）θ波为优势波时，人的意识处于半醒半睡的入梦 状态，身体深沉放松，对于外界的信息呈现高度的受暗示状态， 即被催眠状态。θ波对于触发深沉记忆、增加灵感、提高创造力、 强化长期记忆等帮助极大，所以θ波被称为“通往记忆与学习的 闸门”。
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2.1 仿生机械学及研究动向
2.2 生物形态与仿生结构
2.3 机器人技术
2.4 仿生机器人实例分析
18:29:57
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2.1 仿生机械学及研究动向
仿生机械学的研究动向
1．生物材料力学和机械力学
2．生物流体力学
3．生物运动学
4．生物运动能量学 5．康复工程学 6．机器人工程学
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康复工程与假肢技术
根据对功能障碍代偿的目的不同，可把代偿器械分为两大 类： 一类是直接安装于人体上进行代偿失去功能的器械，如各 种假肢、辅助装具等， 另一类是装设于人体外、且构成独立系统的、起间接代偿 功能的器械，如各种环境控制装置、医疗机械手、机器人、 移动机械等。 目前，可实际有效地利用的残存机能大致有下列三种： (1)人体的机械运动位移。 (2)人体的肌肉表面动作电位。 28 (3)呼气压力、声音信号等。
16
通识教育选修示Leabharlann Baidu课程
2.4 仿生机器人实例分析
第一代机器人，是使用存储器、程序控制的自动机，也即 从60年代初期问世、目前能够在工业部门使用的重复型机器 人，常称为工业机器人。它的动作包括示教、存储、再现和 操作四个步序。
17
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2.4 仿生机器人实例分析
第二代机器人，是指具有某些感觉功能的机器人，属于一 种过渡性类型。 第三代机器人，是具有感觉识别又有某些思维功能，并有 这些功能控制动作的智能机器人——具有与人类相类似智能 的自动机械。它的发展主要开始于70年代。已成为开拓高级 自动化的课题，并着手应用到生产实际中。
1. 仿生学概论
1. 首先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内容，取消 与生产技术要求无关的因素，得到一个生物 模型； 2. 第二阶段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“翻译”成具有一定意义 的数学模型； 3. 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。
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3.1.1 生物电
脑电波 δ（1－4Hz）、θ（5－8Hz）、α（9－13Hz）、β（14－ 30Hz）、γ（大于30Hz） α波（9～13HZ）α波为优势波时，人的意识清醒，但身体却是 放松的，它提供意识与潜意识的桥梁。在这种状态下，身心能量 耗费最少，相对的脑部获得的能量较高，运作就会更加快速、顺 畅、灵感及直觉敏锐。 β波（ 14Hz以上）人清醒時大部份时间处于β波为优势波的状 态。随着β波的增加，身体逐渐呈紧张状态，因而削减了体内免 疫系统能力，此时人的能量消耗加剧，容易疲倦，若不充分休息， 容易堆积压力。适当的β波对注意力提升以及认知行为的发展有 积极作用。
Satoshi Tadokoro（田所悟志）
东京消防厅
通识教育选修示范课程
最成功的四足机器人——BigDog
通识教育选修示范课程
3. 地面机器人
18:29:57
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4.仿人机器人
• 仿人肢体型 • 仿人双足型
通识教育选修示范课程
2000年前后，日本 SONY、丰田、本田、 富士通等公司开发并 展示了一系列类人型 机器人产品，具备了 较高的水平。
仿生学的研究方法
仿生的方式
信息仿生 控制仿生 拟态仿生 力学仿生 化学仿生 整体仿生
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信息仿生
1.
控制仿生 .蛇的红外探测 .蝙蝠与雷达 .蛾的反雷达技术 .动物的天然导航
青蛙与电子蛙眼
2.
水母与电子耳
拟态仿生
1. 2.
保护色 形态
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力学仿生 整体仿生
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3.1.1 生物电
心电
通常只安放4 个肢体导联 电极和V1～ V6 6个胸前 导联电极， 记录常规12 导联心电图。
阳离子涌入 除极
阳离子涌出 复极
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3.1.1 生物电
植物的局部电反应
植物的应激性很缓慢并往往局限于受到刺激的区域。它的反应 强度，决定于刺激的强度，在刺激作用点上产生负电位变化。例如， 植物组织受到曲、折（机械刺激），可引起几十毫伏的负电位反应。 植物光合作用中出现的电变化，是一种由代谢变化引起的电反 应。植物进行光合作用的强度取决于叶绿素的含量。因此，如果不 同部位的光照强度或叶绿素含量不同，将使不同部位的代谢强度出 现差异，而且在不同部位之间出现电位差。例如，在太阳草的叶片 上，一部分给予光照，另一部分不给光照，则几分钟之内，两部分 之间可产生50～100毫伏的电位差。在一定范围内，电位差的大小， 与光照强度成正比。
18
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1. 水下机器人
美国东北大学机器七鳃鳗
鳗鲡式的推进效率与波
的传播速度有关,波的传
播速度越快,推进效率就 越高。
北京航空航天大学机器银龙鱼
通识教育选修示范课程
1. 水下机器人
通识教育选修示范课程
2. 空中机器人
通识教育选修示范课程
3. 地面机器人
通识教育选修示范课程
3. 地面机器人
通识教育选修示范课程
亟待解决的难题 • • • • • • 体积重量过大 平台承载能力不强 视觉研究不成熟 步行敏捷性不强 控制方法控制算法需要改进 供能续航问题
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第三章 能量、动力与电子仿生
3.1 生物电电池 3.2 人造肌肉发动机
3.3 现代仿生电子科学
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生物与造船
2.
3.
生物与飞机
生物与建筑
1. 2. 3.
自动化机器 智能计算机
生物计算机
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1. 2.
人工嗅觉 仿生物材料
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自 然 语 言 语 音 图 形 图 像 信 息
知识库 管理软件
求解问题 推理软件
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按场所的不同 1、单步反应型生物电池，指利用生物体内的氧化还原物质发生氧化 还原反应制成的生物电池。 2、多步反应型生物电池，指生物体外的氧化还原物质发生氧化还原 反应制成的生物电池。
3、细胞型生物电池，指生物体细胞外的氧化还原物质发生氧化还原 反应制成的生物电池。
3) 电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由 阳极室进入阴极室。
4) 氧气在阴极接收电子，发生氧化还原反应
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2、酶电池 酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。反应原理如下：葡萄糖在葡 萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电 子由介体运送至阳极，在经外电路到阴极。双氧水得到电子，并在 做过的氧化酶的作用下还原成水。 阳极反应：葡萄糖→葡萄糖酸+2H++2e阴极反应：2O2+2H++2e-→2H2O 普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制 成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型
它们的主要差别是反映场所不同。分别是“于生物体内”，“于生 物体外”以及“与生物体细胞外”。
通识教育选修示范课程 3.1.3 生物电池
1、微生物电池 微生物电池由阳极室和阴极室组成。有一个质子交换膜将两极室分 开。基本反应类型分为四步：
1) 在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子。 2) 介体捕获电子并将其运送至阳极。
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1. 工程结构 3. 进化 5. 运动条件 7. 极限借鉴 2. 种族延续
4. 结构材料 6. 能量消耗
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2.3 机器人技术
1. 定义
2. 3. 4. 5. 模仿自然界中生物的外形、运动原理或行为方式的 系统，能从事生物特点工作的机器人。 分类 仿人，包括仿人的机械臂和仿人步行。 仿生物，生物机器人。 特点 多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人， 机器人组成 机构复杂。 其驱动方式不同于常规的关节型机器人， 机器人的发展 通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金 等驱动。
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3.1.3 生物电池
我们知道，世界上的能量是守恒的。如果把 植物光合作用的能量用于发电，必然会影响 植物的生长。因此，在未来将主要用杂草和 树木来发电，不会用粮食作物、蔬菜和果树 来发电。和传统的太阳能发电一样，“生物 光伏”发电也面临着储能的问题。也就是说， 有阳光照射的时候，电能会源源不断地产生 并需要及时消耗，而在夜晚没有阳光的时候 则不会产生电能，需要用一些储电设备来解 决这个问题。
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• 4. 机器人的组成 机器人最基本的三大硬件 1 机器人的大脑: 微控制器，微处理器，处理器或者计算器等。 速度 存储容量 端口 编程语言 能耗 2 传感器： 机器人和现实世界之间的纽带。 光学传感器：光敏电阻、摄像头、红外传感器，红外探测器 力传感器：微动开关、压敏传感器 声传感器：microphone，超声波传感器 位置和姿态传感器：光电编码器、陀螺仪、GPS
智能 接口软件 软件
编内 译核 系软 统件 等（ ）智 能 操 作 系 统 、
并 行 处 理 体 系 结 构
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推理机 硬件 智能接 口硬件 硬件
人机接口
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3.生物计算机
生物计算机的特点
•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 ，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 故障元件； •只要用少量的能量就能工作 ， 不存在发热问题。
3 驱动器： 驱动器就是驱动机器人的动的部件。 电机 液压 气动
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机器人的软件，是人工智能研究的主要实际目标，其最根本 问题有： (1)问题求解(对策)。指机器人能按人事先给定的条件和目 标，通过定理证明和启发按索的方法，制定计划，求解问题。 (2)环境了解。指机器人能通过各种信息传感器对周围环境 进行调查，掌握外界情况，并建立环境模型。 (3)知识表达。这是人工智能的一个关键问题。指机器能记 忆工作环境的状态和规律，以及自己的经验等知识，并能自由 地运用。 (4)自然语言处理。指机器人能理解和接受人发出命令的语 言系统，并可用这种语言进行对话。 (5)动作控制。指机器人能按人所给予的任务要求；对机械 手、足进行运动控制。
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3.1.2 生物电原理
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3.1.3 生物电池
生物电池（bio-fuel cells），是指将生物质能直接转化为电能的 装置（生物质蕴涵的能量绝大部分来自于太阳能，是绿色植物和光 合细菌通过光合作用转化而来的）。
从原理上来讲，生物质能能够直接转化为电能主要是因为生物体内 存在与能量代谢关系密切的氧化还原反应。这些氧化还原反应彼此 影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。
通识教育选修示范课程 3.1.4 生物电池优势
3.1.1 生物电
生物电是生物的器 官、组织和细胞在生命
活动过程中发生的电位
和极性变化。 它是生命活动过程中 的一类物理、物理-化学 变化，是正常生理活动
的表现，也是生物活组
织的一个基本特征。
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3.1.1 生物电
脑电波 δ（1－4Hz）、θ（5－8Hz）、α（9－13Hz）、β（14－ 30Hz）、γ（大于30Hz） δ波（1 ～4HZ）δ波为优势波时，为深度睡眠、无意识状 态。人的睡眠品质好坏与δ波有非常直接的关系。δ波睡眠是一 种无梦很深沉的睡眠状态，如果在辗转难眠时自己召唤出近似δ 波状态，就能很快的摆脱失眠进入深沉睡眠。睡美容觉追求的就 是这种时间短但深沉的睡眠。此外，根据科学研究，δ波亦是开 发人类直觉雷达系统，以及超能神秘力量的关键。 θ波（5～8HZ）θ波为优势波时，人的意识处于半醒半睡的入梦 状态，身体深沉放松，对于外界的信息呈现高度的受暗示状态， 即被催眠状态。θ波对于触发深沉记忆、增加灵感、提高创造力、 强化长期记忆等帮助极大，所以θ波被称为“通往记忆与学习的 闸门”。
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2.1 仿生机械学及研究动向
2.2 生物形态与仿生结构
2.3 机器人技术
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2.1 仿生机械学及研究动向
仿生机械学的研究动向
1．生物材料力学和机械力学
2．生物流体力学
3．生物运动学
4．生物运动能量学 5．康复工程学 6．机器人工程学
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康复工程与假肢技术
根据对功能障碍代偿的目的不同，可把代偿器械分为两大 类： 一类是直接安装于人体上进行代偿失去功能的器械，如各 种假肢、辅助装具等， 另一类是装设于人体外、且构成独立系统的、起间接代偿 功能的器械，如各种环境控制装置、医疗机械手、机器人、 移动机械等。 目前，可实际有效地利用的残存机能大致有下列三种： (1)人体的机械运动位移。 (2)人体的肌肉表面动作电位。 28 (3)呼气压力、声音信号等。
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2.4 仿生机器人实例分析
第一代机器人，是使用存储器、程序控制的自动机，也即 从60年代初期问世、目前能够在工业部门使用的重复型机器 人，常称为工业机器人。它的动作包括示教、存储、再现和 操作四个步序。
17
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2.4 仿生机器人实例分析
第二代机器人，是指具有某些感觉功能的机器人，属于一 种过渡性类型。 第三代机器人，是具有感觉识别又有某些思维功能，并有 这些功能控制动作的智能机器人——具有与人类相类似智能 的自动机械。它的发展主要开始于70年代。已成为开拓高级 自动化的课题，并着手应用到生产实际中。
1. 仿生学概论
1. 首先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内容，取消 与生产技术要求无关的因素，得到一个生物 模型； 2. 第二阶段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“翻译”成具有一定意义 的数学模型； 3. 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。
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3.1.1 生物电
脑电波 δ（1－4Hz）、θ（5－8Hz）、α（9－13Hz）、β（14－ 30Hz）、γ（大于30Hz） α波（9～13HZ）α波为优势波时，人的意识清醒，但身体却是 放松的，它提供意识与潜意识的桥梁。在这种状态下，身心能量 耗费最少，相对的脑部获得的能量较高，运作就会更加快速、顺 畅、灵感及直觉敏锐。 β波（ 14Hz以上）人清醒時大部份时间处于β波为优势波的状 态。随着β波的增加，身体逐渐呈紧张状态，因而削减了体内免 疫系统能力，此时人的能量消耗加剧，容易疲倦，若不充分休息， 容易堆积压力。适当的β波对注意力提升以及认知行为的发展有 积极作用。
Satoshi Tadokoro（田所悟志）
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4.仿人机器人
• 仿人肢体型 • 仿人双足型
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仿生学的研究方法
仿生的方式
信息仿生 控制仿生 拟态仿生 力学仿生 化学仿生 整体仿生
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信息仿生
1.
控制仿生 .蛇的红外探测 .蝙蝠与雷达 .蛾的反雷达技术 .动物的天然导航
青蛙与电子蛙眼
2.
水母与电子耳
拟态仿生
1. 2.
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心电
通常只安放4 个肢体导联 电极和V1～ V6 6个胸前 导联电极， 记录常规12 导联心电图。
阳离子涌入 除极
阳离子涌出 复极
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3.1.1 生物电
植物的局部电反应
植物的应激性很缓慢并往往局限于受到刺激的区域。它的反应 强度，决定于刺激的强度，在刺激作用点上产生负电位变化。例如， 植物组织受到曲、折（机械刺激），可引起几十毫伏的负电位反应。 植物光合作用中出现的电变化，是一种由代谢变化引起的电反 应。植物进行光合作用的强度取决于叶绿素的含量。因此，如果不 同部位的光照强度或叶绿素含量不同，将使不同部位的代谢强度出 现差异，而且在不同部位之间出现电位差。例如，在太阳草的叶片 上，一部分给予光照，另一部分不给光照，则几分钟之内，两部分 之间可产生50～100毫伏的电位差。在一定范围内，电位差的大小， 与光照强度成正比。
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1. 水下机器人
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的传播速度有关,波的传
播速度越快,推进效率就 越高。
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1. 水下机器人
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2. 空中机器人
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3. 地面机器人
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亟待解决的难题 • • • • • • 体积重量过大 平台承载能力不强 视觉研究不成熟 步行敏捷性不强 控制方法控制算法需要改进 供能续航问题
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第三章 能量、动力与电子仿生
3.1 生物电电池 3.2 人造肌肉发动机
3.3 现代仿生电子科学
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