10 能量仿生
生物仿生学原理及其应用
生物仿生学原理及其应用生物仿生学是一门涵盖多个学科的跨学科研究领域，其研究重点在于通过了解生物的结构、功能、行为和环境适应能力，从而为人类的科技发展提供启示和借鉴。
这一领域近年来受到越来越多的关注，并在各个领域得到了广泛的应用。
1. 生物仿生学基本原理生物仿生一词源于希腊语，意为“模仿生物”，因此其基本原理就是从生物学中获取灵感和模仿生物的特点、形态和功能。
对于生物仿生这一领域，最重要的是要了解如何将生物的特征转化为实际的实物或系统。
具体来说，生物仿生学的研究方向包括生物外型仿生、生物构造仿生、生物能量仿生、生物智能仿生等多个方面。
其中，最突出的是借鉴生物外型和构造设计中的各种机械结构、材料特性、运动方式等方面，来设计新型材料或机器系统。
比如，仿生用于设计纳米机器人的研究，仿生运动学用于发展新型的精密加工技术等等。
2. 生物仿生学在不同领域的应用生物仿生学的应用范围非常广泛，以下就来介绍一些典型的领域：（1）仿生机器人仿生机器人在机器人领域中是一个重要的研究方向。
传统的机器人往往是由金属、塑料等材料制成，但是这样的机器人体积较大、重量较重，并且难以完成柔性运动以及表现出类似于生物的协调性动作。
而仿生机器人的设计则是根据动物的生物结构，利用柔性材料、人工肌肉等进行制造。
比如，仿生机器人手臂采用了类似于象鼻的柔性结构，能够完成高精度的定位和夹持，同时不具有原始机械臂所具有的刚性。
（2）仿生材料有许多生物材料具有独特的性能优势，如莲花叶表面具有自清洁作用，越南白蝶可以在低温下存活，由此设计出的仿生材料可以广泛应用于建筑、工程、医疗器械等领域。
当然，由于生物材料大多是有机材料，因此还需要通过特殊处理或改进来满足各种工业应用需求。
（3）仿生飞行器仿生飞行器研究的目的是把飞翔动物的生物性结构、生物物理性能转化为现代飞行器的性能，包括气动性能、结构强度、空气流体设计等。
仿生飞行器不仅形态各异，且新颖而优美，另外其模仿生物的飞翔方式可以更好地适应不同的应用场景。
生活中的仿生学
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—一快干胶炮弹。
那么什么是仿生学呢？
➢ 仿生学是指人类模仿生物功能，来发明创造的科 学。它是20世纪60年代出现的一门新型边缘学科。 研究对象是生物体的结构、功能和工作原理，并 将这些原理移植于人造工程技术之中，用以发明、 创造新技术。该学科的问世，为人类开辟了独特 的制造技术发展道路——向生物界索取灵感的道 路，大大开阔了人类的技术眼界，显示了巨大的 发展潜力，是人类智慧的结晶。
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。
直升机 与
蜻蜓
蜻蜓通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流，并利用气 流产生的涡流来使自己上升。蜻蜓能在很小的推力下翱翔，不但可向前 飞行，还能向后和左右两侧飞行，其向前飞行速度可达72公里/小时。此 外，蜻蜓的飞行行为简单，仅靠两对翅膀不停地拍打。科学家据此结构 基础研制成功了直升飞机。飞机在高速飞行时，常会引起剧烈振动，甚 至有时会折断机翼而引起飞机失事。蜻蜓依靠加重的翅膀在高速飞行时 安然无恙，于是人们效仿蜻蜓在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因 高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题。
信息与控制仿生：是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级
中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如,根据象鼻虫视动反应制 成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的 工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测 的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算 机。
仿生制造技术
飞机高速飞行时，机翼受气 流的冲击常发生颤振，从而 导致机翼断裂、机毁人亡。 科学家从蜻蜓翅膀上的黑色 翅痣(一种较厚的角质组织)， 想到了配重，于是“照葫芦 画瓢”，给飞机机翼上装了 配重，从此，飞机的此类事 故大大减少。
仿生制造技术
定义：模仿生物的组织结构或运行方式，制造仿生结构或
仿生系统（产品）的过程称为仿生制造（Bionic
苍蝇 的平衡棒在飞行时以一定的频率进行机械振动 调节翅膀的运动方向，是保持身体平衡的导航仪。
可恶的苍蝇给我们的启示？
免疫力（活蝇蛆可接种于伤口之中，起杀菌清创， 促进愈合之作用。 ） 平衡能力（飞行器的平衡） 嗅觉（传感器、捕蝇器） 棘毛的作用（减粘）
由于生物的种种神奇功能 人们很早便开始关注“仿生学”
龟壳的背甲呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。 虽然它只有2 mm的厚度，但使用铁锤敲砸也很难 破坏它。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：用料少，跨度大，坚固耐
用。薄壳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帆 因为蛋壳的外形能有
效分散应力，自然界中这种现象还有很多，乌龟
2013年，普林斯顿大学机械和航天工程系副教授迈克尔的研 究小组利用3D打印技术，制造了一种仿生耳，这是一只由生 物材料和电子材料共同组成的人造器官。未来，佩戴上此耳 的人，可能获得超人听力，还可以选择性的过滤掉不想见的 声音，甚至与其他电子设备无线连接。
仿生机构与系统制造
仿生机构与系统制造是以工程仿生学理论为指导，在提取 自然界生物优良性能特征的基础上，模仿生物的形态、结 构、材料和控制原理，设计制造具有生物特征的机构或系 统的过程。随着科技、信息和经济的快速发展，人们对智 能化、人性化和集成化的产品需求迅速增加，尤其体现在 军事、工业、医疗、养老、娱乐和社会服务领域，如仿生 机械装备功能部件、仿生智能肢—体辅助系统和仿生服务 机器人等
仿生学 --拓展课
4/8/2015
பைடு நூலகம்有 趣 仿 生
4/8/2015
迷彩服
2、信息与控制仿生（研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及
高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程）
雷达
蜂窝
3、力学仿生（研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，
以及生物体在环境中运动的动力学性质）
4、能量仿生（研究与模仿生物发光器官、肌肉直接把化学能转化为其 他能）
冷光灯
把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导 出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器； 分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。
4/8/2015
信息与控制仿生
拟态仿生
4/8/2015
拟态仿生
定义 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拟态仿生
伪装之王变色龙
变色龙学名叫“避役”， 它行动迟缓，它在一昼夜
研制出一种空对空
导弹的敏感器件， 能够探测来自目标 的红外辐射，从而 紧紧盯住目标不放， 直至把目标摧毁。
蛇的红外探测
颊窝 颊窝是一个红外感受器，
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
蛇的红外探测
蛇
动物身体 向外散热 蛇通过感受器 探测到热源
中能变换六七种颜色。原
来，变色龙的表皮上有一 个变幻无穷的“色彩仓库” 一旦周围的光线、温度和 湿度发生了变化，变色龙
就随之改变体色。
4/8/2015
科学家仿照变色龙，制成
了一种既能自动改变颜色，
又始终与环境保持一致的 军装。这种军装用一种对 光线变化很敏感的化学纤 维织成的布料制成
【生物课件】仿生学资料精
仿生学简介
仿生学的历史
十五世纪时，达·芬奇 对鸟的飞行进行了长时间的 观察，并通过解剖研究鸟的 身体结构，设计和制造了一 架扑翼机，这是世界上第一 架人造飞行器。
达·芬奇还通过齿轮和机械杆作 为驱动装置，制作了第一款人型机 器人，可以做些挥舞胳膊，转动头 部甚至开合下颌的动作。
仿生学简介
仿生学的历史
仿生学是研究生物系统的结构和性质为工程技 术提供新的设计思想及工作原理的科学。
仿生学简介
仿生学的定义
仿生学符号
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
解剖刀 （生物）
电烙铁 （工程技术）
积分符号 （数学模型）
仿生学简介
仿生学的研究方法
生物体
生物模型 数学模型 技术模型
技术装置
仿生学简介
仿生学的研究内容
力学仿生
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
力学仿生的研究内容 植物的茎、叶以及动物体形、肌肉、骨骼的结构力
学原理 动物的飞行、游泳、血液循环系统的流体力学原理
表现形式：形态仿生、结构仿生
仿生学简介
仿生学的历史
生物的启示 为仿生学提供丰富的生物模型
具有七大特征： 物质组成成分的同一性； 生命的严密组成和高度的秩序性 ； 新陈代谢现象，可以与外界进行物质和能量的交换 对环境的应激能力 ，使生物适应环境变化 生长，繁殖特性 不断演变和进化的能力
具有庞大的物种数： 已知的约有200万种，算上已经绝灭的生物
（1500万种），至少有1700万种。
仿生学简介
仿生学的历史
1944年，一些科学家已经明确了机器和生物体内的 通讯自动控制与统计力学等一系列的问题上都是一致 的。
仿生建筑学在空间结构中的运用
仿生建筑学在空间结构中的运用摘要：城市化与现代化进程的推进使得建筑在社会生产与建设发展中的重要价值越发凸显，随着现代建筑越来越频繁地出现在城市建设过程中，建筑工程在建设运行期间所产生的能耗也越来越多，给生态环境带来了较为沉重的负担。
在这一生态背景下，仿生建筑学能够将自然界中的动植物形态以及自然现象变化规律融入到建筑设计中，如此不仅能够提升建筑的整体质量，还能够降低能耗与污染，提升建筑的审美鉴赏价值。
本文将从仿生建筑学的主要概念出发，分析仿生建筑学在空间结构设计中的应用模式，并介绍仿生建筑学的未来发展。
关键词：仿生建筑学；空间结构；运用引言：随着社会主义现代化建设的逐步推进，我国能源消耗量不断加大，也将面临着资源短缺的问题，不利于社会的可持续发展。
其中，现代建筑工程项目在建设以及运行期间会消耗大量的能源物质，给生态环境带来沉重负担，导致我国能源供需关系发生了变化，制约了经济与社会的发展。
仿生建筑学正是在这一背景下通过对自然事物、自然现象以及自然规律进行模拟来建设建筑工程的一类技术，能够将绿色生态意识融入到现代建筑设计中，降低建筑工程能耗以及污染物排放量，为节约型社会的构建贡献力量。
下面将对仿生建筑学在空间结构中的应用展开介绍。
一、仿生建筑学的主要概念仿生学是一类新型交叉科学，能够通过模仿自然界生物系统的生长机制以及各种自然现象背后的自然规律来提高人造系统构建与运行的科学性与高效性。
随着社会的进步与科技的发展，仿生学的应用规模在不断扩大，成为了现代产业结构中有着重要应用价值的科学技术之一。
现阶段的仿生学有以下几种类型：其一为力学仿生，其主要模仿对象为自然界生物的整体结构及其在自然界中的运行规律，常见的仿生产品有模仿贝壳结构的薄壳建筑以及模仿海豚皮肤结构的潜水艇等；其二为分子仿生，其主要模仿对象为发生在自然界生物体内部的生物膜运输进程以及催化作用等生理机制，属于微观分子层面的生物仿生；其三为能量仿生，其主要模仿对象为自然界生物体内部与能量产生及消耗等过程相关的能量转化机理，常见的仿生产品有模仿生物体化学能到机械能转变过程的生物发光肌肉；其四为信息与控制仿生，其主要模仿对象为人体高级神经中枢系统以及自然界生物信息的传递机制，常见的仿生案例包括根据鸟类的反应来判断飞机在着陆过程中可能遇到的风险[1]。
最新-仿生学的经典例子2019个 精品
仿生学的经典例子15个
篇一：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。
仿生学对人类社会发展的贡献
仿生学对人类社会发展的贡献一、仿生学的概念所谓“仿生”，顾名思义就是向生物学习、模仿或取得启示，仿造各种生物的优点以用在人类科学技术的创造或改进上。
仿生学一词是1960年由美国J.E.斯蒂尔提出的。
他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。
尽管人类在文明进化中不断从生物界受到新的启示，但仿生学的诞生，一般以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志。
仿生学的研究范围主要包括①力学仿生：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。
②分子仿生：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。
③能量仿生：研究与模仿生物电器官、生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。
④信息与控制仿生：研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。
此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人---机系统的仿生学方面。
人工智能和智能机器人研究的仿生学方面---生物模式识别的研究、大脑学习、记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等---是仿生学研究的主攻方面。
因此仿生学就是人类在认识自然和改善自然的过程中，通过科学的探索和研究，模仿自然界中一些生物的特殊本能的原理，来解决某些人类传统认识无法解决的一些疑难现象的一门高科技边缘科学。
二、仿生学的历史贡献仿生学在人类历史发展过程中所做出的贡献可谓源远流长。
尤其是近几个世纪，仿生学在军事、医学、生物、电子等高端技术领域的应用更是给人类的发展带来了创新革命。
在军事上，模仿野猪嘴发明的防毒面具，模仿海豚皮肤的沟槽结构，应用于船舰外壳上，可减少航行湍流，提高航速。
模仿鸟类滑翔原理发明飞机；模仿“莲花效应”将其应用于飞机表层、汽车外壳达到自清洁的目的；模仿苍蝇等昆虫的视觉原理研制智能武器和仿生眼等；在医学上，根据苍蝇在细菌环境中生存的原理研制出的免疫抗菌剂，模拟人体器官设计出各种仿生器官用于医学手术中等等；在生物上，屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲、船桨模仿鱼的鳍、锯子学的是螳螂臂，根据跑行中的猫的前爪垫的功能和蜘蛛网的柔顺结构及其稳定性设计出的汽车轮胎等等。
仿生产品解读
浴缸
奇形怪状之马蹄莲 ，通过外 力形成一个个弧形。优雅的外形 适宜居家，奇形怪状 之 马蹄莲 浴缸不再是传统的造型，加入仿 生学与人体工程学的设计理念， 让浴缸拥有更好看的外形以及更 舒适的使用感受。LED的灯光效果 ，是浴缸变得更加的绚丽，光与 影的融合加上热水蒸汽的包围，
泡澡的时刻变得魔幻。
可爱 利用直线和曲线的对比
仿生灯具
产品是一组仿生灯具，产 品形象的来源于蛇的形状， 提取蛇中的主要线条，完成 的产品富有设计感和整体感。 产品的整体线条流畅，而 且弯曲的弧度是产品富有动
更体现出力量感。
蛋 椅
这把椅子利用打开的鸡蛋进行 仿生设计，其最突出的特点是 充分利用了鸡蛋的蛋壳形状和
蛋黄的形色 整体利用直线和弧线的对比
茶几用了意象的蘑菇形态做成，圆滑的曲线 使其增加了视觉上的美感。
蘑 菇 与 茶 几
天鹅沙 发
沙发的两侧为白 色的天鹅，柔软的 羽毛，给人以温暖 的感觉，蓝白相间 的沙发靠垫看上去 就像两只天鹅在蓝 色湖面上悠游。
• 仿生学的研究主要包括：力学仿生、分子仿生、 能量仿生、信系与控制仿生等。
仿生形态分析-产品设计系列（一）力学仿生
这是一款应用了蚂蚁仿生学设计 的电动概念车，结构简单。主要形 体、次要形体及附属形体一眼就能
分清。 形体间主要通过连接的方式结合 在一起。同时车身上线条曲直对比
明显，曲线流畅有力。
子上的纹理也采用鲤鱼身上的曲线 整体利用曲线和曲面，给人动感
利用面的减法和对面施力进行扭曲变形得 到
豆芽 —— 凳子
这款豆子仿生凳， 设计师根据刚刚萌芽的豆 子从形态上进行仿生， 从豆芽柔美的曲线中提炼 出椅子的雏形而设计出的豆芽凳。
山羊椅子
仿生机器人现状
仿生机器人现状仿生机器人现状1.仿生学Bionics研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。
仿生学一词是1960年由美国JE斯蒂尔根据拉丁字“bios”(“生命方式”的意思)和字尾“nic”(“具有……的性质”的意思)构成的。
他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。
尽管人类在文明进化中不断从生物界受到新的启示，但仿生学的诞生，一般以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志。
仿生学的研究范围主要包括﹕1.力学仿生，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。
2.分子仿生，研究与模拟生物体中脢的催化作用、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素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。
3.能量仿生，研究与模仿生物电器官、生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。
4.信息与控制仿生，研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。
例如根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。
根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的一些装置。
此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人-机系统的仿生学方面。
5.某些文献中，把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿生，而把信息和控制仿生的部分内容称为神经仿生。
仿生学的范围很广，信息与控制仿生是一个主要领域。
仿生材料PPT课件
田径比赛
起跑姿势：下蹲式（仿袋鼠在跳跃前总是把腿收缩起来再跳 游泳姿势：蛙泳式（仿游泳能手青蛙）
比直立式更快）
第二节 人类仿生的发展历史
鲁班 观察丝矛草叶子
仿其边缘的细齿结构
发明锯子
观察鱼在水中的游泳 仿鱼类的形体 发明木船 仿鱼尾巴摇摆而游动、转弯 发明木浆、橹和舵 鲁班 观察鸟的飞翔 用竹木作鸟“成而飞之，三日不下” 达· 芬奇 解剖鸟的身体并观察其飞行 制造扑翼机 （飞机的雏型）
第一章 绪 论
第一节 仿生学
蜘蛛丝的强韧性； 蜻蜓出色的飞行本领； 苍蝇的多种特殊功能； 孔雀、蝴蝶美丽的翅膀； 夜间活动型蛾（Night Moth）的眼 蜂巢奇妙的构造； 蟑螂灵敏的感知能力； 啄木鸟的脑壳有最紧密组织的抗震骨骼； 墨鱼的瞬间加速可以达到每小时20哩； 蜂鸟飞行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量； 荷花叶面有绝佳的抗污性 (self-cleaning properties )
主要参考资料：
1. 2. 3. 4. 5.
6.
《Nature》近期杂志。 《Science》近期杂志。 《Biomacromolecules》近期杂志。 《Advanced Materials》近期杂志。 《International Journal of Biological Macromolecules》近期杂志。 仿生材料，崔福斋、郑传林编著，化学工业 出版社（2004）。
大象的奇妙行为-怪异的步伐
大象的奇妙行为
大象属于恒温动物 大象能承受的体温变化较大 大象居于炎热地带 其散热方式和身体结构有关。
大象的奇妙行为
大象的沟通方式很复杂。 同步前进相隔很远的象群是怎样进行 遥感沟通的?
仿生学概论(3)
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
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
人造海豚皮构造图
七、生物与航空
鹰击长空
啸傲云天
生物与航空----飞鸟与飞机
达 芬 奇 设 计 的 扑 翼 飞 机
二、生物听觉系统与电子耳 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 新型通讯和自动控制系统。有一种研 制成功的电子耳（electronic ear）， 由500个电子神经元和15个滤波器组 成，将它用于一种通讯系统后，可以 把600个电话通道压缩成一个通道， 大大提高传输效率。
仿生学的研究方法、步骤
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；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；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。
◇分子仿生
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素的化学结构 后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕 虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。
能量仿生
能量仿生，是研究与模 仿生物电器官生物发光、肌 肉直接把化学能转换成机械 能等生物体中的能量转换过 程。
[ 未美 来国 世佛 界罗 博里 物达 馆的 ]
九、人工嗅觉----嗅敏检测仪，俗称“电子鼻”
仿生学
(3)仿生设计提案
在完成前期设计发想的各种意向性草案
以后，必须以产品构成要素为核心，综 合产品设计的相关因素，先进行一次或 多次的分析、评价，而后筛选出有发展 可能与价值的草图，经过探讨和修正而 得到比较符合产品概念和设计目标需要 的若干较为详细、完善的仿生设计方案 。最后对设计方案进行预想效果的表现 。
(2)仿生设计发想
所谓发想是设计活动中寻求“金钥匙”
的过程，是利用一定的思考技术来帮助 设计师发倔解决问题的方案。仿生设计 的发想在仿生设计概念的指导下，凭借 设计师感性和直观的思考，以及在对具 体仿生目标对象进行进一步的认识与归 纳的基础上进行设计创新的探索与尝试 ，然后再用理性和推理的思考方式来验 证这种感性和直观认识的价值并进行修
仿生设计学的研究方法
③ 色彩分析 进行色彩的分析同时，亦要对生物的生活 环境进行分析，要研究为什么是这种色彩 ？在这一环境下这种色彩有什么功能？ ④ 内部结构分析 研究生物的结构形态，在感性认识的基础 上，除去无关因素，并加以简化，通过分 析，找出其在设计中值得借鉴合利用的地 方。
⑤ 运动规律分析 利用现有的高科技手段，对生物体 的运动规律进行研究，找出其运动 的原理，针对性的解决设计工程中 的问题。
众所周知的例子
蝙蝠与声纳定位
鸟与飞机
船与鱼
对萤火虫和海蝇地发光原理的研究，获
得了化学能转化为光能的新方法，从而 研制出化学荧光灯等等。
肌理与质感仿生 （以纺织仿生为例）
亚马逊河流域的闪峡蝶因其翅膀的外壳和
基部翅瓣中特有的周期性多层结构，使周 身散发钻蓝的色彩，具有金属般的光泽。 受此启发日本帝人公司开发了光显色纤维 。 在研究天然蚕丝结构和性能后，成功开发 了异形纤维和超细纤维等仿真丝纤维和纺 织品。 肉色袜
十大仿生新技术
十大仿生新技术：未来防弹衣模仿金恐龙鱼据网站报道，一直以来，科学家和工程师便从大自然身上获得灵感，他们的很多发明创造无不要感谢大自然这位“恩师”。
在本文中，我们专门为读者列举了灵感来源于大自然的十大创新技术，具体如下：1. 模仿壁虎的超强粘合剂看着壁虎快速穿过海滨小屋的墙壁，下榻在这里的度假者眼中经常带着一份惊奇。
几年前，科学家认识到壁虎足垫上数百万个分叉的小刚毛所拥有的神奇力量，正是这种力量让壁虎上演飞檐走壁的绝技。
目前，科学家正在研制一系列模仿这种神奇力量的超强粘合剂，用以提高打造爬墙机器人、头发友好型绷带的可能性。
在将来的某一天，人们甚至可以凭借采用这种技术的神奇手套，拥有和壁虎一样飞檐走壁的本领。
到时候，他们完全可以和这些四足动物好好较量一下。
2. 像海参一样软硬兼备的塑料当受到惊吓之后，身体柔软的海参会分泌一种特殊化学物质，能够在几秒钟之内将皮肤变硬，此时的皮肤如同一副铠甲。
这一软硬兼备的本领为科学家提供了灵感，促使他们研制一种遇水之后即由硬变软的塑料材料。
这种正在研制中的材料可用于生物医学移植，例如向大脑植入微电极。
其它潜在应用可能在将来的某一天让伟哥遭遇强手。
3. 提速武器——鲨鱼皮泳衣在2008年北京奥运会上，美国游泳名将迈克尔·菲尔普斯(Michael Phelps)凭借8枚金牌创造一项新的世界纪录。
能够取得如此骄人的成绩自然首先归功于多年的刻苦训练和令对手羡慕的天赋，但他所穿的Speedo泳衣可能也让他拥有某种优势，这种超级泳衣使用的材料模仿鲨鱼皮的形状和质地。
鲨鱼皮表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使身体周围的水流更高效地流过进而实现快速游动。
2000年，Speedo开始将从鲨鱼皮身上得到的灵感运用到泳衣的设计上。
在北京奥运会的游泳比赛中，有多达89%的金牌得主身穿第二代鲨鱼泳衣Fastskin FZR Racer，其中就包括菲尔普斯。
4. 模仿投弹手甲虫的喷射式喷雾机投弹手甲虫能够利用喷射威力巨大的高温有毒液体，驱除蚂蚁、青蛙、鸟类以及其它敌人。
仿生学分类
仿生学分类
1、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icon和生物体在环境中运动的动力学性质。
2、分子仿生：是研究与模拟生物体中酶的催化作用icon、生物膜的选择性和通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。
3、能量仿生：是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。
4、信息与控制仿生：信息与控制仿生是研究与模拟感觉器官、神经元icon与神经网络icon、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。
5、细胞仿生：细胞仿生学也在水过滤领域初露峥嵘，科学家们希望借用人体与植物体内存在的一种薄膜（只让水进出微生物icon 的细胞），将海水变成饮用水。
仿生学是一门既古老又年轻的学科。
人们研究生物体的结构与功能工作的原理，并根据这些原理发明出新的设备、工具和科技，创造出适用于生产，学习和生活的先进技术。
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。
精编中国青少年机器人竞赛资料
总则1 竞赛的性质中国青少年机器人竞赛（山西赛区）联赛以培养青少年的创新意识和实践能力、提高青少年的科学素质为目的，是一项将知识积累、技能培养、探究性学习融为一体，面向广大青少年机器人爱好者的科学普及性活动。
2 竞赛的主办单位、承办单位、协办单位中国青少年机器人竞赛（山西赛区）联赛每年举办一次。
由山西省科学技术协会主办，由山西省青少年科技活动中心、主办地市科协承办及有关部门协办。
中国青少年机器人竞赛（山西赛区）联赛诚邀有志于青少年机器人教育活动的国内外企业作为合作伙伴。
3 组织机构竞赛组委会由主办单位与承办单位共同组成。
竞赛组委会办公室设在山西省青少年科技活动中心，负责竞赛日常工作。
4 赛事安排中国青少年机器人竞赛（山西赛区）联赛的比赛项目要根据我省中小学机器人科技活动和中国青少年机器人竞赛活动的发展进行安排。
除我省自主开展的机器人超级轨迹比赛和简单机械比赛以外，还有中国青少年机器人竞赛的比赛项目。
6 参赛对象及组团方式凡竞赛前在校就读的中小学生（包括中专、中技、中师、中职）均可参加各市举办的竞赛活动，各地通过市级竞赛选拔优秀代表队组成市参赛代表团参加全省竞赛活动。
参赛队按小学、初中、高中三个组别组建，不允许跨组别。
7 奖项设立7.1 各单项赛事设一、二、三等奖；7.2 优秀组织单位奖、优秀教练员奖和特殊贡献奖；7.3选拔优秀队伍组成山西青少年机器人竞赛代表队参加中国青少年机器人竞赛及相关赛事。
8 参赛申报8.1 名额分配竞赛组委会将根据各市组织的比赛规模，按照一定的比例，下发参赛申报名额。
各市根据限定的名额数，择优进行申报。
每名参赛选手只能申报参加一个竞赛项目。
8.2 申报时间申报时间和要求以当年下发的竞赛通知为准，如有变动，以补充通知为准。
8.3 申报方式为了加强我省机器人竞赛组织工作的科学性和规范性，提高工作效率，报名表除电子版以外还需要邮寄纸质材料，由各市组织机构统一申报。
9 未尽事宜由竞赛组委会解释机器人超级轨迹比赛规则此竞赛为我省自创项目，目的是让我省更多学校参与，此规则适用各个组别。
条据书信 力学仿生、能量仿生、分子仿生、信息与控制仿生
力学仿生、能量仿生、分子仿生、信息与控制仿生院系:专业：姓名：学号：自然与仿生内容摘要：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，强化了许多优异的结构和特殊功能，值得人们在科学技术上很好地借鉴并发挥。
关键词：仿生学仿生设计仿生应用早在远古时期，人类就从自然生态系统中领悟到自身生存、发展和进步的真谛，蒙昧时代进入文明时代就是在模仿和适应自然规律的基础上发展起来的。
回顾世界文明史，人们很早就留下了模仿自然生态的痕迹，人首龙身、羽化飞升等大量事例记述了人们对自然生命形态和功能创造性的模仿。
人类师法自然思维由来已久，这便促成了仿生学的诞生。
仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学，属于生物科学与技术科学之间的边缘学科，其目的就是分析生物过程和结构，并将结果用于未来的设计。
当今社会普遍认为，仿生学是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。
仿生学思想是建立在自然进化和共同进化基础上的，人类所从事的技术就是为使其达到互相间的协调，而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好途径，恰似“桥梁”和“纽带”，连接着生物科学与技术科学。
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”。
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微生物水气转换制氢
水气转换是CO与H2O转化为CO2和H2的反应。 以甲烷或水煤气为起点的制氢工业均涉及CO的转 换，因此水气转换是工业制氢的一个基础反应。 水气转换属放热反应，高温不利于氢的生成，然 而高温有利于动力学速率提高。
1937年，Nakamura发现光合细菌能在黑暗中 放氢。
1942年，Gaffron和Rubin发现海藻－栅藻能通 过光合作用放出氢气。
1949年，Gest等研究证明深红红螺菌在有机碳 的存在下可以放出氢气
1976年，孙国超等分离出了产氢量和产氢时间都 较可观的产氢菌。
1984年，日本的Miyake等筛选出了平均产氢率 达18.4微升/h*mg的非硫光合细菌
现有的研究大多为实验室内进行的小型试验，采 用批式培养的方法居多，利用连续流培养产氢的 报道较少。试验数据亦为短期的试验结果，连续 稳定运行期超过40天的研究实例少见报道。即便 是瞬时产氢率较高，长期连续运行能否获得较高 产氢量尚待探讨
许多研究还都集中在细菌和酶固定化技术上，离 工业化生产还有很大差距
然而当绿藻缺少硫这种关键性的营养 成分，并且被置于无氧和光照环境中 时，绿藻就会回到另一种生存方式中 以便存活下来，在这种情况下，绿藻 就会产生氢气。
基本过程:
间接光解产氢
光能
光能自养型微生物(光合作用)
有机物
光能
光能自养型微生物(产氢过程)
氢气
特点：先利用光能生产有机物，再利用光能分解 有机物而产生氢气
• 耗能低、效率高； • 清洁、节能和可再生； • 原料成本低，制氢过程不污染环境； • 一些生物制氢过程具有较好的环境效益
生物制氢的方法
生物制氢研究发展历程
100多年前科学家们发现在微生物作用下，通过 蚁酸钙的发酵可以从水中制取氢气。
1931年，Stephenson发现了细菌中的氢酶可以 催化氢气与氢离子的可逆反应。
光合作用仿生之终极梦想
--------人造树叶
众所周知，太阳光中蕴藏着 巨大的能量，并且，太阳能 是不会产生温室气体污染的 清洁能源，但是由于在晚间 或阴雨天气下没有直接的太 阳照射，需要借助太阳能板 将晴天的太阳能储存起来。 这种储存技术目前来说成本 过高，效率过低，严重阻碍 了太阳能大规模取代化石类 燃料的进程，因此，提高现 有太阳能储存技术是太阳能 发展的关键
光反应和暗反应的比较
比较 项目
条件
光反应 光照、色素、酶
暗反应 黑暗或有光照都行，多种酶参与
场所
类囊体膜上
叶绿体基质中
物质 转化
能量 转化
2H2O → O2 + 4H+ + 4e-
CO2+C5→2C3
NADP+ + 2e- + H+ → NADPH CO2+3ATP+2NADPH+2H+
ADP + Pi → ATP
2、单晶硅生产过程会对环境产生严重的污染。 3、……
叶绿体的光反应
二者相结合
白色小球表示TiO2，红 色小球表示染料分子。 染料分子吸收太阳光能 跃迁到激发态，激发态 不稳定，电子快速注入 到紧邻的TiO2导带，染 料中失去的电子则很快 从电解质中得到补偿， 进入TiO2导带中的电于 最终进入导电膜,然后通 过外回路产生光电流。
过去是用化学的方法进行水气转化 现在出现了利用微生物进行水气转化的方法
目前己发现两种无色硫细菌Rubrivivax gelatinosus和Rubrivivax rubrum能进行 如下反应 ：
Artificial photosynthesis---人造树叶
Artificial photosynthesis is a chemical process that replicates the natural process of photosynthesis, a process that converts sunlight, water, and carbon dioxide into carbohydrates and oxygen.
目前的主要问题
微生物制氢的反应机理没没有得到很好的研究（ 包括各种遗传机制、能量代谢与物质代谢过程的 研究），没有建立起完善的理论体系，对科学研 究的更快发展不利。
微生物为何能产生氢气？？
微生物产氢的关键因素－产氢酶
产氢过程中能够使质子还原为氢气的酶有固氮酶 和氢酶两种。
固氮酶是由两种蛋白质分子构成的金属复合蛋白 酶,能催化还原氮气成氨，氢气作为副产物产生。
光合微生物产氢
投入：光能 产出：氢气
光合微生物产氢
直接光解产氢 间接光解产氢 光发酵产氢
直接光解产氢 光能
光能自养型微生物
氢气
特点：直接利用光能产生氢气
例－绿藻
绿藻属于人类已知的最古老植物之一，通过进化形 成了能生活在两个截然不同的环境中的本领。
当绿藻生活在平常的空气和阳光中时，它像其他植 物一样具有光合作用。光合作用利用阳光，水和二 氧化碳生成氧气和植物维持生命所需要的化学物质 。
2008年夏天，美国科学 家丹尼尔在美国麻省理工 学院礼堂内说明：“一些 气泡就是水槽中的水分解 后产生的氧气，这个装置 代表了我们的未来，我们 已经获得了人造树叶，像 真正绿色植物的树叶一样 通过光合作用将太阳光中 的能源充分利用，转化为
我们需要的能量。”
视频 氢能的利用
生物制氢
优点：
第四章 能量仿生
环境与能源永远是时代的主题，现在 地球正面临着能源和环境危机…
一 光合作用与仿生 二 可再生资源的利用与仿生 三 节能与仿生
一 光合作用与仿生
光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在光的照射 下，将二氧化碳、水或是硫化氢转化为碳水化合物
植物之为食物链的生 产者，它们能够通过 光合作用利用无机物 生产有机物并且贮存 能量，其能量转换效 率约为6%。通过食 用，食物链的消费者 可以吸收到植物所贮 存的能量，效率为 10%左右。对大多数 生物来说，这个过程 是他们赖以生存的关 键。而地球上的碳氧 循环，光合作用是其 中最重要的一环。
叶绿体的结构
每个叶肉细胞内含有20100个叶绿体，叶绿体呈椭 圆球形，具有双层膜，每个 叶绿体内有几十个基粒，每 个基粒由多个类囊体重叠而 成，类囊体是由膜围成的空 心饼状结构，类囊体膜上分 布着光合作用有关的各种色 素，大大增加了接受光的面
光合作用的基本过程
叶绿体在阳光的 作用下，把经由 气孔进入叶子内 部的二氧化碳和 由根部吸收的水 转变成为葡萄糖 ，同时释放氧气
→(CH2O)+3ADP+3Pi+2NADP++
H2O
光能→电能→电化学势能→活 活跃的化学能→稳定的化学能
跃的化学能
联系 为暗反应提供能量和还原氢
为光反应提供ADP和Pi
光合作用给了人来哪些启示呢？
1 光能转化为电能 2 光解水放出氢和氧 3 氢和氧光解水放出 4 将光能固定到有机物中
光合作用的仿生-----太阳能电池
The term is commonly used to refer to any scheme for capturing and storing the energy from sunlight in the chemical bonds of a fuel (a solar fuel). Photocatalytic water splitting converts water into protons (and eventually hydrogen) and oxygen, and is a main research area in artificial photosynthesis.
晶体硅电池板：多 晶硅太阳能电池、单 晶硅太阳能电池。 非晶硅电池板：薄 膜太阳能电池、有机 太阳能电池。 化学染料电池板： 染料敏化太阳能电池
晶体硅电池板
P（positive）型半导体
半导体主要结构
N（negative）型半导体
晶体硅太阳能电池
硅电池的特点
1、发展最成熟，但由于成本居高不下，远不能满 足大规模推广应用的要求。
所谓“人造树叶”，其实是一种人工的合成树叶，主要 由玻璃晶片制成，是人造树木的一部分。“人造树叶”
中排列着微小的水流管道，可使水流到达树叶进行蒸发 。整个装置的驱动力――即能量的产生源自中枢茎杆。 茎杆中有与电路相连的金属片，起到电容器的作用。水 流经过树叶时，会与空气中的气泡定期相遇。由于水和 空气的电学性能不同，因此，水流和气泡的每次邂逅都 会产生些许电流。“人造树叶”也可将光能转化成电能 ，实现真正“零排放”。
原理
此类微生物无PSII光合系统，无法利用水来产生 氢离子。
它们而是利用光能将有机物分解，产生氢离子和 高能电子。产氢酶再利用这些中间产物和ATP来 产生氢气。
例－无硫紫细菌
无硫紫细菌在缺氮条件下，用光能和还原性底物产生 氢气 : C6H12O6 + 12H2O Light energy 12H2 + 6CO2 代表菌株为： Rhodospirillum rubrumL: 180 ml H2/L of culture/h; Rb.spheroides: 3.6-4.0 L H2/L or immobilized culture/h 已有将这类微生物光发酵产氢用于处理有机废水的实 例
当这种适应了厌氧条件的蓝细菌被放回光照且厌 氧的环境中时，产氢速率可以大幅度提高
它的光合作用正常后，则停止产氢
固氮酶：催化还原氮气成氨，氢气作为副产物产生
可逆氢酶：能够氧化合成氢气 吸氢酶：氧化由固氮酶催化产生的氢气