仿生学工程应用实例

控制仿生学
• 研究生命活动所特有的自动控制过程及其 工作原理，用以研制具有类似功能的自动 控制、定向和导航等技术系统的一门新兴 交叉学科。是仿生学的一个分支，也称神 经仿生学。
• 生物体内平衡调控和肢体运动控制的研究是控 制仿生学的重要内容。人和动物机体依靠神经通 路和内分泌(激素)通路，自动调节其生理活动、 肢体运动及自身行为，以保持机体与内外环境的 统一。例如， • 人体体温调节系统通过精确控制机体产热与散热 过程的平衡，使体温恒定在37℃左右； • 人和动物的行走、奔跑、游泳、飞翔等各种灵巧 的肢体运动，也都是在机体自动控制系统的精确、 可靠的控制下才得以完成，并保持了动作过程中 身体的平衡以及动作的协调与稳定。控制仿生学 的研究目的在于为改善工程自动控制系统的结构 和提高其性能提供借鉴。
• 研究动物的跟踪制导本领也是控制仿生学的重要 课题，典型的例子是 • 关于雄性家蝇对雌性家蝇的跟踪行为的研究。雄 性家蝇借助复眼中各个小眼的协同配合，依据被 追逐目标(雌性家蝇)在其小眼视网膜上成像大小 的变化，判断与目标间的距离。雄性家蝇脑根据 距离变化去控制其下一时刻的飞行加速度，从而 实现对飞行方向与速度的精确控制。据此总结出 了蝇跟踪运动的导引规律。随着这一研究的进一 步深入，将可能研制出一种实用型的“蝇眼制导 系统”，使导弹的命中精度大大提高。此种仿生 制导系统可以根据目标的运动参数及位置信息控 制自身运动状态。依据生命活动精确、完善的自 动控制原理，去研制自动控制系统以及定向和导 航系统，在军事上具有广泛应用前景。
• 控制仿生学还研究动物定向与导航系统的功能原理。研究 发现， • 海豚借助其利用超声波回声定位的独特功能，能发现3千 米之外的鱼群并确定其方位； • 蝙蝠在飞行过程中能分辨直径0.1毫米的细线并准确地躲 避，还可同时探测多个目标，数万只蝙蝠同在一个岩洞中 其超声定位系统却互不干扰。 • 动物系统的这些独特功能及其结构原理，对于提高声纳和 雷达系统的灵敏度和抗干扰性能具有重大参考价值。 • 某些动物远程导航本领极强，候鸟飞行几千甚至上万千米， 也能准确地到达迁徙目的地。通过对动物在远程导航过程 中所采用的“星象导航”、“地磁场导航”和“重力场导 航”等机能原理的深入探索，有可能为设计新型导航仪器 找到全新原理。
5、自动水流收集系统
• 这是一只澳洲刺蜥，它能通过自己身体表 面进行自动集水。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 向它的嘴里。 • 如果我们能设计出类似这种高效的被动 集水系统，它将帮助全球数百万饮水困难 的民众脱离困境。
3.像蚊子那样扎针
• 不管过后有多么其痒难耐，你会发现蚊子在咬人 时你是不怎么疼的。蚊子的口器接触人体的方式 可以使它触发尽可能少的皮肤神经，从而减少疼 痛反应。 • 在对这一现象进行的渗入研究中，日本关大 学的工程师们制造出了一种细微的，根据蚊子口 器仿生制成的锯齿形针尖。和传统的圆柱状针管 不同，在中央针尖的旁边还设置了两条细微的外 侧锯齿条，极大地降低扎入人体的痛楚。
•
控制仿生学的研究对象包括两个层次，即以反馈为主的 初级控制系统和大脑的高级控制系统。 • 生物神经系统对机体的调节机能，与工程自动控制装置的 功能在理论上极为相似，两者进行控制的基础都是“反馈” 的存在。生物控制系统与工程自动控制系统这种理论上的 一致性，使控制仿生学具有了重要的实用意义。人的神经 系统有两个子系统。一个是调节内脏活动的植物神经系统， 又称自主神经系统；另一个是对机体实施精细、完善调节 的大脑皮质，是高级神经活动中枢，主导机体的一切活动 过程，并调节机体与周围环境的平衡，其功能涉及到学习、 记忆和思维。 • 所以，对大脑控制机能的仿生学研究，不仅可为在技术系 统中实现精确、完善的控制提供新的设计思想，更重要的 是可以提供智能化的自动控制原理。
2、和树木一样强健
• 树木和骨骼都拥有相对较轻却高强度的特征。为了使应力 均匀分布，树木会在最重要的受力点增加重量，而骨骼会 在不需要的地方去除不必要的物质以便减轻整体重量。工 程师们从树木和骨骼的结构中得到启发，将灵感运用到软 件设计中，以便实现减重并增加材料表现水平。 • 梅赛德斯公司推出的一款概念车设计采用了轻质骨架， 便是从树木和骨骼结构中得到了灵感。尽管这款名为 “Bionic”的低排量汽车从未投入大批量生产，但是该公 司确实将这些理念运用到了之后的多款量产型汽车设计中。
仿生学工程应用实例
控制学院 吴夏鹏
1、翠鸟和新干线
• 日本的工程师们成功地制造出了新一代新干线列车，其运 行时速超过320公里，但是当列车高速行驶时其产生的噪 音超过了环境标准，这是由于列车高速通过狭窄的车道时 将产生音爆效应。 这一问题的一部分原因是列车的车 头是子弹型，因此它会“推挤”前方的空气而非“切穿” 过去。为了解决这个问题，工程师们从翠鸟的嘴巴上得到 了灵感，这种鸟类在冲向水中捕鱼时只会溅起很少的水花。 观察发现，翠鸟拥有一个流线形的长长鸟嘴，其直径逐渐 增加，以便让水流顺畅向后流动。通过仿生学设计，工程 师们对子弹车头进行重新改造，西日本铁路公司制造出了 500系列列车，并于1997年投入使用。实践证明这种列车 的车速比起原有设计提升了10%，而电力消耗降低了15%， 而噪音水平也有了显著下降。
• 工程自动控制系统输入的阈值一经调定就 成了固定的，而生物控制系统却具有自动 调节的可变阈值。 • 例如，在嘈杂的声响环境中，人的听觉系 统能阻断声音通道或有选择地开放某种声 音通道，做到“集中注意力”看书或听某 一个人的谈话，对其他声响则“充耳不 闻”。模仿人的控制系统的这一功能，去 建造具有可变阈值的工程自动控制系统， • 如具有较高抗干扰特性的军事监听、观察 和通信系统，将具有重大的军事意义。
4.全Baidu Nhomakorabea然空调系统
• 白蚁会建造这样巨大的巢穴系统，但是在炎热干燥的非洲 草原上，这样一个建筑的内部却总是能自己保持恒温和湿 润。不论外界多么潮湿，干旱，高温或寒冷，对其内部毫 无影响。为了做到这一点，白蚁们会视情况在一天中忙着 不停的打开或关闭不同方向的通风口。 • 在设计津巴布韦首都哈拉雷市的东门购物中心和办公 大楼时，设计师麦克· 皮尔斯(Mike Pearce)研究了白蚁巢 穴的结构。其结果是，东门购物中心只需要传统设计10% 的能量消耗。这样形成的节约使它得以降低租金，从而吸 引更多商户入驻。
5.像鲨鱼那样对抗细菌
• 很多鲸类和海牛的身上会长出藻类甚至藤壶，但是不知道 你注意过没有，鲨鱼的身上却从来不会出现这种情况。这 似乎得益于鲨鱼身上一种被称为“盾鳞”的结构。这是一 种软骨鱼类特有的，与牙齿结构近似，由表皮和真皮共同 形成的鳞片，这也是鲨鱼的皮肤摸上去非常粗糙的原因。 • 科学家们根据鲨鱼皮肤的构造启发，设计了一种被称 为“鲨鱼”的表面工程设计。这种表面结构本身不需借助 任何其他手段，其本身便可以阻止细菌在其表面生长。一 家名为“鲨鱼技术”的公司已经将应用这种仿生技术的贴 膜销售给许多需要防菌的用户，并生产了一些有意义的新 型产品，如不会被细菌感染的导尿管等等。