仿生学的应用科学

第3节 控制仿生学
1、事例 .蛇的红外探测 .蝙蝠与超声波 .动物的天然导航
第3节 控制仿生学 2、蛇的红外探测
蛇
热血动物身体 向外散热
蛇通过感受器 探测到热源
田鼠
第3节 控制仿生学
3、蛇的红外探测
颊窝（Jia wo） 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。
万里洄游
第4节 拟态仿生学
1、定义：生物界中普遍存在着拟态。拟态是生物 体对环境适应的一种方式，它是指动物的体色与 环境色泽相似，或没有抗敌害能力的动物长得像 有“本领”的动物而“以假乱真”，以躲避天敌 或成功捕食。将拟态原理应用于工程技术就叫拟 拟 态仿生。拟态仿生在军事中应用广泛。 态仿生。拟态仿生在军事中应用广泛。
第2节 信息仿生学
1、事例 .从蛙眼与到电子蛙眼 .从水母耳到电子耳
第2节 信息仿生学
2、动物的视觉器官
眼睛是人的最 重要的感觉器是在视网膜中 进行处理的。经过 视细胞、双极细胞、 输出细胞（神经节 细胞）等视网膜组 分处理和选择后形 成的光学图像被送 往大脑中枢，在那 里，经综合后便可 感知眼睛所见到的 完整图像。
第 1节 前 言
8、仿生学的研究方法（仿生研究三步曲，重要环节在于建立各种 、仿生学的研究方法（仿生研究三步曲， 模型，关键在于技术模型的建立） 模型，关键在于技术模型的建立） 首先， 首先，在对生物的某种结构与功能进行仔细研究并有了清楚 了解的基础上，除去一些无关因素并加以简化， 了解的基础上，除去一些无关因素并加以简化，提出一个生物模 ）（又称生物原型 型（Biological model）（又称生物原型 ）（又称生物原型Living prototype）； ）； 然后，将有关生物模型的实验资料翻译成数学语言，用数学 然后，将有关生物模型的实验资料翻译成数学语言， 公式来表达，变成具有普遍意义的数学模型 公式来表达，变成具有普遍意义的数学模型(mathematical model); 最后，根据这个数学模型，或直接根据生物原型， 最后，根据这个数学模型，或直接根据生物原型，用电子电 机械结构、 路、机械结构、化学结构等各种手段制作出可以在工程技术上进 行实验的实物模型，经过反复实验， 行实验的实物模型，经过反复实验，特别是经过生物学实验的验 改进而发展成各种技术模型（ ），最终实 证、改进而发展成各种技术模型（technological model），最终实 ）， 现对生物系统的工程模拟（ 现对生物系统的工程模拟（Engineering simulating）。 ）。
第 1节 前 言 5、仿生学的研究范围
经过大自然千百万年的精雕细琢，生 物体结构与功能的优异之处是数不胜数的。 家猫黑夜捉老鼠，老马千里识返途，骆驼 数里能闻水，候鸟万里年年飞。因此，仿 生学的研究内容极其广泛，无论是宏观的， 还是微观的，整体的还是局部的，无论是 结构还是功能，只要生物系统比技术系统 有明显的优点，值得人们去模仿，都是仿 生学的研究内容。
第 1节 前 言 9、仿生学符号
（仿生学=生物模型+数学模拟+技术模型）
数学模拟 电子技术 生物科学
第2节 信息仿生学
是目前仿生学研究的重点。研究的是生物机 是目前仿生学研究的重点。 构与外界环境、生物个体之间、生物体内部各部 构与外界环境、生物个体之间、 分之间的信息接收、存储、处理与利用的机理， 分之间的信息接收、存储、处理与利用的机理， 以及将其移植于技术系统之中的方法，并最终制 以及将其移植于技术系统之中的方法， 成类似与生物系统的计算系统、信息接收和处理 成类似与生物系统的计算系统、 系统。研究内容包括细胞内和细胞间通信、动物 系统。研究内容包括细胞内和细胞间通信、 间通信、机体的信息存储与提取，感觉器官的机 间通信、机体的信息存储与提取， 理和人工智能(Artificial 理和人工智能(Artificial Intelligence, AI)。 AI)。
发出的 超声波
第3节 控制仿生学
７、动物的天然导航
一些动物利用 日月星辰导航， 日月星辰导航， 也有些动物利 用海流、 用海流、海水 成分、地磁场、 成分、地磁场、 重力场等进行 导航， 导航，这些为 研制通讯设备 和新型导航仪 器提供启迪。 器提供启迪。
第3节 控制仿生学
８、动物的天然导航
千里迁徙
第 1节 前 言 4、 仿生学的创立
• 1960年9月13-15日,美国 年 月 美国Dayton的一个空军基地 第一届美国仿 的一个空军基地,第一届美国仿 日 美国 的一个空军基地 生学讨论会.在 年代已成为一门独立学科的仿生学在该会 生学讨论会 在50年代已成为一门独立学科的仿生学在该会 上被正式命名.学科名称定义者 学科名称定义者J.E. Steel是一位专长于精神 上被正式命名 学科名称定义者 是一位专长于精神 病学和神经学、又受过数学和电子学训练的美国军医. 病学和神经学、又受过数学和电子学训练的美国军医 • Bionics源于希腊语“bion”(生命的方式 其词尾“-ic”则是 源于希腊语“ 生命的方式),其词尾 源于希腊语 生命的方式 其词尾“ 则是 具有……性质”的意思。Bionics并非源于 Bio-和 性质” “具有 性质 的意思。 并非源于 和 electronics，所以，仿生学 ，所以，仿生学Bionics ≠ 生物电子学 Bioelectronics。 。 • 仿生学的学科基础：生物学 技术科学。相关学科包括生 仿生学的学科基础：生物学+ 技术科学。 理学、神经生理学、心理学、生物物理学、电子学、 理学、神经生理学、心理学、生物物理学、电子学、物理 化学、数学，以及通讯、计算技术、建筑工程、航空、 学、化学、数学，以及通讯、计算技术、建筑工程、航空、 航海工程及系统科学等。 航海工程及系统科学等。
第5节 力学仿生学
1、事例 .生物与航海 .生物与航空 .生物与建筑
第5节 力学仿生学
2、生物与航海 轮船对海洋生物体形的模仿 、生物与航海----
模仿鳕鱼、鲇(nian)鱼外形建造的“复仇号”帆船
第5节 力学仿生学
3、生物与航海 轮船对海洋生物体形的模仿 生物与航海---生物与航海
第5节 力学仿生学
第 1节 前 言
2、生活中的仿生学
凤蓬草 鱼尾 人眼晶状体 鸟 轮子 船橹 透镜 飞机
第 1节 前 言 3、仿生学的概念
仿生学(Bionics)
“模仿生物系统的原理建造技术系
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” 亦即“ 特征或类似特征的科学”，亦即“模仿 生物特性的科学。 生物特性的科学。” ----- Dr. Jack Ellwood Steel
第 1节 前 言
6、仿生学的研究分支
•信息仿生学 信息仿生学 •控制仿生学 控制仿生学 •力学仿生学 力学仿生学 •化学仿生学 化学仿生学 •医学仿生学 医学仿生学 •拟态仿生学 拟态仿生学 •整体仿生学 整体仿生学
第 1节 前 言
7、仿生学研究的特点
仿生学是一门建立在多学科边缘上 的综合性学科，这些相关性的基础学科， 正如前面所述，包括生理学、神经生理 学、心理学、生物物理学、电子学、物 理学、化学、数学，以及通讯、计算技 术、建筑工程、航空、航海工程及系统 科学等。
颊窝de位置 颊窝 位置
第3节 控制仿生学
4、蝙蝠与超声波----蝙蝠的捕食
声音反射波 蛾
飞行中的蝙蝠 超声波
第3节 控制仿生学
5、蝙蝠与超声波----蝙蝠的回声定位
超声信号被反射
第3节 控制仿生学
6、蝙蝠的回声探测器----蝙蝠的声纳信息处理原理
脑
参考波刺激 接受器 发送器
载有信息 的超声波
4、生物与航海 轮船对海洋生物体形的模仿 生物与航海---生物与航海
俄罗斯海军新型核潜艇
第5节 力学仿生学
5、生物与航海 轮船对海洋生物结构的模仿 生物与航海----
50万个输出细胞 100万个双极细胞 100万个视细胞
第2节 信息仿生学
3、蛙眼与电子蛙眼----青蛙的视觉系统 、蛙眼与电子蛙眼
青蛙的眼睛含有多种视觉 细胞,可分别取得图象的不同 特征.这种特殊结构使得青蛙 只对运动的物体敏感,对静止 的东西则“视而不见”.模仿 这一机理制成的多用途“电子 蛙眼”，可用于多种技术系统， 如飞行中的飞机与导弹的识别、 人造卫星自反差跟踪系统；鸽 眼视觉细胞具有识别定向运动 的特性，用这一原理制成的雷 达系统，可以监视国境或机场 外来飞行器的侵入等。
第 1节 前 言
生物体
生物模型Biological Model,又称 生物模型 又称 生物原型 Living Prototype
数学模型,Mathematical model 数学模型
技术模型,Technological Model 技术模型
工程模拟Engineering Simulating, 工程模拟 亦即生产出“技术装置” 亦即生产出“技术装置”
——开启新技术的钥匙
目 录
前言 信息仿生 控制仿生 拟态仿生 力学仿生 化学仿生 整体仿生
第 1节 前 言 1、仿生学简介
远在中国古代, 远在中国古代,劳动人民就在长期的生 产和生活中产生了朴素的仿生思想。如， 产和生活中产生了朴素的仿生思想。 中国象形文字便是一种借助文字象形传递 信息的手段；中华武术、 信息的手段；中华武术、祖国传统医学中 的养生之道更是集世间万物之精巧， 的养生之道更是集世间万物之精巧，愈显 其博大精深。 其博大精深。
第2节 信息仿生学
5、水母耳与电子耳
海洋漂浮生物水母 （俗称海蜇）的听 觉器官，可以感应 次声波（infrasonic 次声波（infrasonic wave，一种人耳不 wave，一种人耳不 能感觉的低频率波， 由风暴时快速流动 的空气与海水波浪 相摩擦产生的）， 因而模仿其原理制 造的“水母耳”风 暴预测仪可以提前 15个小时准确预报 15个小时准确预报 风暴方向与强度。
第2节 信息仿生学
4、生物听觉系统与电子耳 模仿生物体听觉器官的生理机能， 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、 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。 新型通讯和自动控制系统。有一种研 制成功的电子耳（ 制成功的电子耳（electronic ear）， ）， 个电子神经元和15个滤波器组 由500个电子神经元和 个滤波器组 个电子神经元和 将它用于一种通讯系统后， 成，将它用于一种通讯系统后，可以 个电话通道压缩成一个通道， 把600个电话通道压缩成一个通道， 个电话通道压缩成一个通道 大大提高传输效率。 大大提高传输效率。
第3节 控制仿生学
人和动物体内存在着许多结构小巧、功能完 善、精确可靠的自动控制系统（如人的体温基本 恒定在37℃ 恒定在37℃），以保证新陈代谢的正常进行、对 内外环境的适应以及整个机体的协调统一。研究 生物机体控制系统的结构与功能原理，并用这些 原理去改进现有的或建造新型的自动控制系统， 就是控制仿生学的研究内容。当前研究较多的是 体内稳态（entatic state）、反馈调节（feedback）、 体内稳态（entatic state）、反馈调节（feedback）、 肢体运动控制、动物的定向与导航、生态系统的 涨落以及人-机合作（man涨落以及人-机合作（man-machine teamwork）。 teamwork）。
第4节 拟态仿生学
2、拟态仿生----动物的拟态与保护色
第4节 拟态仿生学
3、拟态仿生
坦克的迷彩伪装，分保护迷彩、变形迷彩、 坦克的迷彩伪装，分保护迷彩、变形迷彩、仿造迷彩
第4节 拟态仿生学
4、拟态仿生----坦克的迷彩伪装
三色迷彩的德国“豹”I坦克在电视成像下的效果
第5节 力学仿生学
研究和模拟的是生物机体外部形态 和内部结构的力学原理。研究最多的是 植物的茎、叶及动物体形、肌肉、骨骼 的结构力学（structural mechanics） 原理，以及动物的飞行、游泳、血液循 环系统的流体力学（hydromechanics） 原理。