仿生学课件

海豚
虎鲸（两条）
• 潜艇（俄罗斯“奥斯卡”级）
• 海豚是游泳能手，时速可达53千米，在 追捕食物和逃避敌害时，速度还能增大 一倍。主要原因是海豚的体形呈良好的 流线型，还有特殊的皮肤结构像个很好 的消振器，所以海豚在水中受到的阻力 很小。现代潜艇的外形很像海豚，还在 潜艇表面上覆盖人造海豚皮，使潜艇在 水中受到的阻力至少降低一半，使潜艇 的速度大大提高，也节约了燃料。
探索和模拟生物系统各机体的奥 秘，借以推动科学技术的发展
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。仿生学一词 是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios”(生命方式 的意思)和字尾“nlc”(“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。
• 荷兰鹿特丹的“城市 仙人掌”：是一个坐 落在荷兰的住宅工程， 它将在19层楼中提供 98个居住单元。多亏 了这种错落有致的曲 线阳台的设计，每个 单元的室外空间能够 得到足够的阳光。
仿生学的研究方法
仿生学的研究范围
• • • • 力学仿生 分子仿生 能量仿生 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 研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质， 研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、 是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把 及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息 以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环 通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成 化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程 处理过程 境中运动的动力学性质。
竹 节 虫
冬天白色
夏天黑色
力学仿生
蝴蝶
蝴蝶翅膀上的鳞片
人造卫星
长颈鹿之所以能将血液通过长长的颈输送到头部，是由 于长颈鹿的血压很高。据测定，长颈鹿的血压比人的正 常血压高出2倍。这样高的血压为什么不会使长颈鹿患脑 溢血而死亡呢？这与长颈鹿身体的结构有关。首先，长 颈鹿血管周围的肌肉非常发达，能压缩血管，控制血流 量；同时长颈鹿腿部及全身的皮肤和筋膜绷得很紧，利 于下肢的血液向上回流。科学家由此受到启示,在宇宙飞 船升空时，科学家根据长颈鹿利用紧绷的皮肤可控制血 管压力的原理，研制了飞行服──“抗荷服”。抗荷服上 安有充气装置，随着飞船速度的增高，抗荷服可以充入 一定量的气体，从而对血管产生一定的压力，使宇航员 的血压保持正常。同时，宇航员腹部以下部位是套入抽 去空气的密封装置中的，这样可以减小宇航员腿部的血 压，利于身体上部的血液向下肢输送。
Experiment : hold an egg tightly(紧紧地) in your hand. Can you make it broken easily?
乌龟的背甲与薄壳建筑
蛋壳、乌龟壳和贝壳等有弯曲的表面， 它们虽薄，却很耐压，这种结构就叫薄 壳结构。 • 薄壳结构省料、刚度大，外观又能 做成各种美丽的流线型造型，广泛用于 各种大跨度的建筑物中，如贝壳似的餐 厅、市场等。 •
拟态仿生
• 拟态是生物体对环境适应的一种方式， 在生物界普遍存在。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”， 可躲避天敌，成功捕食。 • 将拟态现象应用到工程技术中就叫拟 态仿生。 • 拟态仿生在军事工程中的应用很广泛。
拟态
变色
枯 叶 蝶
• 鲸鱼和潜艇的“鲸背效应” • 当代核潜艇能长时间潜航于冰海之下， 但若在冰下发射导弹，则必须破冰上浮， 这就碰到了力学上的难题。潜艇专家从 鲸鱼每隔10分钟必须破冰吸一次气中得 到启迪，在潜艇顶部突起的指挥台围壳 和上层建筑方面，作了加强材料力度和 外形仿鲸背处理，果然取得了破冰时的awtooth(锯齿) on the edge(边缘)
• 传说中鲁班因树叶划破手指而发明了锯 子就是一个古老而生动的例子。现代文 明中这样的例子也不胜枚举，譬如模仿 鸟制成的飞机，模仿鱼制成的潜艇，模 仿眼睛制成的相机，这些都蕴含着仿生 的概念。
锯
saw
sawtooth
•
悉尼的象征——远航归来的船队(歌剧院)
下列建筑物是薄壳结构屋顶， 既美观又实用。
建筑与仿生
• “鸟巢”外形结构主要由 巨大的门式钢架组成， “鸟巢”结构精巧、造型 美观，在建筑风格上独树 一帜。而且设计师在师法 自然的同时，一直贯穿着 节俭和可持续发展的“绿 色”设计思想。建筑师和 工程师们为贯彻奥运“瘦 身”精神，他们缩减工程 预算，重新修改体育场结 构，去掉可开启的屋顶， 扩大顶棚开口，完整保留 了原设计的特点与精华。 别具匠心的是，“鸟巢” 的．整个体育场室外地形 设计微微隆起，将很多附 属设施置于地形下面
The outline (外形) of the bird
airplane
蜘蛛丝是世界上最坚韧的纤维之 一，美国杜邦公司投入很大力量研究 天然蜘蛛丝的结构、性能及生长机理， 研制出仿生蛛丝纤维。比已有的人造 纤维具有更高的强度、弹性和抗磨能 力。
仿生学
Bionics
1960年9月，美国第一届仿生学讨论会的召 开，标志着仿生学的诞生。 仿生学的创始人是美国军事学家斯蒂尔。
• 在1960年第一届仿生学会议上，设计了 一个仿生学的符号：一个数学的积分号 (代表数学)，一端连接一把解剖刀(代表 生物科学)，另一端连接一招电烙铁(代表 电子技术、技术科学)，这个图案很形象 地表征了仿生学新颖的研究内容、独特 的研究方法和整个研究历程。
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。 仿生学的研究主要包括：力学仿生、分子（化学） 仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。 仿生学的范围很广，信息与控制仿生是主要领域。 一方面由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是 由于生物科学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成 为对神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究 是仿生学研究的主攻方面。