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奇妙仿生学.doc

奇妙仿生学

Albert侯鹏
2017-10-07 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《奇妙仿生学doc》,可适用于高中教育领域

奇妙仿生学奇妙仿生学奇妙仿生学仿生学是指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。仿生学涵盖生物电子学、生物传感器、生物仿真材料、生物物理学、生物电机和生物大分子的自装配等的一门交叉学科。主要是研究和建立一类人工系统使之具有生命系统的某些特性。自古以来自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物界经过长期的进化过程使它们能适应环境的变化从而得到生存和发展。劳动创造了人类。人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言在长期的生产实践中促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。因此人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物通过创造性的劳动增加自己的本领。鱼儿在水中有自由来去的本领人们就模仿鱼类的形体造船以木桨仿鳍。因仿生学在很早就有了雏型。人类仿生的行为虽然早有雏型但是在世纪年代以前人们并没有自觉地把生物作为设计思想和创造发明的源泉。科学家对于生物学的研究也只停留在描述生物体精巧的结构和完美的功能上。而工程技术人员更多的依赖于他们卓越的智慧辛辛苦苦的努力进行着人工发明。他们很少有意识的向生物界学习。由于人们的意识及技术的限制仿生学在那时发展非常缓慢。随着生产的需要和科学技术的发展从世纪年代以来人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究促进了生物学的极大发展对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想而成了可以做到的事实。生物学家和工程师们积极合作开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一起互相渗透孕育出一门新生的科学仿生学。作为一门独立的学科仿生学正式诞生于年月。由美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗,”斯蒂尔为新兴的科学命名为“Bionics”希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学年我国将“Bionics”译为“仿生学”。斯蒂尔把仿生学定义为“模仿生物原理来建造技术系统或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学”。简言之仿生学就是模仿生物的科学。确切地说仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征并把它们应用到技术系统改善已有的技术工程设备并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学。从生物学的角度来说仿生学属于“应用生物学”的一个分支从工程技术方面来看仿生学根据对生物系统的研究为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统为人类造福。仿生学的诞生无疑给人类很大的发展世界因它而变得更加绚丽多彩,变幻神奇。下面看看仿生学的一些例子。苍蝇与宇宙飞船苍蝇为人类做出了的伟大的贡献。令人讨厌的苍蝇与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及但仿生学却把它们紧密地联系起来了。苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”凡是腥臭污秽的地方都有它们的踪迹。苍蝇的嗅觉特别灵敏远在几千米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻子”它靠什么来充当嗅觉的呢原来苍蝇的“鼻子”嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲送往大脑。大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同就可区别出不同气味的物质。因此苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。仿生学家由此得到启发根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属而是活的苍蝇。就是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。这种仪器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。这种小型气体分析仪也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。另外苍蝇的楫翅(又叫平衡棒)是个“天然导航仪”人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上实现了自动驾驶。蝙蝠与雷达蝙蝠会释放出一种超声波这种声波遇见物体时就会反弹回来而人类听不见。雷达就是根据蝙蝠的这种特性发明出来的。现在在各种地方都会用到雷达。萤火虫与人工冷光自从人类发明了电灯生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光其余大部分都以热能的形式浪费掉了而且电灯的热射线有害于人眼。那么有没有只发光不发热的光源呢人类又把目光投向了大自然。在自然界中有许多生物都能发光如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等而且这些动物发出的光都不产生热所以又被称为“冷光。”在众多的发光动物中萤火虫是其中的一类。萤火虫约有种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率而且发出的冷光一般都很柔和很适合人类的眼睛光的强度也比较高。因此生物光是一种人类理想的光。科学家研究发现萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成。发光层拥有几千个发光细胞它们都含有荧光素和荧光酶两种物质。在荧光酶的作用下荧光素在细胞内水分的参与下与氧化合便发出荧光。萤火虫的发光实质上是把化学能转变成光能的过程。早在年代人们根据对萤火虫的研究创造了日光灯使人类的照明光源发生了很大变化。近年来科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素后来又分离出了荧光酶接着又用化学方法人工合成了荧光素。由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。由于这种光没有电源不会产生磁场因而可以在生物光源的照明下做清除磁性水雷等工作。现在人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光作为安全照明用。电鱼与伏特电池自然界中有许多生物都能产生电仅仅是鱼类就有余种。人们将这些能放电的鱼统称为“电鱼”各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。中等大小的电鳐能产生伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达伏非洲电鲶能产生伏的电压电鳗能产生伏的电压有一种南美洲电鳗竟能产生高达伏的电压称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动物。电鱼放电的奥秘究竟在哪里经过对电鱼的解剖研究终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器官是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的。由于电鱼的种类不同所以发电器的形状、位置、电板数都不一样。电鳗的发电器呈棱形位于尾部脊椎两侧的肌肉中电鳐的发电器形似扁平的肾脏排列在身体中线两侧共有万块电板电鲶的发电器起源于某种腺体位于皮肤与肌肉之间,约有万块电板。单个电板产生的电压很微弱但由于电板很多产生的电压就很大了电鱼这种非凡的本领引起了人们极大的兴趣。世纪初意大利物理学家伏特以电鱼发电器官为模型设计出世界上最早的伏特电池。因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。对电鱼的研究还给人们这样的启示:如果能成功地模仿电鱼的发电器官那么船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。蜻蜓与仿生学蜻蜒通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流井利用气流产生的涡流来使自己上升。蜻蜒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km小时。此外蜻蜒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。蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飞行时安然无恙于是人们仿效蜻蜒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。蜂类与仿生蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成每个小蜂房的底部由个相同的菱形组成这些结构与近代数学家精确计算出来的菱形钝角。’锐角。’完全相同是最节省材料的结构且容量大、极坚固令许多专家赞叹不止。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板强度大、重量轻、不易传导声和热是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方向十分敏感的偏振片可利用太阳准确定位。科学家据此原理研制成功了偏振光导航仪早已广泛用于航海事业中。除此外还有水母的顺风耳技能训练长颈鹿与宇航员失重现象蛋壳与薄壳建筑在我们的生活中与仿生学有关的事与物无处不在。世界本来就缤纷多彩五彩斑斓似乎充满着神世界。仿生学的出现是世界更加的绚丽多彩揭开世界神秘的面纱。学习仿生学使我们了解世界奥秘的同时创造出世界的奇迹级生技一班:郭伟雄年月日

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