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仿生学的应用科学.ppt

仿生学的应用科学

精品课件库
2019-06-20 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《仿生学的应用科学ppt》,可适用于综合领域

开启新技术的钥匙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目录、仿生学简介远在中国古代,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、祖国传统医学中的养生之道更是集世间万物之精巧愈显其博大精深。第节前言凤蓬草轮子鱼尾船橹人眼晶状体透镜鸟飞机、生活中的仿生学第节前言仿生学(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“模仿生物特性的科学。”DrJackEllwoodSteel、仿生学的概念第节前言、仿生学的创立年月日,美国Dayton的一个空军基地,第一届美国仿生学讨论会在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JESteel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Bionics源于希腊语“bion”(生命的方式),其词尾“ic”则是“具有……性质”的意思。Bionics并非源于Bio和electronics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。第节前言、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。第节前言、仿生学的研究分支第节前言信息仿生学控制仿生学力学仿生学化学仿生学医学仿生学拟态仿生学整体仿生学、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。第节前言、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模型关键在于技术模型的建立)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提出一个生物模型(Biologicalmodel)(又称生物原型Livingprototype)然后将有关生物模型的实验资料翻译成数学语言用数学公式来表达变成具有普遍意义的数学模型(mathematicalmodel)最后根据这个数学模型或直接根据生物原型用电子电路、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特别是经过生物学实验的验证、改进而发展成各种技术模型(technologicalmodel)最终实现对生物系统的工程模拟(Engineeringsimulating)。第节前言生物体生物模型BiologicalModel,又称生物原型LivingPrototype数学模型,Mathematicalmodel技术模型,TechnologicalModel工程模拟EngineeringSimulating,亦即生产出“技术装置”第节前言数学模拟生物科学电子技术、仿生学符号(仿生学=生物模型数学模拟技术模型)第节前言是目前仿生学研究的重点。研究的是生物机构与外界环境、生物个体之间、生物体内部各部分之间的信息接收、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成类似与生物系统的计算系统、信息接收和处理系统。研究内容包括细胞内和细胞间通信、动物间通信、机体的信息存储与提取感觉器官的机理和人工智能(ArtificialIntelligence,AI)。第节信息仿生学、事例从蛙眼与到电子蛙眼从水母耳到电子耳第节信息仿生学、动物的视觉器官眼睛是人的最重要的感觉器官从外界进入人脑的信息有以上来自眼睛。大部分信息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。万个视细胞万个输出细胞万个双极细胞第节信息仿生学、蛙眼与电子蛙眼青蛙的视觉系统第节信息仿生学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。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(electronicear)由个电子神经元和个滤波器组成将它用于一种通讯系统后可以把个电话通道压缩成一个通道大大提高传输效率。、生物听觉系统与电子耳第节信息仿生学*海洋漂浮生物水母(俗称海蜇)的听觉器官可以感应次声波(infrasonicwave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个小时准确预报风暴方向与强度。、水母耳与电子耳第节信息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℃)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(entaticstate)、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(manmachineteamwork)。第节控制仿生学、事例蛇的红外探测蝙蝠与超声波动物的天然导航第节控制仿生学蛇田鼠热血动物身体向外散热蛇通过感受器探测到热源、蛇的红外探测第节控制仿生学颊窝de位置颊窝(Jiawo)是一个红外感受器对周围温度变化极为敏感能感受℃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。、蛇的红外探测第节控制仿生学飞行中的蝙蝠超声波声音反射波蛾、蝙蝠与超声波蝙蝠的捕食第节控制仿生学超声信号被反射、蝙蝠与超声波蝙蝠的回声定位第节控制仿生学、蝙蝠的回声探测器蝙蝠的声纳信息处理原理参考波刺激接受器载有信息的超声波发出的超声波第节控制仿生学发送器7、动物的天然导航一些动物利用日月星辰导航也有些动物利用海流、海水成分、地磁场、重力场等进行导航这些为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪。第节控制仿生学千里迁徙万里洄游8、动物的天然导航第节控制仿生学、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态仿生。拟态仿生在军事中应用广泛。第节拟态仿生学、拟态仿生动物的拟态与保护色第节拟态仿生学、拟态仿生 坦克的迷彩伪装分保护迷彩、变形迷彩、仿造迷彩第节拟态仿生学三色迷彩的德国“豹”I坦克在电视成像下的效果、拟态仿生坦克的迷彩伪装第节拟态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(structuralmechanics)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。第节力学仿生学、事例生物与航海生物与航空生物与建筑第节力学仿生学、生物与航海轮船对海洋生物体形的模仿模仿鳕鱼、鲇(nian)鱼外形建造的“复仇号”帆船第节力学仿生学、生物与航海轮船对海洋生物体形的模仿第节力学仿生学、生物与航海轮船对海洋生物体形的模仿俄罗斯海军新型核潜艇第节力学仿生学、生物与航海轮船对海洋生物结构的模仿模仿鲸的胸鳍(qi)给船装上了船鳍第节力学仿生学、生物与航海轮船对海洋生物结构的模仿模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液以减小湍流第节力学仿生学*、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)流很小第节力学仿生学人造海豚皮构造图、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第节力学仿生学鹰击长空啸傲云天、生物与航空第节力学仿生学、生物与航空飞鸟与飞机达芬奇设计的扑翼飞机第节力学仿生学飞机在滑进飞行时与飞鸟飞行时的体形和翅膀极为相似。、生物与航空飞鸟与飞机第节力学仿生学、生物与航空昆虫与飞机现代先进的飞机能够模仿昆虫在空中作各种花样演习第节力学仿生学、生物与航空昆虫与飞机昆虫飞行时翅膀的运动很复杂其角度的变化控制比目前的飞行自动驾驶仪还好。第节力学仿生学、生物与航空昆虫与飞机飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤第节力学仿生学艺术珍品澳大利亚悉尼歌剧院、生物与建筑  薄壳结构:薄而耐压省材而强度大同时外观美丽第节力学仿生学东京中银舱体楼、生物与建筑  舱体结构:模仿植物叶片空间配置,利于采光。第节力学仿生学、生物与建筑  圆顶屋:外形美观光线明亮空气流通结构完整节省材料。美国佛罗里达的未来世界博物馆第节力学仿生学研究和模拟的是生物体中的各类化学反应,包括酶学(enzymology)原理、选择性生物膜(biomembrane)、生物结构的能量转化、生物发光(bioluminescence)、生物发电(bioelectricity)等。第节化学仿生学、事例人工嗅觉(电子鼻)仿生物膜(人工膜)药物等化学物质的仿生合成人工昆虫信息激素第节化学仿生学狗的嗅觉:狗的鼻子里的雾受一种蛋白质的控制将气味分子浓缩后传送给鼻子里的气味感受器上的气味辨别蛋白当气味辨别蛋白将不同的气味辨别后被辨别出的特定的气味信号立即被嗅觉细胞传递给大脑大脑便知道了所闻到的是一种什么气味。、动物嗅觉狗的嗅觉过程第节化学仿生学、人工嗅觉嗅敏检测仪俗称“电子鼻”采集系统嗅敏元件放大系统电源嗅敏电阻:一类以SnO(氧化锡)为主体的金属半导体它是一种表面效应很强的材料。第节化学仿生学、生物膜的选择吸收细胞膜的结构特点(SJonSinger和GarthNicolson提出液态镶嵌模型SingerNicolsonfluidmosaicmembranemodel)细胞膜的流动镶嵌模型:()脂双层形成框架()蛋白质镶嵌其中()具有动态特点。第节化学仿生学、仿生物膜人工膜人工膜的特点:化学组成和厚度与天然膜相似:能有效地分开两种不同的水相具有结构和化学两侧不对称性易于操作能用来研究膜的向量功能(如传递等)。第节化学仿生学第节医学仿生学研究的是人工脏器、生物医学的图象识别以及医学信号的分析与处理。自动化机器人从月球土壤中提取气体、智能机器人自动化机器第节整体仿生学、智能机器人智能计算机组成自然语言语音图形图像信息内核软件(智能操作系统、编译系统等)人机接口软件硬件第节整体仿生学、智能机器人生物计算机生物计算机的特点•能制成超高密度的线路•能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥即使芯片中出了故障本身也能修复从而使它成为一种具有永久性的不出故障的元件•只要用少量的能量就能工作不存在发热问题第节整体仿生学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本章小结本章思考题仿生学研究包括哪三个主要步骤?信息仿生学的主要研究范围和内容是什么?控制仿生学的主要研究内容和时下研究热点?什么叫生物的拟态?力学仿生学最经常模拟的是生物哪些方面?最常见的应用事例在哪些方面?你认为化学仿生学最有前景的应用是什么?智能机器人的研制属于仿生学的哪个分支?本章到此结束谢谢大家!欢迎同学们提出宝贵意见!**

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