第一篇：生物奧秘與仿生學心得

生物奧秘與仿生學心得

大一上學期我選修了生物奧秘與仿生學這門課，這是一門有意思的學科，老師帶領我們探索生命的奧秘與科學。在這門課上我們學習到了很多知識，并且感悟到了除了科學知識以外的對生命的體會。隨著生產的需要和科學技術的發展，從20世紀50年代以來，人們已經認識到生物系統是開辟新技術的主要途徑之一，自覺地把生物界作為各種技術思想、設計原理和創造發明的源泉。人們用化學、物理學、數學以及技術模型對生物系統開展著深入的研究，促進了生物學的極大發展，對生物體內功能機理的研究也取得了迅速的進展。此時模擬生物不再是引人入勝的幻想，而成了可以做到的事實。生物學家和工程師們積極合作，開始將從生物界獲得的知識用來改善舊的或創造新的工程技術設備。生物學開始跨入各行各業技術革新和技術革命的行列，而且首先在自動控制、航空、航海等軍事部門取得了成功。于是生物學和工程技術學科結合在一起，互相滲透孕育出一門新生的科學——仿生學。

我們的科學家們以極大的興趣研究生物界奇妙的功能，模仿生物的特殊本領為現代科學服務。而我們更從中看到上帝創造萬物中的無窮智慧。宇宙是一本敞開的書，一切被造的生物也是上帝向世人敞開的一本書。我們用慣了“大自然”這個名詞，也用慣了生物“本能”這個詞，其實這些詞并不恰當，凡物不是“自然”而成，生物也不是生成就有“本能”。上帝借著這本人人可讀的敞開的書向我們說明，他是創造主。走獸、飛鳥、魚，雖然不會說話，但你若能去問、去思考，問許許多多的為什么，它們必會向你說明，是上帝的手作成這一切。科學家——不論生物學家、植物學家、動物學家、微生物學家、醫學家、化學家無一不在研究這本敞開的書，他們探究這些奧秘，為了造福人類，我們探究奧秘，更要認識上帝。

這門課帶領我們探索了大自然的奧秘，感受了生物與生物之間的聯系，讓我們感受到宇宙的無窮與奇妙，讓我們更加明白人知識大自然的一部分，還有更多的生物與我們共存，并且，我們需要它們依賴它們，從而豐富我們的生活，讓大自然和諧，美好。

第二篇：通過學習生物奧秘與仿生學一課有很多的心得體會

通過學習生物奧秘與仿生學一課有很多的心得體會，從中也學會了很多以前不知道的知識，自身得到了很大的提高，現在我就來談談自己對于這一課的心得與體會。

今天的科學已初步揭開生物內部構造，機能的奧秘。自1966年誕生了一門嶄新的科學——仿生學開始，科學家們以極大的興趣研究生物界奇妙的功能，模仿生物的特殊本領為現代科學服務。而我們更從中看到上帝創造萬物中的無窮智慧。

“一個小小的生物在自然界中生活，都有其卓有成效的導航、定向、計算、生物合成、能量轉換等系統，其小巧性、靈敏性、快速性、高效性、可靠性和抗干擾性都是令人驚嘆不已的。例如，在許多方面，電子計算機尚不及小小昆蟲的腦袋，一個看來很丑陋的螳螂能在1/20秒的瞬間計算出飛掠眼前的小昆蟲的速度，方向和距離，非常準確的一舉捕獲，連那上噸重的電子跟蹤系統都為之相形見絀。”

人類利用雷達來跟蹤探測目標，這是在近代才得到應用的一門科學，但生物界應用這門技術卻是從遠古開始的。其貌不揚的蝙蝠就是利用口中發射的超聲波來定位，導行、與追蹤獵物的。它的耳朵是超聲波接收機，其在黑暗中測量距離、位置、方向的靈敏度比飛機上的雷達更精確。科學家作過試驗，將蝙蝠的眼睛蒙住，放入一個布滿鐵絲并系有鈴鐺的房間內，各鐵絲間的距離只比兩翼尖間距離稍大，蝙蝠能自由飛行而沒有碰上。一種叫小褐蝠的蝙蝠能分辨0.18毫米粗的鐵絲。其探測器只有0.05克重，功率為百萬分之一瓦。真使人類的幾千幾百公斤的雷達裝置相形見拙。

不知為何，蝙蝠還有天生的抗干擾裝置。它不但能分辨什么是食物，什么是障礙，而且在周圍如果有比它的信號強二千倍的噪音仍不受干擾，可正常工作。將二萬只蝙蝠放在一起也不會互相干擾，各自收聽自己的信號。這種奇特的性能勝過現代定位器百倍。一種熱帶食魚的蝙蝠還能對水下面的魚類定位，準確的抓食，據研究，接收水下魚體反射的信號強度只有原來的150萬分之一。

研究人員更注意到，在夜間繞著火光飛舞的昆蟲中有一種夜蛾，它竟有特殊的反雷達本領，在捕捉它的蝙蝠未來之先，早就逃之夭夭，蝙蝠的超聲波對夜蛾來說往往失靈。為了提高人類的反雷達技術，求助于這小昆蟲的本能，經發現，原來夜蛾身上有一整套反雷達裝置：腹部與胸之間的凹處有一個特殊的鼓膜器，專門收聽蝙蝠的超聲波雷達，這個“順風耳”只有二個細胞、三根神經纖維，可收聽30米外的危險信號。當敵情來自左方，蝙蝠所發的超聲波到達夜蛾中央神經系統的信號左邊要比右過早千分之一秒，強度也較強。夜蛾馬上準備逃跑并且以特殊的翅膀來減少對蝙蝠所發聲波的反射。有的夜蛾還能以足部關節的一種振動器發生一連串“咔嚓”聲來干擾打亂蝙蝠的超聲波定位。使它不能確定目標。萬一防備不周，蝙蝠已近在咫尺，它有應急措施：翻斤斗兜圈子，收起翅膀跌在地上，總之使蝙蝠無法確定自己的位置。蝙蝠在夜蛾身上往往是“心有余而力不足”。

與其他生物的特殊本能一樣，進化論認為都是后天獲得，即在生存斗爭中發展起來的。這就令人很費解，蝙蝠怎么會獲得這特殊的功能，這些超聲波“發射器”和“接收器”是如何自己逐步產生并完善的？是誰教導它們使用？更有趣的是，夜蛾怎么會發明反雷達抗干擾裝置，其他的昆蟲為什么沒有進化？因它們也隨時有危險，如果遭到蝙蝠追捕的昆蟲都配備這些裝置，蝙蝠豈不是要餓肚子而絕種？或者發明另一件更好的武器？

圣經中有這么一段話：“你且問走獸，走獸必指教你，又問空中的飛鳥，飛鳥必告訴你，或與地說話，地必指教你，海中的魚也必向你說明，看這一切，誰不知道是耶和華的手作成的呢？

這一課讓我有很多的心得體會，這些知識對我來說終生受用，也相信以后在許多方面能用到這些知識，這一課也讓我體會到了生物界與人類的緊密聯系，自由自在暢想在人與大自然和諧的關系中，也讓我知道生物界有很多知識值得我們來借鑒，會使我們人類更輝煌，人類要和大自然和諧共處！

第三篇：仿生學與新材料

仿生學與新材料

摘要：自然界生物在漫長的進化過程中優勝劣汰，為了生存、自衛、競爭和發展的需要，強化了許多優異的結構和特殊功能，值得人們很好地借鑒并發揮。仿生學是指模仿生物建造技術裝置的科學，它是在上世紀中期才出現的一門新的邊緣科學。仿生學研究生物體的結構、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術之中，發明性能優越的儀器、裝置和機器，創造新技術。從仿生學的誕生、發展，到現在短短幾十年的時間內，它的研究成果已經非常可觀。仿生學的問世開辟了獨特的技術發展道路，也就是向生物界索取藍圖的道路，它大大的開闊了人們的眼界，顯示了極強的生命力。關鍵詞：仿生學 仿生設計 軍事 能源

1.引言

早在遠古時期，人類就從自然生態系統中領悟到自身生存、發展和進步的真諦，蒙昧時代進入文明時代就是在模仿和適應自然規律的基礎上發展起來的。回顧世界文明史，人們很早就留下了模仿自然生態的痕跡，人首龍身、羽化飛升等大量事例記述了人們對自然生命形態和功能創造性的模仿。

人類師法自然思維由來已久，這便促成了仿生學的誕生。仿生學是研究生物系統的結構和性質以為工程技術提供新的設計思想及工作原理的科學，屬于生物科學與技術科學之間的邊緣學科，其目的就是分析生物過程和結構，并將結果用于未來的設計。

仿生學思想是建立在自然進化和共同進化基礎上的，人類所從事的技術就是為使其達到互相間的協調，而模擬生物適應環境的功能無疑是一個好途徑，恰似“橋 梁”和“紐帶”，連接著生物科學與技術科學[1]。人們向生物系統索取設計藍圖，使軍事、化工、機械、建筑等科學領域發生了根本性的變化，新事物層出不窮：從雪 地行走的企鵝，人們發現了越野汽車；利用六角形結構蜜蜂窩，生產出了蜂窩材料；從青蛙突出的眼睛，制造電子蛙眼；由令人討厭的蒼蠅，仿制成功一種十分奇特的小型氣體分析儀。已經被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內氣體的成分；仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳風暴預測儀，能提前15小時對風暴作出預報，對航海和漁業的安全都有重要意義。根據蝙蝠超聲定位器的原理，人們還仿制了盲人用的“探路儀”，這種探路儀內裝一個超聲波發射器，盲人帶著它可以發現電桿、臺階、橋上的人等。如今，有類似作用的“超聲眼鏡”也已制成。

在工業化進程加速的基礎上，仿生學已被廣泛應用到社會生產、生活的各個方面，仿生學的相關設計開始占據舉足輕重的地位，人們由此得出仿生設計學（Bionics Design）[2]。仿生設計學是在仿生學和設計學的基礎上發展起來的一門新興學科，它與原有的仿生學成果應用不同，是以自然界萬事萬物的“形”“色”“音” “功能”“結構”等為研究對象，同時結合仿生學的研究成果，為設計提供新的原理和方法。從某種意義講，仿生設計學可以說是仿生學的延續和發展，作為人類社 會生產活動與自然界的契合點，正逐漸成為設計發展過程中新的亮點。2.仿生學的研究范圍

仿生學的研究范圍非常廣闊主要包括：力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。

力學仿生，是研究并模仿生物體大體結構與精細結構的靜力學性質，以及生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環境中運動的動力學性質。例如，建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區域，又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結構，把人工海豚皮包敷在船艦外殼上，可減少航行揣流，提高航速。

分子仿生，是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害蟲舞毒蛾性引誘激素的化學結構后，合成了一種類似有機化合物，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺雄蟲。

能量仿生，是研究與模仿生物電器官生物發光、肌肉直接把化學能轉換成機械能等生物體中的能量轉換過程。信息與控制仿生，是研究與模擬神經元與神經網絡、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。例如,根據象鼻蟲視動反應制成的“自相關測速儀”可測定飛機著陸速度。根據鱟復眼視網膜側抑制網絡的工作原理，研制成功可增強圖像輪廓、提高反差、從而有助于模糊目標檢測的—些裝置。已建立的神經元模型達100種以上，并在此基礎上構造出新型計算機。模仿人類學習過程，制造出一種稱為“感知機”的機器，它可以通過訓練，改變元件之間聯系的權重來進行學習，從而能實現模式識別。此外，它還研究與模擬體內穩態，運動控制、動物的定向與導航等生物系統中的控制機制，以及人-機系統的仿生學方面。我們可以從不同的角度多方面研究仿生學的原理與方法，更好的應用仿生法。3.仿生學的應用

3.1仿生學在軍事上的應用

隨著時代發展與變化，軍事仿生設計越來越受到人們的關注。在漫長的進化過程中，生物為了生存、自衛、競爭和發展的需要，逐漸形成了許多優異的結構和特殊功能，值得人們在軍事研究中很好地借鑒。軍事仿生學就是模 仿生系統的原理來建造先進軍事裝備技術系統或者使人造軍事裝備技術系統具有或類似于生物系統特征的一門科學。隨著人類科學技術的進步，軍事仿生學的研究 范圍越來越廣泛，已經滲透到與軍事相關的各個領域，只要生物界具有的優異之處而軍事裝備上又很需要的，都值得軍事研究人員去揣摩、模仿。

仿生設計在軍事上的成功應用有很多例子。如貓的眼睛與夜視儀。漆黑的夜晚，貓能清楚地觀察老鼠的一舉一動并敏捷地抓住它，其原因在于貓眼的視網膜上具有圓 錐細胞和圓柱細胞，圓錐細胞能感受白晝普通光的光強和顏色，圓柱細胞能感受夜間的光覺。一般只能在白天活動的動物如鳥、雞等，它們的視網膜中常常只有圓錐 細胞；而另一些只能在夜間活動的動物如貓頭鷹，其視網膜上只有圓柱細胞。此外，貓眼還有一個特點，在它感受弱光時，瞳孔能夠隨著光的不同強度而自動調整。所以，陽光很強時，你會看到貓瞇著它的雙眼，瞳孔已縮小成直線般的細縫，保證只讓少量的光線進入瞳孔內。而在光線十分微弱的晚上，瞳孔又能放大呈圓形，以 便保證在黑暗中也能看清楚各種物體。軍事科學家們便模仿貓眼的奧妙研制出了大有用處的微光夜視儀。這就是軍事仿生學。世界上有許多軍事發明，也都是科學家在探 索動物奧秘中得到啟迪而設計、發明的。例如：蝴蝶與衛星控溫系統。位于太空的人造地球衛星，在受到陽光的強烈照射時，衛星表面溫度會高達2000度；而在 陰影區域，衛星表面溫度會下降至零下200℃左右，很容易烤壞或凍壞各種儀器儀表，這曾使航天科學家傷透了腦筋。后來，科學工作者從蝴蝶身上受到啟迪，原 來在蝴蝶體表生長著一層細小的鱗片，有著調節體溫的作用。每當陽光直射、氣溫上升時鱗片自動張開，以調整陽光照射的角度，從而減少對熱能的吸收；而當外界氣溫下降時，鱗片自動閉合，緊貼體表，讓陽光直射鱗片，從而把溫度控制在正常范圍內。科學家為人造地球衛星設計了一種猶如蝴蝶鱗片般的控溫系統。

仿生設計在軍事上的成功應用，推動了軍事科技的發展。在當今信息時代，人們對設計的要求和過去不同，既注意功能的優良特性，又追求形態的清新、淳樸，同時注重個性[3]。而仿生設計本身就是人們在長期向大自然學習的過程中，經過積累經驗，選擇和改進其功能、形態，從而來創造更優良的人造物。所以，運用仿生性思維進行軍事方面設計，不僅創造功能完備、結構精巧、用材合理、美妙絕倫的軍事化及軍需化物品，而且以生命的象征，讓設計回歸自然，增進人類與自然和諧統一。

仿生設計在軍事上的應用有著巨大的潛力和發展前景，隨著科學的高速發展和人們對自然界認識的不斷提高，將會有更多的仿生發明應用于軍事科技領域。兩個領 域的結合將使軍事研究向著更為科學和完美的方向發展，為軍事研究開辟新的空間；同時，仿生設計也擁有了更廣泛的用武之地，為其自身進一步發展壯大奠定了基礎。

3.2仿生學在新能源上的應用

2008年8月Angewandte Chemie雜志報道了澳大利亞莫納什大學的利昂·斯皮西亞、羅賓·布里姆布來可比和安妮特·可羅，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）的格哈德·斯偉格斯和美國普林斯頓大學的查爾斯·迪斯莫克斯共同開發了由一層涂層和維持植物光合作用的基本化學物質——錳組成的系統。該系統可模擬植物的光合作用，為利用陽光將水分解成氫和氧開辟了一條新途徑。此項技術突破有望革新制氫工藝，從而利用太陽光大規模生產清潔的綠色能源——氫氣。光合作用是植物、藻類和某些細菌利用葉綠素，在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉化為有機物，并釋放出氧氣的生化過程。對于生物界的幾乎所有生物來說，這個過程是賴以生存的關鍵，而在面臨能源和環境瓶頸的今天，這一過程中的能量轉換也為人類提供了極其重要的啟示。由于自然光譜的吸收率等原因，光合作用在多數植物中效率非常低，通常均低于0.5%。在人工設計的系統中，研發人員借鑒其光反應與電子傳遞的機制，并提高通量轉化的效率，使其適于太陽能的轉化利用。事實上，在上述模擬光合作用的研究取得突破前，微生物制氫的已經成為了研究熱點。自然界已發現有類似甲烷菌的制氫菌，但其菌種繁育不如甲烷菌那樣簡單。若能建立合適的菌種群落，制造氫氣也會像制造沼氣一樣得到大規模應用。

模擬光合作用制氫或者微生物制氫過程正是仿生學“向自然學習”的思想典型。20世紀40年代以來，工程技術領域中出現了調節理論，人們開始在一般意義上把生物與機器進行類比，認識到二者包含自動調節系統。此后，科學研究和生產實踐完全證實了生物和機器在許多問題上的共同之處。而控制論則把生物科學和工程技術從理論上聯系起來，成為在原理上溝通生物系統與技術系統的橋梁，奠定了生物與機器在控制與通信方面進行類比的科學理論基礎。之后，斯蒂爾提出了仿生學的研究理念。自上個世紀末以來，人們認識到大約35億年的生命演化與協同進化過程優化了生物體宏觀與微觀結構，形態與功能具有無可比擬的優越性，仿生學也因此顯示出巨大的生命力。

從研究模式上看，仿生學作為模仿生物建造技術裝置的科學，是一門新興的邊緣科學，研究生物體的結構、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術之中，發明性能優越的儀器、裝置和設備，創造新技術。模擬光合作用制氫過程的例子很好地詮釋了這一點。在植物的光合作用中，錳參與幾種酶系統。由于錳 可以在正二價和正四價兩種化合價之間轉換，所以主要在氧化還原和電子轉移中發揮作用。這一思想為斯皮西亞等人的研究提供了啟發。他們在確定錳簇是植物利用水、二氧化碳和陽光制造碳水化合物和氧氣的中心樞紐后，開發出這種人造錳簇，并利用這些分子的能力將水分解成氫和氧。研究者將一層質子導體――Nafion薄膜覆蓋在一個電極上，形成一層僅幾微米厚的聚合體膜，這層聚合體膜充當錳簇的載體。錳在正常情況下不溶解于水，但可以和Nafion薄膜小孔中的催化劑結合，形成不易分解的穩定結構，當水到達此催化劑時，在陽光的照射下便發生氧化反應。

在能源和環境領域，這一技術顯示了仿生技術的巨大應用潛力和價值。初步測試表明，此催化劑連續使用3天之后還有活性，由此分解出來的氫氣和氧氣可以在燃料電池中結合成水，產生電力供住宅和電動車全天24小時使用，且不排放碳而是排放水。雖然此系統的效率還有待提高，但研究者可以不斷地從自然界中學習，使之更為高效，從而使氫這一能效高且沒有碳排放的綠色清潔能源為未來社會所用。

生物體的電子傳遞過程在能源仿生技術上的另一重點研究領域是生物發光。生物發光和光合作用都是“電子傳遞”現象，而從某個角度上看，生物發光可以看作是光合作用的逆反應。光合作用是綠色植物吸取環境中的二氧化碳和水分，在葉綠體中，利用太陽光能合成碳水化合物，同時放出氧氣。光能從水分子上釋放電子，并把電子加到二氧化碳上，產生碳水化合物，這是一個還原過程。光合作用把光能轉變成化學能，而生物發光是電子從熒光素分子上脫下來和氧化合，形成水，產生光。生物發光是將化學能轉變成光能。生物光作為冷光源，具有效能高、效率大、不發熱、不產生其它輻射、不會燃燒、不產生磁場等特點，對于手術室、實驗室、易燃物品庫房、礦井以及水下作業等，都是一種安全可靠的理想照明光源。通過模仿發光生物把一種形式的能量轉換成另一種形式的能量，制造冷光板使其不需要復雜的電路和電力，就能白天吸收太陽光，晚上再將光能釋放。人們先是從發光生物中分離出純熒光素，后來又分離出熒光酶。現在已能人工合成熒光素，這就使人類模仿生物發光，創造一種新的高效光源——冷光源成為可能。然而，人們對于螢火蟲等發光機制的研究仍然有待深入。如果將光合作用和生物發光機制在仿生學框架下同時加以研究，就有可能在能量利用的電子傳遞現象中取得進展，從而實現能源利用更為巨大的進步。

從仿生學的誕生、發展，到現在短短幾十年的時間內，研究成果已經非常可觀。仿生學的問世開辟了獨特的技術發展道路，也就是向生物界索取藍圖的道路，它大大開闊了人們的眼界，顯示了極強的生命力，在能源技術上的應用潛力也極其巨大，有助于破解人們所面臨的能源瓶頸問題，同時解決石化能源等所帶來的環境問題。

3.3仿生學在醫學的應用

醫學仿生學包括人工臟器的研制、生物醫學圖像識別以及醫學信號的分析處理等。此外，還在研究建筑仿生、農業仿生等。美國科學家宣布，他們將活細胞和硅化電路相結合，創造出他們表示可使醫學技術革命化的“仿生學晶片”。伯克利的加州大學研究人員宣布，他們成功地把人類的組織細胞裝置在電腦晶片的小室內。帶領這項研究的一位教授魯賓斯基說：“這是以硅為基本成份的晶片，跟任何電腦或電子裝置使用的晶片類同。我相信它是真正的仿生學晶片。” 研究人員表示，這是人類活細胞首次被電腦訊號控制。科學家透過指揮微小的裝置打開或關閉細胞，希望有一天能命令癌細胞自行打開，容許有害的力量侵入，從而自我毀滅。

醫學仿生學——已制成的有原子動力心臟，人工腎，能做出六個基本動作的假手，仿生學是一門綜合科學，需要生物學、生理學、心理學、生物物理學、生物化學、控制論、數學、電子學、通訊、航空、航海、醫學等等許多科學工作者進行合作，去解決各自需要解決的問題。仿生學是一門新生的科學，前途廣闊，不久的將來將在生產、生活各個領域里得到廣泛的應用。目前醫學仿生學研究的重點是“感覺器官的模擬”、“神經元和神經網絡的模擬”。在仿生高分子，我認為比較具有前沿研究的，一個是在醫用材料里面，比如說仿生骨的研究，已經很多進入臨床狀態，四川大學李玉寶教授做的仿生的羥基磷酸鈣人造骨，作為脊椎骨治療腰椎盤突出取得比較好的成績。仿生醫學的研究對解決目前器官供需的嚴重不平衡應該有所幫助。4.結束語

德國著名設計大師路易吉·科拉尼曾說：“設計的基礎應來自誕生于大自然的生命所呈現的真理之中”，道出了自然界是蘊含著無盡設計寶藏的天機。在現今科學 技術飛速發展的時代，學習和利用生物系統的優異結構和奇妙的功能，已經成為技術革新和技術革命的一個新方向。未來仿生“電子眼”、仿生“電子神經系統”的誕生，將是仿生學劃時代的貢獻。所有這些都預示著仿生科技前途似錦，而且仿生科技的探索永無止境。

另一方面，大自然向人類展示著精妙絕倫的生命形態和絢麗多姿的悅人色彩，同時，大自然還無聲地闡釋了自然界的生存哲學——和諧與共生。這種和諧的設計哲學呼吁人類社會與大自然之間的高度和諧統一，共生的設計哲學則呼吁著人與機器、生態自然與人造自然之間合理的建構。因此，設計師要學會師法自然的仿生性設計思維，創造人、自然、機器和諧共生的對話平臺[4]。仿生設計的應用有著巨大的潛力和發展前景，隨著科學的高速發展和人們對自然界認識的不斷提高，將會有更多的仿生發明應用科技領域。參考文獻

[1]于帆，陳嬿.仿生造型設計.華中科技大學出版社，2005.[2]智一君惕.仿生學與現代化.湖南教育出版社，1985.[3]王建成.簡明軍事科技發展史.國防工業出版社，2005.[4]許書民.設計概論.上海科學普及出版社，2005.

第四篇：仿生學論文：淺談昆蟲與仿生學

結課論文

作者： 學號： 學院： 專業： TEL： EMAIL: 指導老師： 題目：淺談昆蟲與仿生學

淺談昆蟲與仿生學

xxx（華南農業大學經濟管理學院xxx，2xxxxx）

摘 要：在生物界中昆蟲經歷了長期的進化過程，發展出了許多與其所處生存環境相適應的器官系統，它們結構獨特、功能奇異，因此，昆蟲一直是仿生中最重要的對象之一。本文就昆蟲仿生的僅展及熱點，如：昆蟲的形態仿生、結構仿生、感覺器官仿生、運動功能的仿生及其他特異能力的仿生進行介紹。

關鍵詞：昆蟲，仿生，功能

仿生學(bionics)是指模仿生物建造技術裝置的科學，它是在上世紀中期才出現的一門新的邊緣科學。仿生學研究生物體的結構、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術之中，發明性能優越的儀器、裝置和機器，創造新技術。從仿生學的誕生、發展，到現在短短幾十年的時間內，它的研究成果已經非常可觀。仿生學的問世開辟了獨特的技術發展道路，也就是向生物界索取藍圖的道路，它大大開闊了人們的眼界，顯示了極強的生命力。無論是在初期抑或是現在，仿生學主要以昆蟲為對象的仿生研究一直是國內外的研究熱點。目前,有關昆蟲仿生研究的主要方向有：昆蟲的形態仿生、結構和功能的仿生、感覺器官的仿生、運動功能的仿生及其他特異能力的仿生等。[1]

一、昆蟲形態的仿生

昆蟲形態千差萬別。形態仿生是早期仿生的主要內容，主要應用于軍事和航空航天領域，例如：模仿蝴蝶色彩和花紋的軍事偽裝設施；模仿蜻蜒翅膀上的翅痣在飛機的兩翼加上平衡重錘，解決飛機因高速飛行而引起振動的棘手問題；模仿蝴蝶翅面上的鱗片隨陽光照射方向自動變換角度而調節體溫的原理，成功實現對人造衛星由于位置不斷變化而引起溫度驟然變化的控制。另外，一些昆蟲巢穴的形態結構也是仿生研究的內容。在一些大型建筑中，經常模仿蜜蜂巢穴的六角形的架構設計，使建筑物具有高強度力學支撐結構，既堅固、美觀，又節省建材。

二、昆蟲結構與功能的仿生

由于生存環境的關系，一些昆蟲在進化過程中形成了非常獨特的體表微細結構，這些結構為仿生學家所關注。例如：大鳳蝶的翅膀顏色是黃、藍色，但看起來卻是閃閃發光的綠色。原因乃是布滿在翅膀上的微型小坑對光線的反射，人眼無法將從坑底反射的黃色光與周圍兩次反射的蘭色光區分開來，從而感覺到的是綠色。研究如何模仿蝴蝶翅膀表面細微結構開發新型防偽技術(如防偽紙幣或信用卡)已成為該領域重要的課題。

另外，人們注意到一些甲蟲的體表很少黏附土壤(盡管它們常年生活在土壤和糞堆中)。坦克的履帶和汽車的輪胎以及其他地面作業機械容易黏附泥土，既降低功效又縮短使用壽命。通過研究土壤昆蟲(如蜣螂)的體表微觀構造，發現體表的非光滑結構、體液和負性電位有利于減黏脫附，利用這些特性，進行仿生研究，解決地面機械的土壤黏附問題,開發出對土壤的黏附大為減少的仿生犁和仿生推土機鏟等。[2]

三、昆蟲感覺器官的仿生

在嗅覺方面，很多昆蟲具有高度靈敏的嗅覺。昆蟲觸角上分布有不同類型的嗅覺感受器，感受器的類型不同決定了昆蟲對不同化學物質的分辨率。不同的昆蟲嗅覺靈敏度有差異,觸角的結構以及相應的傳導網絡是其重要的決定因素。除了高靈敏度以外，昆蟲的嗅覺感受器還具有高分辨率和高度特異性的特點。目前，各國都在加緊研制實用的仿昆蟲觸角的嗅覺感受器檢測裝置。有的直接將昆蟲觸角與場效應管相連組成氣味物質檢測系統；有的則仿昆蟲嗅覺感受器排列組合研制復傳感器(傳感器陣列)。德國和法國科學家研究嗅覺感受器并將其用于機器人的嗅覺導航系統。美國加州大學圣地亞哥分校的的研究人員則通過研究蝗蟲觸角葉接收氣味信號的特點，提出一種新的網絡模型，其核心是神經元網絡之間可以相互連接形成一個系統而使他們能識別比傳統網絡更多的信號。

就聽覺系統而言，聲源定位能力是最顯著的屬性之一，對有些昆蟲來說，這種能力是生死攸關的。例如，昆蟲(蛾類)“反捕獵”行為，可以聰明地閃避蝙蝠的追捕；神經解剖學研究表明，昆蟲(蛾類)鼓膜耳僅有2個聽覺感受器細胞，但能非常靈敏地偵聽出蝙蝠的超聲信號。因此，模仿昆蟲聽覺結構，研究其對聲發射、接收、聽信息加工及運動調控的感覺神經生物學與神經行為學原理，可望開發先進的“反聲納”裝置。[3]

在視覺方面，盡管昆蟲復眼結構簡單，但其功能卻是人和哺乳動物的單眼所不及。例如：螳螂能在0105s內一躍而起，吞下飛行中的小蟲。在如此短的時間內，它需要準確測出小蟲大小、飛行方向和速度，而螳螂僅靠其1對大復眼和頸部的一個本體感受器即可實現。此外,昆蟲復眼還能感知偏振光、紫外光等。根據這些現象和原理，已經進行了很多成功的仿生應用，如：一次可拍攝1329張照片的蠅眼照相機；仿昆蟲復眼的先進的相控陣雷達；仿昆蟲復眼研制成功的空對地速度計以及偏振光導航儀。實際上，昆蟲的復眼本身是一個精巧的導航控制系統，根據多年的研究發現，昆蟲(特別是家蠅)具有快速、準確地處理視覺信息的能力，能實時計算出前面飛行物的方位與速度，同時發出指令控制并校正自己的飛行方向和速度，以便跟蹤和攔截目標。對昆蟲復眼這一定向導航系統的研究已得到廣泛重視。目前，各國都在加緊昆蟲視覺仿生研究，試圖模仿昆蟲復眼成像機理以及昆蟲視覺信息處理過程，研制新型靶標自動制導系統。

在昆蟲感覺器官仿生(尤其是視覺仿生)方面，國內外都給予了高度關注，目前有2個熱點：一是試圖研制出對化學物質高度敏感的探測儀器；二是研究昆蟲復眼電子模型以及聽覺和嗅覺感受器電子模型，并將昆蟲的這類特異的感覺原理用于機器人導航系統，以提高機器人的自主功能水平。

四、昆蟲運動功能的仿生

昆蟲的運動功能奇特，形式多樣，有的蠕動、有的跳動、有的飛行。昆蟲獨特的飛行機制一直為仿生學家所關注，如：昆蟲的翅與飛行、昆蟲飛行過程中的信號接收與傳遞、昆蟲的神經組織結構及控制機理等。

上世紀末,人們提出了微型飛行器(microairvehicle,MAV)概念[4]。“微型機械飛行蟲”(micromechanicalflyingInsect,MFI)或“蟲型飛機”(entomopter)就是MAV的一種。由于其體積小,有很好的隱蔽性和機動性，最適于在室內或野外小范圍內進行偵察;也可以攻擊載人飛行器及其它目標。將MFI用于氣象數據收集、環境研究等方面，可大大減少費用。美國NASA甚至計劃10年后將蟲型飛機用于火星探測。MFI的發展，在未來國家安全和國家經濟建設等方面將起至關重要的作用，正在世界范圍內引起極大的關注。美國國防部國防高級研究計劃署(DARPA)從1992年就開始這種飛行器的論證工作，1995年組建了可行性研究小組，1997年撥款3500萬美元制訂一個為期4年的研制計劃，開展了一系列的研究，近年來取得重要進展。然而，對于MFI或“蟲型飛機”的研究，若采用傳統的氣動布局和飛行方式，可能會產生升力不足、穩定性差和控制困難等一系列問題。而微小昆蟲則是大自然創造的“微型飛行器”，經過上億年的進化和環境適應，在形態、運動方式以及利用“新型”空氣動力學原理等方面,達到了近乎完美的程度。這是各國發展MFI技術加以仿生借鑒的核心。實際上,昆蟲飛行功能研究(尤其是MFI研究)已經成為昆蟲仿生領域最熱烈的前沿方向之一。[5]

除了蟲型飛機外，昆蟲運動功能仿生的另一個方向是制造蟲型機器人，模仿昆蟲在陸地行走的腿足部結構和運動原理，研制具有昆蟲足樣行走能力的機器人或蟲樣蠕動的微型機車。這類機器人可被用于行進到崎嶇不平的山路或其它非平坦地帶(如：地震后墻壁倒塌的廢墟中)執行特殊的任務。

五、昆蟲其他特異能力的仿生

昆蟲的獨特自衛武器的仿生：有些甲蟲在遇到敵害自衛時可噴出致命液體。美國軍事專家受甲蟲噴射原理的啟發研制出了先進的二元化武器。另外，一些發達國家正在利用這種甲蟲自衛武器原理研制二元化汽油：2個油箱分儲不能獨立燃燒的汽油中間體，進入發動機前才混合。或將普通汽油混入某種流體，進入發動機前再用特殊裝置將其分離還原成普通汽油。

昆蟲發光的仿生：一些昆蟲(如：螢火蟲)可將化學能直接轉變成光能,，且轉化效率幾乎100%，而普通電燈的發光效率只有6%。模仿螢火蟲的發光原理制成的冷光源使發光效率提高十幾倍，大大節約了能量。此外，冷光源無論在軍事上還是民用上都具有非常廣闊的用途。仿昆蟲化學能轉換為電能和機械能也是昆蟲特異能力仿生的一個重要方向，這在蟲型飛機的能量供應上有非常重要的用途。

昆蟲群體協作性的仿生：一些社會性昆蟲，如：螞蟻、蜜蜂等具有其特有的社會群體協作性，研究它們的這些群體習性，有的提出所謂“螞蟻算法”,有的將其原理用于研究MAV和多個機器人之間的協同工作。

綜上所述，昆蟲種群龐大、種類多樣、外形迥異、功能奇特，是極其重要的仿生資源。目前，國際上昆蟲仿生的熱點主要集中在仿昆蟲飛行器研制蟲型機器人或蟲型飛機、仿昆蟲觸角感受器開發生物傳感器、仿昆蟲視覺及其控制機理進行機器人導航、仿昆蟲表面微結構研制新型脫黏附和防偽技術、仿昆蟲感覺系統研制聲納Π反聲納裝置等。我國在這些方面雖然都有所涉及，但尚不夠深入，整體水平也有待提高。今后需要大力開展昆蟲仿生資源研究，面對數以百萬計的昆蟲種類及其復雜精妙的結構，昆蟲仿生必然有所選擇，常見的昆蟲易被作為仿生對象，但不太常見功能更為奇特的昆蟲(如：在極端環境下生活的昆蟲)更是值得開發的資源。與此同時,要進一步開拓仿生研究的新領域，尤其要注重昆蟲特異能力(如：特異的感覺能力、信息處理能力)的仿生。只有通過多學科的交叉，結合現代生物學、工程學、微電子學等學科的研究技術和方法，加強對昆蟲器官組織和細胞的生物學特性、功能及其機理的基礎研究，深入理解昆蟲各器官系統的生理學、生物化學、生物信息學等生物過程及其相關功能，才能在比較高的層次上更加有效地進行昆蟲仿生。

參考文獻：

[1]仿生學-百度百科http://baike.baidu.com/view/803.htm [2]程紅,孫久榮,李建橋,任露泉.昆蟲學報,2002,45(2):175～181 [3]肖占中.世界軍事,1996,(11):64.[4]微型飛行器:像昆蟲那樣飛,遼寧日報,劉洪宇,2011-01-14 [5]微型飛行器-百度百科 http://baike.baidu.com/view/263652.htm

第五篇：緒論 探索生物的奧秘

緒論 探索生物的奧秘

教學目標

知識目標

1.使學生初步了解生物，生物與人類的關系，有關生物學的科學成就。

2.使學生初步了解生物學的內容和學習生物學的意義

3.了解學習生物學的基本方法。

能力目標

1.通過觀察圖片或實物，對比生物與非生物的區別，培養學生的觀察、對比、判斷、歸納的思維能力。

2.通過學生分組討論，向全班同學介紹生物科學的發展及巨大成就，培養學生收集資料的能力及語言表達能力和思維能力。

情感目標

1.通過介紹我國生物科學研究的成就，啟發學生的求知欲和建設祖國的責任感，并使之成為學生學習生物學的動力。

2.通過學習科學研究的基本方法，提高學生們的科學素質。

3.通過學生活動,促進新同學相識，培養協作精神。

教學建議

知識體系圖解 教材分析

這一節是全冊教材的緒論課，分別講述為什么要學習生物科學知識，初中生物課的內容和學習方法兩部分內容，使學生對生物學有一個初步的認識。生物是義務教育初中階段必修的一門基礎科學，也是初一學生進入中學階段接觸的第一門實驗科學。這一節課也是整個中學階段學習生物知識的緒論課，將直

接影響學生在今后對生物科學知識的學習。

教法建議

通過生物教學，除了要使學生了解并獲得生物學基礎知識外；還要對學生進行思想教育，形成基本的生物學觀點；培養學生的能力和發展智力；并掌握一定的科學方法、生物學技能，以適應社會發展的需要。

要完成上述任務，必須通過認真學習生物學的重要意義，去激發學生對生物科學的求知欲和學習興趣。教師要極為重視這一節課的教學，精心準備、組織安排好，這將對激發學習興趣起著決定性作用，也為學生今后積極主動地以科學的方法去學好生物學打下良好的基礎。因此對本節課的教學作如下建議：

1．結合生物學教學特點，從學生升入中學開始，就激發他們對生物學的學習興趣。具體做法是：

（1）提前布置學生收集有關生物的照片、圖片，課前進行展示，激發學

生學習生物的興趣。

（2）課上，讓學生介紹他們身邊生物的趣聞。

2．對于生物學研究的主要內容，學習生物學的意義和學習生物學的基本方法，教師可以組織學生討論，在學生發表個人見解或小組意見的基礎上用學生的話加以歸納。教師在討論中注意引導學生從自己周圍的生物現象入手，從生活實例入手，可以使生物課密切聯系實際。教師還要引導學生將興趣向探究規律及原理方面發展。

3．學習生物學的意義，可以讓學生列舉自己從報刊、雜志、廣播等各種傳媒中獲得的信息，特別是與學生的生活實際相聯系的事例，加以說明。以感受生物學的地位和作用。

4．教材中有些內容在一個課時內完不成，有的可以讓學生自己閱讀，有的可以貫穿在以后的教學過程中。

教學設計方案

課題：探索生物的奧秘

重點：為什么要學習生物科學知識？（生物與人類的關系）

難點：學會一些科學研究的基本方法，尤其是要了解實驗法的基本步驟。

教育過程：

引言：（從學生展示的生物圖片作為切入點）大家展示了這么豐富多彩的的生物圖片，可見，生物是與我們的生活是息息相關的。我們生活中的衣、食、住、行都離不開生物，同時，生物科學的知識也是日新月異，趣味無窮。

（可采取學生分組討論的形式，并明確各組討論的主題）

（一）為什么要學習生物科學知識？

1．什么是生物，它具有哪些特征？

(通過討論方式，師生一起總結出科學的結論)

自然界中，凡是有生命的物體都叫生物。

同學們列舉身邊的生物，并說出生物與非生物的區別。

2．生物學的發展史。

補充資料：

近代生物學發展史上的幾件大事：

①17世紀文藝復興時期，英國醫生哈維開創了近代實驗生物學,建立了血液循環學說。

②18世紀瑞典植物學家林奈于1735年出版了《自然系統》一書，建立了新的動物、植物的分類系統，創立了生物命名法——雙名法。

③1665年美國物理學家虎克用其自制的顯微鏡，發現了軟木薄片的細胞壁，從而發現了細胞，將人們對生物的認識引入到細胞這個微觀領域中。

④1683年荷蘭人列文虎克用其自制的顯微鏡觀察污水、牙垢等，發現了細菌和原生動物，成為微生物學的創始人。

⑤19世紀30年代德國植物學家施萊登和動物學家施旺創立了細胞學說。

⑥ 1859年英國博物學家達爾文出版了《物種起源》這一名著，提出了生物進化理論。

⑦ 1865年奧地利人孟德爾經過8年的豌豆雜交實驗，發表了題為《植物雜交實驗》的論文，提出了兩個遺傳的基本規律。

當代生物學的重大成果和發展趨勢：

①DNA的雙螺旋結構。

1953年4月，美國的沃森和英國的克里克公布了他們在前人工作的基礎上的研究結果，建立了DNA雙螺旋結構模型。

②人類基因組的研究。

科學家估計，人類約有10萬個基因，編碼序列約為1億個堿基對。人體基因DNA全序列分析，即基因組研究。研究內容是：分析測定30億個核苷酸的排列順序，破譯每個核苷酸序列中包含的遺傳信息，搞清每個遺傳信息的生物學功能。世界上已有一些國家先后立項

對此進行研究，我國也將人體基因組的研究列入國家研究項目。科學家預測，人類基因組研究有巨大的理論意義和應用價值，將是生物學發展史上的又一個里程碑。

③生態學的研究。

生態學是生物學中古老的分支學科。生態學創立于1869年，是德國進化論者海克爾創立的。本世紀30年代，生態學初具規模。50年代以后，數學被引入生態學的研究，生態學發展為定量的科學，近幾十年來，人口劇增、糧食短缺、環境惡化、資源危機，困擾人類的重大問題都離不開生態學的研究，生態學則顯得越來越重要了。1998年我國長江發生特大水災，損失巨大，更加引起我國對生態學研究的重視。

3．生活和生產實踐中需要生物學知識。（討論）

4．我國在生物研究科學中取得的成就。（參考課本）

5．世界面臨的重大問題與生物科

學的密切關系。（糧食、人口、污染、資源）

（二）初中生物課的內容和學習方法

1．生物課的內容(這一部分內容可由學生通過圖片、影像資料介紹)

2．什么是觀察法？

3．什么是調查法？（直接調查和間接調查）

4．什么是實驗法？它的基本步驟有哪些？

（發現問題、提出假設、通過實驗驗證假設、得出結論）

（三）教師總結

手段：以學生討論為主

設計思想

本節課是緒論課，是學生共同學習的開始，所以注意創設良好的學習氛圍，鼓勵學生積極參與。這一課是以課小學生收集資料，課上學生討論為主線，再加以老師畫龍點睛的總結，采用設題――分組討論—－代表發言—－教師

總結的模式。

板書設計：

探索生物的奧秘

一、為什么要學習生物科學知識？

1．什么是生物，它具有哪些特征？

2．生物學的發展史。

3．生活和生產實踐中需要生物學知識。

4．我國在生物研究科學中取得的成就。

5．世界面臨的重大問題與生物科學的密切關系。

二、初中生物課的內容和學習方法

1．生物課的內容

2．什么是觀察法？

3．什么是調查法？

什么是實驗法？它的基本步驟有哪些？ 探究活動

觀察光對鼠婦生活的影響

如果你翻動花園、庭院中的花盆或石塊。，常常會看到一些身體略扁、長橢圓形、灰褐色或黑色的小動物在爬動，這就是鼠婦又叫潮蟲。當你搬開花盆或石塊，鼠婦很快就爬走了。為什么呢？是因為環境變明亮了嗎？

提出問題

光會影響鼠婦的生活嗎

作出假設

鼠婦適于生活在陰暗的環境中，光會影響鼠婦的生活。

作出假設的依據是：在花盆、石塊下等陰暗的地方看到了鼠婦，而在明亮的地方沒有看到。當把花盆、石塊搬開后，鼠婦很快就爬走了。

制定計劃

這個假設是否正確呢？你也可能會說，把花盆搬開后鼠婦爬走，不一定是光的影響，因為搬動花盆本身就是對鼠婦的外來刺激。看來要檢驗假設是否正確，還需要通過實驗進行探究。

材料用具：每個小組10只鼠婦，濕土，鐵盤（或塑料盤、紙盒），紙板，玻璃板。

實驗裝置：在鐵盤內放上一層濕土，以橫軸中線為界，一側蓋上紙板，另一側蓋上玻璃板。這樣在盤內就形成了陰暗和明亮兩種環境。

方法步驟：

1．全班分成6－8個小組進行實驗。

2．將鼠婦放入實驗裝置，兩側的中央放同樣數目的鼠婦,靜置2分鐘。

3．每分鐘統計一次明亮處和陰暗處的鼠婦數目,統計10次。

實施計劃

按照上述實驗方案做實驗。實驗過程中要仔細觀察，認真記錄。你可以設計一個與下表類似的表格；記錄實驗數據。

不同時間、不同環境下的鼠婦 [1] [2] 下一頁