仿生学与新材料.docx

仿生学与新材料摘要：自然界生物在漫长的进化过程中优胜劣汰，为了生存、自卫、竞争和发展的需要，强化了许多优异的结构和特殊功能，值得人们很好地借鉴并发挥。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，它大大的开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。关键词：仿生学 仿生设计 军事 能源1.引言早在远古时期，人类就从自然生态系统中领悟到自身生存、发展和进步的真谛，蒙昧时代进入文明时代就是在模仿和适应自然规律的基础上发展起来的。回顾世界文明史，人们很早就留下了模仿自然生态的痕迹，人首龙身、羽化飞升等大量事例记述了人们对自然生命形态和功能创造性的模仿。 　　人类师法自然思维由来已久，这便促成了仿生学的诞生。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，属于生物科学与技术科学之间的边缘学科，其目的就是分析生物过程和结构，并将结果用于未来的设计。 　 仿生学思想是建立在自然进化和共同进化基础上的，人类所从事的技术就是为使其达到互相间的协调，而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好途径，恰似“桥 梁”和“纽带”，连接着生物科学与技术科学[1]。人们向生物系统索取设计蓝图，使军事、化工、机械、建筑等科学领域发生了根本性的变化，新事物层出不穷：从雪 地行走的企鹅，人们发现了越野汽车；利用六角形结构蜜蜂窝，生产出了蜂窝材料；从青蛙突出的眼睛，制造电子蛙眼；由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。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；仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”，这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。　　在工业化进程加速的基础上，仿生学已被广泛应用到社会生产、生活的各个方面，仿生学的相关设计开始占据举足轻重的地位，人们由此得出仿生设计学（Bionics Design）[2]。仿生设计学是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴学科，它与原有的仿生学成果应用不同，是以自然界万事万物的“形”“色”“音” “功能”“结构”等为研究对象，同时结合仿生学的研究成果，为设计提供新的原理和方法。从某种意义讲，仿生设计学可以说是仿生学的延续和发展，作为人类社 会生产活动与自然界的契合点，正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。 2.仿生学的研究范围仿生学的研究范围非常广阔主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速。分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。 能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。信息与控制仿生，是研究与模拟神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通过训练，改变元件之间联系的权重来进行学习，从而能实现模式识别。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人-机系统的仿生学方面。我们可以从不同的角度多方面研究仿生学的原理与方法，更好的应用仿生法。3.仿生学的应用3.1仿生学在军事上的应用随着时代发展与变化，军事仿生设计越来越受到人们的关注。在漫长的进化过程中，生物为了生存、自卫、竞争和发展的需要，逐渐形成了许多优异的结构和特殊功能，值得人们在军事研究中很好地借鉴。军事