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1、仿生学仿生学仿生学仿生学 -源于生命的灵感源于生命的灵感源于生命的灵感源于生命的灵感 李春秀李春秀 2012.2-132012.2-13 人人类面临的难题类面临的难题人人类面临的难题类面临的难题 人类的困境与难题人类的困境与难题 人类的困境与难题人类的困境与难题 人口膨胀人口膨胀 食物食物匱匱乏乏 食物食物匱匱乏乏 能源短缺能源短缺 资源耗竭资源耗竭 资源耗竭资源耗竭 环境污染环境污染 生态平衡破坏生态平衡破坏 生态平衡破坏生态平衡破坏 现代科技的负面效应现代科技的负面效应 何去何从何去何从 向大自然學習向大自然學習 自然界生物拥有许多特殊结构自然界生物拥有许多特殊结构 自然生命世界蕴藏着所用
2、科技的奥秘和答自然生命世界蕴藏着所用科技的奥秘和答 案案，但数千年来但数千年来，人类都靠剥削自然为基人类都靠剥削自然为基案案，但数千年来但数千年来，人类都靠剥削自然为基人类都靠剥削自然为基 础而发明各种科技，并开始卷入大自然的础而发明各种科技，并开始卷入大自然的 反扑中反扑中。反扑中反扑中。 越来越多科学家加入【仿生学】行列，以 师法大自然出发，并赋予生物科技新的使， 命与责任！ 未来生物科技将不是【征服】自然的武器 未来生物科技将不是【征服】自然的武器， 而是带领人类【重返】自然的工具 日常生活中的仿生学日常生活中的仿生学日常生活中的仿生学日常生活中的仿生学 铁丝网 1868年，迈克尔年，迈
3、克尔.凯利凯利 美国德克萨斯州美国德克萨斯州申申美国德克萨斯州美国德克萨斯州，申申 请了铁丝网专利 荆棘 请了铁丝网专利 荆棘 盐瓶盐瓶 发明人发明人植物学家拉乌尔植物学家拉乌尔 法兰茨法兰茨发明人发明人：植物学家拉乌尔植物学家拉乌尔.法兰茨法兰茨 1919年，德国具有仿生发明专利年，德国具有仿生发明专利 的物品的物品的物品的物品 罂粟罂粟 罂粟种子罂粟种子 罂粟罂粟 罂粟果荚罂粟果荚 罂粟种子罂粟种子 尼龙搭扣尼龙搭扣尼龙搭扣尼龙搭扣 尼龙搭扣尼龙搭扣尼龙搭扣尼龙搭扣 发明人：瑞士工程师梅斯特拉尔发明人：瑞士工程师梅斯特拉尔 1951年授予瑞士专利年授予瑞士专利 猫爪式轮胎猫爪式轮胎猫爪式轮
4、胎猫爪式轮胎 在正常驾驶时在正常驾驶时轮胎要产生尽可能轮胎要产生尽可能在正常驾驶时在正常驾驶时，轮胎要产生尽可能轮胎要产生尽可能 小的阻力，以便降低汽车的燃油消 耗，但在刹车过程中，又必须与地 小的阻力，以便降低汽车的燃油消 耗，但在刹车过程中，又必须与地 面产生最大的摩擦力面产生最大的摩擦力 猫在落地时，它的爪会变宽，这就是“猫爪式猫在落地时，它的爪会变宽，这就是“猫爪式 面产生最大的摩擦力面产生最大的摩擦力 轮胎”（轮胎”（ContiPremiumContact）的灵感来 源 ）的灵感来 源 绪绪 论论绪绪 论论 1 仿生学的历史1 仿生学的历史 2 2 仿生学的诞生仿生学的诞生 2 2
5、仿生学的诞生仿生学的诞生 3 3 仿生学的研究方法仿生学的研究方法3 3 仿生学的研究方法仿生学的研究方法 4 仿生学的研究范围4 仿生学的研究范围 中国古汉语中已经蕴含了仿生的思想中国古汉语中已经蕴含了仿生的思想 仿生学的历史仿生学的历史 中国古汉语中已经蕴含了仿生的思想中国古汉语中已经蕴含了仿生的思想 象形文字是指纯粹利用图形来作文字使用象形文字是指纯粹利用图形来作文字使用，而这些文字而这些文字象形文字是指纯粹利用图形来作文字使用象形文字是指纯粹利用图形来作文字使用，而这些文字而这些文字 又与所代表的东西在形状上很相似又与所代表的东西在形状上很相似 “鸟鸟”字就是模仿一只有嘴字就是模仿一只
6、有嘴，有翅膀和脚的飞鸟有翅膀和脚的飞鸟鸟鸟”字就是模仿一只有嘴字就是模仿一只有嘴，有翅膀和脚的飞鸟有翅膀和脚的飞鸟 “马”字就是模仿一匹有马鬃，有四条腿，还有尾巴的马马”字就是模仿一匹有马鬃，有四条腿，还有尾巴的马 “林”字就是两颗大树并行排列，代表茂密的森林林”字就是两颗大树并行排列，代表茂密的森林 仿生学的历史仿生学的历史仿生学的历史仿生学的历史 相传在公元前三千多年，我们的相传在公元前三千多年，我们的 祖先祖先巢氏巢氏模仿鸟类在树上模仿鸟类在树上营巢营巢，祖先祖先巢氏巢氏模仿鸟类在树上模仿鸟类在树上营巢营巢， 以防御猛兽的伤害以防御猛兽的伤害 根据秦汉时期史书记载根据秦汉时期史书记载，两
7、千多两千多根据秦汉时期史书记载根据秦汉时期史书记载，两千多两千多 年前，我国人民年前，我国人民模仿鸟类飞行发模仿鸟类飞行发 明了风筝明了风筝，并且应用于军事甚至并且应用于军事甚至明了风筝明了风筝，并且应用于军事甚至并且应用于军事甚至 联络联络 仿生学的历史仿生学的历史 在春秋战国时期，据韩非子在春秋战国时期，据韩非子 记载鲁班用竹木模仿鸟类做木鸢记载鲁班用竹木模仿鸟类做木鸢记载鲁班用竹木模仿鸟类做木鸢记载鲁班用竹木模仿鸟类做木鸢 “成而飞之，三日不下“成而飞之，三日不下” 鲁班在实践生活中从一种能划破鲁班在实践生活中从一种能划破鲁班在实践生活中从一种能划破鲁班在实践生活中从一种能划破 皮肤的带
8、齿的草叶中得到启示而 发明了 皮肤的带齿的草叶中得到启示而 发明了锯子锯子 仿生学的历史仿生学的历史 我国古代劳动人民还通过对水中 生活的鱼类的模仿，伐木凿船， 我国古代劳动人民还通过对水中 生活的鱼类的模仿，伐木凿船， 用木材做成鱼形的船体用木材做成鱼形的船体，仿照鱼仿照鱼用木材做成鱼形的船体用木材做成鱼形的船体，仿照鱼仿照鱼 的胸鳍和尾鳍制成双桨和单撸， 由此取得水上运输的自由 的胸鳍和尾鳍制成双桨和单撸， 由此取得水上运输的自由 板通过左右摆动，船便随之前板通过左右摆动，船便随之前 进进，就像鱼在水中靠其尾部的就像鱼在水中靠其尾部的进进，就像鱼在水中靠其尾部的就像鱼在水中靠其尾部的 摆动
9、而前进，实际上，橹板在 水中摆动时，产生了前后压力 摆动而前进，实际上，橹板在 水中摆动时，产生了前后压力 差，从而形成船体前进的动力差，从而形成船体前进的动力 达.芬奇(1452-1519)达.芬奇(1452-1519) 意大利工程师和艺术家意大利工程师和艺术家 世界上第一架飞行器世界上第一架飞行器 原始的直升飞机原始的直升飞机 世界上第一架飞行器世界上第一架飞行器 原始的直升飞机原始的直升飞机原始的直升飞机原始的直升飞机原始的直升飞机原始的直升飞机 达达.芬奇还通过齿轮和机械杆儿作为驱动装置， 制作了第一款人型机器人，可以挥舞胳膊，转 动 芬奇还通过齿轮和机械杆儿作为驱动装置， 制作了第一
10、款人型机器人，可以挥舞胳膊，转 动头部头部甚至开合下甚至开合下颌颌的动的动作作头部颌作头部颌作 仿生学的历史仿生学的历史 一八一八OO年左右，英国科学家，年左右，英国科学家，空气动力学空气动力学的创始人之一的创始人之一- 凯利凯利模仿鱼和鸟的纺锤形模仿鱼和鸟的纺锤形找到阻力小的流线型结构找到阻力小的流线型结构-凯利凯利，模仿鱼和鸟的纺锤形模仿鱼和鸟的纺锤形，找到阻力小的流线型结构找到阻力小的流线型结构， 设计制造了滑翔机。 ， 设计制造了滑翔机。 凯利还模仿鸟鸟翅设计了一种凯利还模仿鸟鸟翅设计了一种机翼曲线机翼曲线对航空技术的诞对航空技术的诞 凯利还模仿鸟鸟翅设计了一种凯利还模仿鸟鸟翅设计了一
11、种机翼曲线机翼曲线，对航空技术的诞对航空技术的诞 生起了很大的促进作用生起了很大的促进作用 仿生学的历史仿生学的历史 1782年，瓦特发明蒸汽机引起年，瓦特发明蒸汽机引起第一次工业第一次工业 革命革命在工业技术方面基本解决了能量的在工业技术方面基本解决了能量的革命革命，在工业技术方面基本解决了能量的在工业技术方面基本解决了能量的 转换和利用等问题。随后，人们经历了电转换和利用等问题。随后，人们经历了电 气时代并向自动化时代迈进气时代并向自动化时代迈进气时代并向自动化时代迈进气时代并向自动化时代迈进。 世世年代年代计算机的问世计算机的问世人们把计算机和人们把计算机和 仿生学的历史仿生学的历史 2
12、0世世纪纪40年代年代，计算机的问世计算机的问世，人们把计算机和人们把计算机和 自动装置相结合，使得人们可以更准确地调整和控自动装置相结合，使得人们可以更准确地调整和控 制生产程序。但是，制生产程序。但是，自动装置自动装置是按人们制定的固定 程序进行工作的，其控制能力具有很大的局限性。 是按人们制定的固定 程序进行工作的，其控制能力具有很大的局限性。 世界上第一台计算机 世界上第一台计算机的驱动器 世界上第一台计算机 世界上第一台计算机的驱动器 仿生学的历史仿生学的历史 1944年，一些科学家已经明确了机器年，一些科学家已经明确了机器 和生物体内的通讯自动控制与统计力和生物体内的通讯自动控制与
13、统计力和生物体内的通讯自动控制与统计力和生物体内的通讯自动控制与统计力 学等一系列的问题上都是一致的。学等一系列的问题上都是一致的。 1947年，一个新的学科年，一个新的学科-控制论产生控制论产生 了了了了。 控制论（控制论（cybernetics）是从希腊文是从希腊文 而来而来原意是原意是“掌舵人掌舵人”按照控制按照控制而来而来，原意是原意是掌舵人掌舵人。按照控制按照控制 论的创始人之一维纳给予控制论的定 义 是“关于在动物和机器中控制和通 论的创始人之一维纳给予控制论的定 义 是“关于在动物和机器中控制和通 讯讯”的科学的科学讯讯”的科学的科学 仿生学的历史仿生学的历史 控制论的基本观点认
14、为：控制论的基本观点认为： 动物（尤其是人）与机器之间动物（尤其是人）与机器之间 有一定的共体有一定的共体，也就是在它们也就是在它们有一定的共体有一定的共体，也就是在它们也就是在它们 具备的控制系统内有某些具备的控制系统内有某些共同共同 的规律的规律。的规律的规律。 控制系统控制系统就是一部信息通道的 网络或体系。 就是一部信息通道的 网络或体系。 控制论成为联系控制论成为联系生物学生物学与与工程工程 控制论成为联系控制论成为联系生物学生物学与与工程工程 技术技术的理论基础，成为沟通生的理论基础，成为沟通生 物系统与技术系统的桥梁物系统与技术系统的桥梁。物系统与技术系统的桥梁物系统与技术系统的
15、桥梁。 当生物学和工程技术学通过控 制论结合在一起，相互渗透就 当生物学和工程技术学通过控 制论结合在一起，相互渗透就 人有人的用处：控制论与社会人有人的用处：控制论与社会 孕育出孕育出仿生学仿生学 仿生学的诞生仿生学的诞生 1960年年9月月13日日 美国召开第一届仿生学讨论会美国召开第一届仿生学讨论会 （副标题副标题生物原型生物原型新技术的关键新技术的关键 ）（副标题副标题：生物原型生物原型-新技术的关键新技术的关键 ） 第一次仿生学会议有第一次仿生学会议有30名演讲人和约名演讲人和约700名听众，他们是名听众，他们是工程师，物理工程师，物理 学学数学家数学家病理学家病理学家精神病学家精神
16、病学家生物学家和生物物理学家生物学家和生物物理学家学学，数学家数学家，病理学家病理学家，精神病学家精神病学家，生物学家和生物物理学家生物学家和生物物理学家。 会上的比较典型的演讲题目：会上的比较典型的演讲题目： 设计生物计算机中的问题设计生物计算机中的问题 人造神经元有什么优点人造神经元有什么优点？人造神经元有什么优点人造神经元有什么优点？ 用机器识别图像用机器识别图像 学习的机器学习的机器 仿生学的诞生仿生学的诞生 Jac Ellwood steele -仿生学之父仿生学之父 “Bionics”( 仿生学）仿生学） 仿生学之父仿生学之父 拉丁字“拉丁字“bio”是“生命方式”的意思 字尾“ 是“生命方式”的意思 字尾“ic”是“具有是“具有.性质”性质” “a
