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1、1105,科技未來研究(FT601) 10、仿生學,楊棋明 博士中央研究院生物多樣性研究中心 Email: cmyanggate.sinica.edu.tw,1106,人類面臨的難題,人類困境與難題 人口澎漲 食物匱乏 能源短缺 資源耗竭 環境汙染 生態平衡破壞 現代科技的負面效應 其它 何去與何從 向大自然學習,1107,自然界生物擁有許多的特殊結構,1108,自然界生物擁有許多的特殊功能(技能),自介觀、微觀到宏觀的各層次，生命系統都顯現千姿百態、精巧奇妙、錯綜複雜結構與功能的運作機理，且在自然界歷經千搥百煉，在今日各種環境下都能找到不同的、高效率的運作模式。 變色龍變色逃生的機制用於軍事
2、偽裝設備 生物的骨骼構造比鋼鐵強硬 蓮花出淤泥而不染 墨魚的瞬間加速可以達到每小時20哩 蜂鳥飛行600哩旅程耗費不到十分之一盎司的能量 蝙蝠的回音定位造成雷達發明 模仿蜻蜓與蜂鳥的自動控制與導航系統 啄木鳥的腦殼有最緊密組織的抗震骨骼 蜘蛛絲有五倍鋼鐵的硬度與延展性； 壁虎掛吊在天花板上研發出一種超強黏性的膠帶 魚類的魚鰭仍是世界最完美結構的天然推進器 仿生龍蝦有目前世界已知最堅硬的外殼可用來探掘冰雷,1109,仿生學(Bionics),仿生學是模仿生物的特殊本領的一門科學。仿生學藉了解生物的結構和功能原理，來研製新的機械和新技術，或解決機械技術的難題。 1958年由美國J.E.Steele
3、首先提出“Bionics”（仿生學）。仿生學這個名詞來源於希臘文“Bio”，意思是生命，字尾“nic”有具有的性質的意思。他認為仿生學是研究以模仿生物系統的方式、或是以具有生物系統特徵的方式、或是以類似於生物系統方式工作的系統的科學。 仿生學主要是觀察、研究和模擬自然界生物各種各樣的特殊本領，包括生物本身結構、原理、行為、各種器官功能、體內的物理和化學過程、能量的供給、記憶與傳遞等。從而為科學技術中利用這些原理，提供新的設計思想、工作原理和系統架構的技術科學。 仿生學是一門生命科學、物質科學理學、資訊科學、腦與認識科學、工程學、數學系力學及系統科學等學科的整合學科。研究範圍包括了力學仿生、分子
4、仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。,1110,仿生學 (bionics),等同生物模擬(biomimicry) 創建者美國空軍軍官斯蒂爾(Jack E. Steele) 少校於1958年首創此詞。 原則向生物學習、模仿、或啟發創意，藉由仿造各種生物的優點，以改進人類的技術或創造發明。 實施步驟 生物功能性原則 仿生學的次原則,1111,仿生學實施原則,生物功能性原則 最小化-最大化原則 多功能原則 結構和功能特殊原則 利用外來能量和環境能量原則 動力原則 理想安排原則 封閉過程原則 功能-結構原則,仿生學的次原則 歷史性 結構仿生學 建構仿生學 氣候仿生學 構造仿生學 動作仿生學 機器仿生學
5、人類仿生學 感應仿生學 神經仿生學 方法仿生學 演進仿生學,1112,仿生學之研究過程,第一階段生物學研究階段：此乃基礎研究階段 根據工程技術系統的目標、任務而採用各種方法去研究生命系統中與此目標或任務相關的結構與功能。 在生物學自身的基礎研究成果中選取富含對工程技術有所啟迪的內容。 第二階段理論研究階段： 通過對基礎研究階段所獲資料的分析、綜合判斷、建立數學模型、提出基礎理論、揭示特定規律。 第三階段應用研究階段，又稱技術階段。 根據前二階段研究成果，模擬和仿效生命系統，進而研究、設計、製造具體的、有效的物理模型。,1113,資訊與控制仿生,資訊與控制仿生是研究與模擬感覺器官、神經元與神經網
6、路、以及高級中樞的智慧活動等方面生物體中的資訊處理過程。例如根據象鼻蟲視動反應製成的“自相關測速儀”可測定飛機著陸速度。根據鱟複眼視網膜側抑制網路的工作原理，研製成功可增強圖像輪廓、提高反差、從而有助於模糊目標檢測的些裝置。已建立的神經元模型達100種以上，並在此基礎上構造出新型電腦。,結構生物資訊與電腦輔助藥物設計 此部分是屬於生物資訊領域 本實驗室從序列到蛋白質結構模擬的建立，並且評估蛋白質結構的合理性，從與藥物docking，進而利用理論設計新的藥物，是一門新興的科學，適合用功聰明，不想走傳統分生或生化實驗者，但有時也會需要做分生實驗加以佐證預測結果。,1114,仿生學的應用實例-搜尋炸
7、藥,巴夫洛夫制約:就是動物對某種刺激產生特定反應後，你賞牠東西吃，如此一再反覆，使那些反應成為習慣。這個專案裡，科學家讓蜜蜂聞炸藥，如果牠們聞到炸藥就伸出牠們原本用來吸花蜜的管鼻，就打賞牠們糖水吃，久而久之，聞到炸藥就伸管鼻，成為牠們的固定反應。 傳統黃色炸藥 (TNT):近年恐怖分子愛用的C-4塑膠炸彈，或者在客機上用雙氧水和硫酸 (廁所常見)就能臨時做成的強力TATP(熵炸藥)，無論是藏在汽車裡，埋在路邊，或像自殺炸彈客那樣纏在腰間，都無所遁形，而且蜜蜂只要伸出管鼻，牠們聞到的毫無疑問一定是炸藥，百試不爽。 科學家表示:下一步是訓練使用人員。嗅彈蜜蜂可以裝在鞋盒大小的手提偵器裡，機場通關，
8、或路邊臨檢，無不可用，甚至可讓爆破組的拆彈機器人攜帶，偵出待拆的可疑物品裡有沒有炸藥。,1115,美專家製成類似壁虎腳底的黏合材料,美國研究人員仿照壁虎的腳底，把用碳奈米管材料製成的毛狀物覆蓋到聚合物表面，這些毛狀物具有與壁虎腳底細毛類似的功能。 壁虎能在光滑的牆面行走自如，因此製造出像壁虎腳底一樣具有神奇黏合力的材料一直是某些專家的夙願。2007/7/18日出版的英國自然雜誌說，美國研究人員仿照壁虎的腳底，把用碳納米管材料製成的毛狀物覆蓋到聚合物表面，這些毛狀物具有與壁虎腳底細毛類似的功能。 最終，研究人員研製出一種柔軟的貼片，可以反復粘貼、扯下，而且其性能比壁虎腳底更勝一籌。研究人員說，這
9、種碳納米管材料黏合時的力量是壁虎腳底的4倍。(2007.7.18),壁虎,壁虎的腳掌,1116,仿生學在現代傢俱設計的應用,傢俱設計中的形態仿生 傢俱設計中的結構仿生 傢俱設計中的功能仿生,1117,人類的出路：探尋生物模擬(biomimicry)的奧妙 (1),這是一本題材特殊、有創意、有個性、有夢想的書，它教你如何以小草、池塘、小麥田等身份去思考，進而在自然界中尋得智慧。 你會發現，我們迫切的求生之道就在大自然中。 文明科技世界的農業、能源、材料科學、醫療、產業經營等領域正遭遇瓶頸，人類該如何突破？本書作者找出自然界許多例證，創意十足地引介可能讓各界絕地逢生的新出路生物模擬。,生物模擬 農
10、業方面：向多年生植物組成的草原生 態看齊。 能源方面：從光合作用找尋啟示。 材料科技方面：向蜘蛛與鮑魚討教。 醫療方面：觀察黑猩猩藥劑師的自 療祕方。 電腦科技方面：從矽電腦躍升至分子運 算之道。 產業經濟方面：以循環不息的紅杉林為 典範。 擁有三十八億年生命歷程的大自然，在其平凡的外貌之下，隱含人類迫切追尋的求生之道。正如墨霍克印第安族接生婆的祝禱詞：謝謝你，大地。你知道方向。經過 生物模擬的啟發，期待人類生命也能找到新的方向。,1118,人類的出路：探尋生物模擬(biomimicry)的奧妙 (2),作者(Janine M. Benyus)是一位深入廣出的生命科學報導者。這本書，人類的出路
11、：探尋生物模擬(Biomimicry)的奧妙，是作者最難能可貴的著作。 於這本書裡，作者帶領我們經歷一趟意義深遠，且充滿希望的未來之旅。、 這本書啟發工業社會，從擁有38億年演化歷程的大自然，學習寶貴的教訓。， 這本書是遠見和發明的匯合，且是探索人類文明持續的關鍵、.等等，這些都是這本書頗受推薦的理由。 面對工業文明所肇致的困境與傷害，作者提出重返自然之道，也就是生物模擬(biomimicry)，模擬大自然的法則，生物的生活，以及形態和功能。 這本書的主題包含：糧食(第二章)、能源(第三章)、製造(第四章)、醫療(第五章)、資訊(第六章)、產業(第七章)，以及前言(第一章)和總結(第八章)。,
12、作者：Janine M. Benyus 譯者：張孟菲 1998年11月，胡桃木文化事業出版,1119,人類的出路：探尋生物模擬(biomimicry)的奧妙 (3),就糧食方面，作者以自己的體驗和專訪，詳細的說明如何模擬自然生產糧食，擺脫商業陷阱，如同無為而治的永續農業。於能源的主題，作者對如何在人造的世界模擬自然的光合作用，以及製造人工浮萍，有相當詳實的描述。如同鮑魚的殼，貽貝的絲足，蜘蛛的絲，如同生命塑造形體，生產物質等等材料科學的探討內容，則是編入於以製造為主題的章節中。 學習野生動物於自然生活之自我治療的智慧，這是第五章內容的主題。於第六章的內容進入創造全新的電腦資訊工程技術，以生物細
13、胞的方式運作電腦。這是網狀体系的運作結構，亦將是如同大腦有意識的運作方式。於第七章，作者企圖說明如何學習自然生態體系的循環利用，建立的不僅是綠化的產業，而且是環環相扣的產業，一個產業產生的廢棄物是另一個產業的原料。同時，提出經千萬年歷鍊自然成熟的生態體系之十誡，並詳細其如何運用於產業經濟體系。 最後一章，我們將何去何從，提出朝向生物模擬未來的四個步驟： 靜音(完全沉浸於大自然中) 傾聽(與野生動植物面談) 共鳴(鼓勵生物學家與工程師相互合作，以大自然為典範)、以及 管理(保持生命的多樣性與天賦)。,1120,人類將何去何從,靜音完全沉浸於大自然中 傾聽與野生動植物面談 共鳴鼓勵生物學家與工程師
14、相互合作，以大自然為典範 管理保持生命的多樣性與天賦,1121,人類的出路：探尋生物模擬(biomimicry)的奧妙 (4),這本書的知識跨越數個領域，如：農學、族群整合學、能量學、生態學、植物生理學、生物化學、材料科學、物理學、醫學、動物行為學、資訊科技與工程、分子生物學、演化學、產業規劃、 等等。 這是現代任何專家學者很難達到的境界。正當真實社會與世界愈來愈多元且多樣，以及知識爆發性的成長時，自然生命快速的萎縮，而專家學者卻深陷於其專業的領域。如同見樹不見林，再加上切割化約和反自然的研發方向，結果是愈來愈與真實的世界脫節。 珍妮班那斯(Janine M. Benyus)，深入廣出的科學報
15、導者，所撰寫的這本書不僅可增加大眾對新科技未來的認知，以及瞭解如何邁進可持續文明的未來社會，同時亦或許可打破各方專家學者閉門造車的枷鎖，啟發研究的思路。這是一本值得大家閱讀的好書。,1122,蜘蛛人(spider man),蜘蛛人初次登場是在1962年8月，在雜誌驚奇幻想（Amazing Fantasy）第15期，後來十分受歡迎才有了以他為主題的漫畫。 超級能力 視力變得非常好 更強壯的肌肉 擁有非常靈敏的超級感官，和有預知危險的能力(spider-sense) 手指有吸附的作用，能夠像蜘蛛一樣在牆上行走 能夠製造結實而有韌性的蜘蛛絲並帶有黏性，用他可以編製成蛛網，利用蛛絲在大廈之間擺盪穿梭而
16、行。漫畫版中蜘蛛絲是蜘蛛人所調配的特殊化學配方，壓縮儲存於膠囊當中，可透過手掌的控制器發射。電影版則強調蜘蛛的特性，所以蜘蛛絲改由蜘蛛人的身體製造，只要擺出特殊的手勢(食指、姆指、小指伸出)即可發射。,1123,中國人的仿生形意拳,1124,中國人的仿生虎拳,1125,中國人的仿生虎拳,虎拳公仔,1126,中國人的仿生豹拳,1127,中國人的仿生猴拳,1128,中國人的仿生螳螂拳,1129,中國人的仿生醉拳大戰螳螂拳,1130,仿生學的未來與展望,仿生學的範圍很廣，資訊與控制仿生是一個主要領域。一方面由於自動化向智慧控制發展的需要，另一方面是由於生物科學已發展到這樣一個階段，使研究大腦已成為對
17、神經科學最大的挑戰。人工智慧和智慧型機器人研究的仿生學方面生物模式識別的研究，大腦學習記憶和思維過程的研究與模擬，生物體中控制的可靠性和協調問題等是仿生學研究的主攻方面。 控制與資訊仿生和生物控制論關係密切。兩者都研究生物系統中的控制和資訊過程，都運用生物系統的模型。但前者的目的主要是構造實用人造硬體系統；而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術科學的理論出發，為生物行為尋求解釋。 最廣泛地運用類比、類比和模型方法是仿生學研究方法的突出特點。其目的不在於直接複製每一個細節，而是要理解生物系統的工作原理，以實現特定功能為中心目的。般認為，在仿生學研究中存在下列三個相關的方面：生物原型、數學模型和硬體模型。前者是基礎，後者是目的，而數學模型則是兩者之間必不可少的橋樑。 由於生物系統的複雜性，搞清某種生物系統的機制需要相當長的研究週期，而且解決實際問題需要多學科長時間的密切協作，這是限制仿生學發展速度的主要原因。,
