2020-02-26 21:16:12| 人氣93| 回應0 | 上一篇 | 下一篇

仿生技術

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追查大自然中一直充滿著神奇驚訝之旅~~

似乎每一個人身上都有一位神奇寶貝 

有人說他是守護天使

日本說是精靈

作家說他是靈感之泉。

宗教家說他是上帝

發明之神 尼古拉·特斯拉 說他是神

印度數學天才拉曼努真,也說他是神。

他所留下了許多只有結論而沒有計算過程的手稿,

其中隱藏著神蹟般的數學智慧。可能是一百年後人使用的數學。

時空回到過去~~

唐朝開國時

宋朝開國時

元朝開國時

明朝開國時

清朝開國時

似乎他們花費國庫鉅資都在做相同一樣事~~

現代時空 : 中國

習近平一上位的隔年。同樣做了這一件事~~~

他們都在找尋什麼 ? 找尋失落文明 ?

 

 


 

 

大自然中充滿了動植物在漫長進化過程中產生的智慧,比如以微少的能量有效發揮功能的構造、在常溫常壓的低成本環境下形成複雜的微細構造的機制,而且還不會對環境帶來沉重的負擔。這其中就隱藏著有別於傳統工學方式的新型製造技術的靈感。某大型汽車廠商如今對產品進行功能分解,正在從生物和植物中探尋實現各項功能的方法。

 

把生物和植物具有的構造、機理和形狀等應用於工業產品的仿生學(Biomimetics)研發如今「突然發力」。例如,夏普從2008年開始向市場推出部分模擬生物形狀的產品,借此提高了效率和性能,現在該公司則在加快行動步伐。積水化學工業在2011年6月推出了模仿樹蔭的遮陽棚「Airy Shade」(圖1)。這種遮陽棚採用了樹枝的分形構造,能夠遮擋陽光,還能夠通風散熱。


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仿生學(Bionics)是模仿生物的特殊本領的一門科學。仿生學通過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8月由美國的J.E.Steele首先提出。

仿生學這個名詞是由「生物學」(biology)和「電子的」(electronic)組成。它因20世紀70年代的美國電視連續劇「The Six Million Dollar Man 」和「 The Bionic Woman」在民間普及開來,兩者改編自Martin Caidin的小說「Cyborg」,而其創作的靈感就是來自於Steele。

仿生技術的支持者認為,生命形式和製造對象之間的技術轉移是可取的,因為進化壓力通常迫使包括動植物在內的生物有機體變得高度優化和高效。

 

 

仿生學是一門集生命科學、物質科學理學、資訊科學、腦與認識科學、工程學、數學系力學、造型藝術及系統科學等學科的交叉學科。研究範圍包括了:

 

力學仿生(mechanical bionics)

分子仿生

能量仿生

信息與控制仿生

 

參看

生命科學

機械工程

科技

生物科技

 

 

 

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◆  仿生技術

 

 

仿生學是近年來發展起來的工程技術與生物科學相結合的交叉學科。仿生的英文名字是Bionics。

人們發現,一些關於植物和動物的相類似的功能,實際上是超越了人類自身在此方面的技術設計方案的。

植物和動物在幾百萬年的自然進化當中不僅完全適應自然而且其程度接近完美。仿生學試圖在技術方面模仿動物和植物在自然中的功能,這種技術就叫仿生技術。

 

 

◆  簡介

仿生學思想在生物學和技術之間架起了一座橋樑,並且對解決技術難題提供了幫助。通過再現生物學的原理,人類不僅找到了技術上的解決方案,而且同時該方案也完全適應了自然的需要。

仿生學的目的就是分析生物過程和結構,並把得到的分析結果用於未來的設計。仿生學的思想是建立在自然進化和共同進化的基礎上的。人類所從事的技術就是使得達到最優化和互相間的協調。

而模擬生物適應環境的功能無疑是一個好機會。在我們人類的技術世界中模擬自然中的東西並不是一個新鮮的思想,自從傳說中的伊卡洛斯(Icarus)帶著用蠟做成的翅膀飛向空中,而最後因為太陽的熱度掉到地上起,人類一直就沉迷於此。

 

◆  確切定義

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。屬於生物科學與技術科學之間的邊緣學科。它涉及生物學、生物物理學、生物化學、物理學、控制論、工程學等學科領域。仿生技術通過對各種生物系統所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究,最後實現新的技術設計並製造出更好的新型儀器、機械等。

 

◆  研究方向

1.仿生機器人技術:主要研究仿生機器人,包括仿生機器人總體結構與優化技術、仿人形機器人運動規劃與仿真係統、仿人形機器人的感知技術、基於多傳感器的環境自適應技術。

 

2.智能係統群體通訊與協調技術:主要研究智能無人移動平台及機器人間的通訊與協調作業,包括多智能係統間的信息傳遞、信息獲取及信息理解技術,智能決策與規劃技術,協調作業控制技術,人機交互與遙操作技術。

 

3.仿生感知與信息處理技術:主要研究信息獲取與利用技術,主要包括視覺仿生探測技術,聽覺仿生探測技術,力覺、觸覺處理技術,複雜環境下多信息獲取與融合技術。

 

4. 合成生物學仿生技術:生物學發展到細胞信號傳導與基因調控網絡的分子系統(biomolecular systems)水平研究,仿生學也就產生了細胞、分子水平的仿生技術,合成生物學(synthetic biology)的誕生,顛覆了傳統的納米技術、仿生技術、基因工程技術與計算技術,在細胞、分子水平人工設計基因調控網絡、信號傳導路徑,開展人工生命系統的仿生技術,比如,開發納米生物機器、納米生物計算機等。

 

 

 

 

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一些仿生處理手段已經被應用了相當長的時間。一個例子是對某種維他命和抗生素的人工結合。現在,仿生技術被應用到了機器視覺系統、機器聽覺系統、信號放大器、導航系統、以及數據交換設備等方面。除此之外,仿生技術的應用還包括用來查找和消滅癌細胞的納米機器人、人造器官、人造四肢以及很多種不同的電子設備。

 

相關文章 >>>>>http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2009/9/223196.shtm

 

十大仿生技術:新幹線列車模仿鳥喙

 

據美國《心理絨毛》雜誌報導,從古至今,人類一直在從大自然吸取靈感。維可牢尼龍搭扣即是研究人員受野薊鉤刺啟發開發出來的,而第一代道路反射鏡也是模仿貓眼結構製造的。今天,模仿大自然的科學(即生體模仿學)已成為一個產值達十億美元的行業。以下是我們人類從動物王國“偷學”的十大技術。

 

1. 塑膠塗層(偷學對象:鯊魚)

 

 

 

基於鯊魚皮開發出的一種塑膠塗層,目前正在醫院患者接觸頻率最高的一些地方進行實驗

 

細菌感染恐怕是最令醫院頭疼的一件事,無論醫生和護士洗手的頻率有多高,他們仍不斷將細菌和病毒從一個患者傳到另一個患者身上,儘管不是故意的。事實上,美國每年有多達10萬人死於他們在醫院感染的細菌疾病。但是,鯊魚卻可以讓自己的身體長久保持清潔——長達一億多年。如今,正是由於鯊魚這一特性,細菌感染可能會重蹈恐龍的覆轍——從地球上徹底消失。

 

與其他大型海洋動物不同,鯊魚身體不會積聚黏液、水藻和藤壺。這一現象給工程師托尼•布倫南(Tony Brennan)帶來了無窮靈感,在2003年最早瞭解到鯊魚的特性以後,他多年來一直在嘗試為美國海軍艦艇設計更能有效預防藤壺的塗層。在對鯊魚皮展開進一步研究以後,他發現鯊魚整個身體覆蓋著一層層凹凸不平的小鱗甲,就像是一層由小牙織成的毯子。黏液、水藻在鯊魚身上失去了立足之地,而這樣一來,大腸桿菌和金黃色葡萄球菌這樣的細菌也就沒有了棲身之所。

 

一家叫Sharklet的公司對布倫南的研究很感興趣,開始探索如何用鯊魚皮開發一種排斥細菌的塗層材料。今天,該公司基於鯊魚皮開發出一種塑膠塗層,目前正在醫院患者接觸頻率最高的一些地方進行實驗,比如開關、監控器和把手。迄今為止,這種技術看上去確實可以趕走細菌。Sharklet公司還有更宏偉的目標:下一步是開發一種可以消除另一個常見感染源——尿液管——的塑膠塗層。

 

2. 音波手杖(偷學物件:蝙蝠)

 

 

 

音波手杖

 

這聽上去就像一個糟糕玩笑的開頭:一位元大腦專家、一位元生物學家和一位元工程師走進了同一家餐廳。然而,這種事情確實發生在英國里茲大學,幾個不同領域的專家的突發奇想最終導致音波手杖(Ultracane)的問世:這是一種盲人用的手杖,在靠近物體時會振動。這種手杖採用了回聲定位技術,而蝙蝠就是利用同樣的感覺系統去感知周圍環境。音波手杖能以每秒6萬個的速度發送超聲波脈衝,並等待它們返回。

 

當一些超聲波脈衝回來的時間超過別的超聲波脈衝時,這表明附近有物體,引起手杖產生震動。利用這種技術,音波手杖不僅可以“看到”地面物體,如垃圾桶和消防栓,還能感受到頭頂的事物,比如樹杈。由於音波手杖的資訊輸出和反饋都不會發出聲音,使用者依舊能聽到周圍發生的事情。儘管音波手杖並未出現顧客排隊購買的熱賣景象,但美國和新西蘭的幾家公司目前正試圖利用同樣的技術,開發出適銷對路的產品。

 

3. 新幹線列車(偷學物件:翠鳥)

 

 

日本的高速列車都具有長長的像鳥喙一樣的車頭,令其相對安靜地離開隧道。

 

日本第一列新幹線列車在1964年建造出來的時候,它的速度達到每小時120英里(約合每小時193公里)。但是,如此快的速度卻有一個不利方面,列車駛出隧道時總會發出震耳欲聾的噪音,乘客抱怨說有一種火車擠到一起的感覺。這時,日本工程師中津英治(Eiji Nakatsu)介入了這件事。中津英治還是一位鳥類愛好者,他發現新幹線列車總在不斷推擠前面的空氣,形成了一堵“風牆”。

 

當這堵牆同隧道外面的空氣相碰撞時,便產生了震耳欲聾的響聲,這本身對列車施加了巨大的壓力。中津英治在對這個問題仔細分析之後,意識到新幹線必須要像跳水運動員入水一樣“穿透”隧道。為了獲取靈感,他開始研究善於俯衝的鳥類——翠鳥的行為。翠鳥生活在河流湖泊附近高高的枝頭上,經常俯衝入水捕魚,它們的喙外形像刀子一樣,瞬間穿越空氣,從水面穿過時幾乎不產生一點漣漪。

 

中津英治對不同外形的新幹線列車進行了實驗,發現迄今最能穿透那堵風牆的外形幾乎同翠鳥的喙外形一樣。現在,日本的高速列車都具有長長的像鳥喙一樣的車頭,令其相對安靜地離開隧道。事實上,外形經過改進的新幹線列車的速度比以前快10%,能效高出15%。

 

4. 風扇葉片(偷學對象:駝背鯨)

 

美國賓夕法尼亞大學西賈斯特分校流體動力學專家、海洋生物學家弗蘭克•費什(Frank Fish)教授表示,他從海洋深處找到了解決當前世界能源危機的辦法。費什注意到,駝背鯨的鰭狀肢可以從事一些似乎不可能的任務。駝背鯨的鰭狀肢前部具有壘球大小的隆起,它們在水下可以令鯨魚輕鬆在海洋中遊動。但是,根據流體力學原則,這些隆起應該會是鰭的累贅,但現實中卻幫助鯨魚遊動自如。

 

於是,費什決定對此展開調查。他將一個12英尺(約合3.65米)長的鰭狀肢模型放入風洞,看它挑戰我們對物理學的理解。這些名為結節的隆起使得鰭狀肢更符合空氣動力學原理。費什發現,它們排列的方位可以將從鰭狀肢上方經過的空氣分成不同部分,就像是刷毛穿過空氣一樣。費什的發現現在叫做“結節效應”(tubercle effect),不僅能用於各種水下航行器,還應用於風機的葉片和機翼。

 

根據這項研究,費什為風扇設計出邊緣有隆起的葉片,令其空氣動力學效率比標準設計提升20%左右。他還成立了一家公司專門生產這種葉片,不久將開始申請使用其節能技術,用以改善全世界工廠和辦公大樓的風扇性能。費什技術的更大用途則是用於風能。他認為,在風力渦輪機的葉片增加一些隆起,將使風力發電產業發生革命性變革,令風力的價值比以前任何時候都重要。

 

5. 在水面行走的機器人(偷學對象:蛇怪蜥蜴)

 

 

 

蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)常常被稱為是“耶穌蜥蜴”

 

蛇怪蜥蜴(basilisk lizard)常常被稱為是“耶穌蜥蜴”(Jesus Christ lizard),這種稱呼還是有一定道理的,因為它能在水上走。很多昆蟲具有類似本領,但它們一般身輕如燕,不會打破水面張力的平衡。體形更大的蛇怪蜥蜴之所以能上演“水上漂”,是因為它能以合適的角度擺動兩條腿,令身體向上挺、向前沖。2003年,卡內基梅隆大學的機器人技術教授梅廷•斯蒂(Metin Sitti)正從事這方面的教學工作,重點是研究自然界存在的機械力學。當他在課堂以蛇怪蜥蜴作為奇特的生物力學案例時,他深受啟發,決定嘗試製造一個具有相同本領的機器人。

 

這是一項費時費力的工作。發動機的重量不僅要足夠的輕,腿部還必須一次次地與水面保持完美接觸。經過幾個月的努力,斯蒂和他的學生終於造出第一個能在水面行走的機器人。儘管如此,斯蒂的設計仍有待進一步完善。這個機械裝置偶爾會翻滾,沉入水中。在他克服了重重障礙以後,一種能在陸地和水面奔跑的機器人便可能見到光明的未來。我們或許可以用它去監測水庫中的水質,甚至在洪水期間幫助營救災民。

 

6. 太陽能電池板(偷學對象:馬勃菌)

 

 

 

橙黃色的馬勃菌海綿(puffball sponge)並不多見,它基本上是一種生活在海底的“碰碰球”

 

橙黃色的馬勃菌海綿(puffball sponge)並不多見,它基本上是一種生活在海底的“碰碰球”。馬勃菌海綿並沒有任何的附肢、器官、消化系統和循環系統,無時無刻不在過濾水體。然而,這種並不招搖的生物或許會是未來技術革命的催化劑。馬勃菌海綿的“骨骼”是由眾多格子狀的矽鈣物質構成,事實上,它類似於我們用以製造太陽能電池板、微晶片和電池的材料,但有一點不同:我們在製造這些材料時需要大量能量和各種各樣的有毒化學物質。

 

海綿顯然在這方面做得更好:它們只要向水中釋放特殊的酶,從中吸收矽鈣,就能把這兩種化學物質變成需要的外形。美國加州大學聖巴巴拉分校生物技術教授丹尼爾•摩斯(Daniel Morse)研究了馬勃菌海綿酶的特性,並在2006年成功進行了複製。他通過清潔、效率很高的海綿技術制出大量電極。當前,多家公司將投資數百萬美元創建一個企業聯盟,將類似產品推向市場。幾年以後,當太陽能電池板忽然出現在美國每家每戶的屋頂上,微晶片只賣幾美元的時候,千萬不要忘了感謝讓這一切成為現實的不起眼的馬勃菌。

 

7. 多刃鋸(偷學對象:樹蜂)

 

不要害怕樹蜂屁股上兩根像鞭子一樣的大大的針狀物。它們不是刺兒,而是“鑽頭”。樹蜂利用這些針狀物(有時比整個身體還長)在樹上鑽洞,然後在裏面“寄存”幼仔。多年來,生物學家一直不清楚樹蜂“鑽頭”的用法。與需要外力的傳統鑽洞方法不同,樹蜂可以從任何角度毫不費力地鑽洞。經過幾年的研究,科學家最終發現,樹蜂的兩根針狀物可以深入木頭,然後像拉鏈一樣鎖起來鋸東西。

 

英國巴斯大學的天文學家認為,樹蜂的“鑽頭”在太空大有用武之地。長久以來,科學家為了在火星上尋找生命,他們必須在火星表面鑿洞。但是,在幾乎沒有重力的火星環境下,他們不清楚是否能找到可以在堅硬表面鑿洞的壓力。受樹蜂的啟發,研究人員設計出一種一側有多餘刀刃的鋸子,讓它們像樹蜂的“鑽頭”一樣互相推。從理論上講,這套裝置可以用於在無任何重力的流星的表面鑿洞。

 

8. X光透視機(偷學對象:龍蝦)

 

X光透視機大而笨重是有原因的,與可見光不同,X光不喜歡彎曲,所以難以操作。我們對機場包裹以及醫院患者進行掃描的唯一途徑是,用一連串放射物同時轟擊他們——這便需要儀器的個頭很大。但是,生活在水下300英尺(約合90米)處的龍蝦卻具有“X光視線”,而且性能遠遠超過我們的X光透視機。與人眼(必須由大腦解讀所折射的圖像)不同,龍蝦可以直接看到反射的圖像,將其聚焦於某一個點,全部在此聚集以後形成圖像。

 

科學家多年來就試圖找到“偷學”龍蝦這種技巧的方法,用於製造新型的X光透視機。“龍蝦眼X光成像儀”(LEXID)是一種攜帶型“手電筒”,可以看穿3英寸(約合8釐米)厚的鋼板。這套儀器可以射出一串細細的低功耗X光穿透物體,無論碰到什麼東西,都會在另一端恢復原狀。正如在龍蝦的眼睛一樣,返回的信號通過小管中轉生成圖像。美國國土安全部已投資100萬美元用於“龍蝦眼X光成像儀”的研發,希望用它去探測違禁物品。

 

9. 保存疫苗(偷學對象:還魂植物和水熊蟲)

 

當事情不妙的時候,裝死顯然是不錯的選擇。這是大自然兩種最具耐力的生物——還魂植物和水熊蟲——的座右銘。科學家或許會利用這兩種生物的驚人生物化學特性,用於拯救發展中國家的數百萬條生命。還魂植物(Resurrection plan)是指在乾旱時節枯萎,看上去枯死一樣的沙漠苔蘚。可一旦下雨,它們會再次生機勃發,好像一切都沒有發生似的。水熊蟲具有類似的裝死本領,這種只能在顯微鏡下看到的動物會在某一段時間內停止一切活動,承受對人類來說最為殘酷的環境。

 

它們可以在接近絕對零度和300華氏度以上的極端溫度下存活,一滴水不喝也能活上十年,承受輻射的能力是地球上其他動物的1000倍,甚至還能在真空狀態下存活。在正常條件下,水熊蟲看上去就像是四肢胖乎乎的睡袋,可一旦遭遇極端條件,它們便像霜打的茄子一樣枯萎。如果環境重新回歸正常,小傢伙只要一點兒水就又能煥發生機。還魂植物和水熊蟲生存之道在於冬眠。在此期間,它們會用一種糖(最終變得如玻璃般堅硬)替代體內所有水分,結果令其陷入一種假死狀態。

 

儘管這種方法不適於人類——用糖取代血液中的水分會令我們一命嗚呼,但的確可以用於保存疫苗。據世界衛生組織估計,全世界每年有200萬兒童死于疫苗本身可以阻止的疾病,如白喉、破傷風、百日咳。因為疫苗具有一些活物質,一旦遭遇溫度過高的環境會立即死去,所以,將疫苗安全送達需要它們的地方極為困難。這也是英國一家公司從還魂植物和水熊蟲的生活習性吸取經驗的原因。他們開發出一種特殊的防腐劑,可以將疫苗內的活物質變成蓋玻片水珠,令疫苗在酷暑中也能存活一周多的時間。

 

10. 汽車車板(偷學對象:巨嘴鳥)

 

 

 

“巨嘴鳥山姆”(果脆圈品牌的吉祥物)

 

巨嘴鳥的喙大而厚重,本應該讓這種鳥兒不堪重負。但是,正如果脆圈(一種穀類早餐)愛好者告訴你的一樣,“巨嘴鳥山姆”(果脆圈品牌的吉祥物)只會因此感到幸運。這是因為巨嘴鳥的喙簡直是工程學上的奇跡。它十分堅實耐用,可以啄穿最硬的水果外殼,還是對付其他鳥類的有力武器,而它們的密度卻與保麗龍杯(Styrofoam cup)一樣。

 

美國加州大學聖達戈分校工程學教授馬克•梅耶斯(Marc Meyers)為揭開巨嘴鳥的喙特性之謎花費了大量心血。乍看上去,它好像是包了一層硬殼的泡沫,如摩托車頭盔。然而,梅耶斯發現,所謂的“泡沫”其實是由小腳手架和細細薄膜構成的複雜網路。腳手架本身由厚重的骨骼構成,但它們的間隔十分有序,使得整個喙的密度只有水的十分之一。梅耶斯認為,通過模仿巨嘴鳥喙的特性,我們可以開發出更堅實、更輕便、更安全的汽車車板。今天的汽車已經廣泛採用了這項技術。

 

 

 

 

台長: 月光哈貓
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