影响人类未来生活的高科技

智能替代品与仿生技术 仿生学是研究生物系统的结构、功能并以此来改造人造产品技术的系统科学。诚然,人类在制造完整意义上的机器人方面还有很长的路要走,但科学家自信地预言,到2004年,全新的仿生技术创造的自主智慧型机器人将广泛应用。 在生物医学领域,一些医疗产品公司已经能够制造人体若干部分的替代品,假肢就是一例。在过去的10年里,科学家     

《中国学术期刊文摘》综述文摘选登

<正>仿生学与天然蜘蛛丝仿生材料刘全勇(北京航空航天大学化学与环境学院,北京100191)采用仿生学原理,设计、合成并制备新型仿生材料是近年来快速发展的研究领域。天然蜘蛛丝是一种生物蛋白弹性体纤维,具有高比强度(约为钢铁的5倍)、优异弹性(约为芳纶的10倍)     

从自然界获取科学创新的灵感科学家聚焦仿生学

仿生学(bionics)是模仿生物的科学,即研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等特征,并将它们应用于技术系统,以改善现有的技术工程设备,创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学,是应用生物学的分支,是生物学、数学、工程技术学之间的交叉学科。仿生学的任务是研究生物系统的优异能力及产生原理,将其模式化。再运用于新技术设备的设计与制造,或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。仿生学的研究内容十分广泛,小至微观世界的分子仿生,大至宏观世界的宇宙仿生,主要包括:(1)电子仿生。模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细胞内和细胞间通信、动物间通信等,研制多种人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等;(2)控制仿生。模仿动物体内稳态调控、肢体运功控制、定向与导航等,研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等;(3)机械仿生。模仿动物的走、跑、飞、游等运动,运用机械结构和力学原理,研制昆虫步行机等机械装置,寻求车辆、舰船、飞行器的最佳设计原理;(4)化学仿生。模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等;(5)医学仿生。包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外,还在研究建筑仿生、农业仿生等。     

科学家聚焦仿生学

仿生学(bionics)是模仿生物的科学，即研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等特征，并将它们应用于技术系统，以改善现有的技术工程设备，创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学，是应用生物学的分支，是生物学、数学、工程技术学之间的交叉学科。仿生学的任务是研究生物系统的优异能力及产生原理，将其模式化。再运用于新技术设备的设计与制造，或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。仿生学的研究内容十分广泛，小至微观世界的分子仿生，大至宏观世界的宇宙仿生，主要包括：(1)电子仿生。模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细胞内和细胞间通信、动物间通信等，研制多种人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等；(2)控制仿生。模仿动物体内稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等，研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等；(3)机械仿生。模仿动物的走、跑、飞、游等运动，运用机械结构和力学原理，研制昆虫步行机等机械装置，寻求车辆、舰船、飞行器的最佳设计原理；(4)化学仿生。模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等；(5)医学仿生。包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外，还在研究建筑仿生、农业仿生等。     

住宅小区规划设计中的仿生学理念探讨

通过分析研究有关建筑仿生方面的文献资料,提取出一些仿生学理念,用于开拓住宅小区规划设计的新思路。适用于住宅小区规划设计的仿生学理念有:共生理念、新陈代谢理念、整体布局仿生理念、小区交通体系仿生理念及小区采光仿生理念。从仿生学这一全新视角出发,来指导住宅小区的规划设计,有助于住宅小区规划方面某些具体问题的有效解决,有助于协调住宅建筑和自然之间的相互关系,因此具有一定的现实意义。     

大自然的启发——木材仿生与智能响应

 仿生学就是通过研究自然界生物的结构、性状、行为以及与生存环境的响应机制，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。为木材的各类加工技术，诸如化学的、物理的或生物的加工，提供新的理念，新的设计，新的构成，而赋予木材新的功能或智能响应性的科学，称其为木材仿生科学。     

农业机械领域的工程仿生研究概况与应用前景

工程仿生研究在农业机械领域有着较为广泛的应用,基于昆虫脱附减阻规律与食虫植物捕食现象的研究逐步形成应用于农业生产领域的工程仿生技术。本文从仿生农业机械脱附减阻及致灾农业昆虫滑移捕集滑板仿生制备的研究现状入手,主要分析了典型动植物非光滑表面形态结构对生理功能特性的表现规律与机理,阐述了工程仿生学在农业耕种机械及虫害机械化捕集防治领域的应用研究概况,并分析了工程仿生领域潜在的研究方向与发展前景。     

谈"仿生设计"在工业设计中的应用

在工业设计越来越受重视的今天,"仿生设计"也开始受到关注。基于仿生学原理和仿生技术而产生的产品仿生设计,应注重产品系统内部特质和原理的仿生技术应用,而不仅是外观或局部的模仿生物。正确把握仿生设计在工业设计中的应用,需把握仿生设计的整体性特征,纠正一些错误看法。展望未来,产品智能化设计和绿色产品设计都将是仿生设计的发展重点。     

液晶仿生材料与骨髓间充质干细胞体外培养的实验

目的:研究骨髓间充质干细胞(bone marrow mesenchymal stem cells,BMSCs)与液晶仿生材料复合后体外培养的生长、增殖、形态等变化,探讨液晶仿生材料与BMSCs的生物相容性.方法:从仿生学的角度,合成在生理温度下呈现胆甾醇液晶态的羟丙基纤维素衍生物液晶材料,利用偏光显微镜、扫描电镜和表面静态水接触角等对改变性质后的液晶的物化性质进行表征,与BMSCs复合后在光学显微及电镜下观察培养3 d、6 d的细胞生长、增殖、形态学改变,流式细胞仪检测其表面抗原CD29、CD31、CD44、CD45表达情况.结果:BMSCs在液晶材料中生长、增殖良好,在整个过程都保持存活,表面抗原正常表达.结论:液晶仿生材料与BMSCs生物相容性良好,是可选的干细胞复合载体.     

活性多糖的结构与效应关系

多糖是天然化合物中最大族之一，是广泛存在于高等植物、动物细胞膜、微生物细胞壁中的一类天然大分子物质，是所有生命有机体的重要组成部分，它是有机体能量的主要来源。现代研究表明多种多糖与维持生命所需的多种生理功能有关，广泛参与细胞识别、细胞生长、分化、代谢、胚胎发育、细胞癌变、病毒感染、免疫应答等各项生命活动，因此其被称为活性多糖，是现代医学和食品功能化学研究的热点领域。     

仿生原型毫-微牛级力测试技术研究进展

许多动物依靠自然进化形成能够展现优异功能的身体结构,以其作为仿生原型,可为工程领域存在的复杂问题提供有效解决途径.仿生原型毫-微牛级力测试技术可为揭示仿生原型运动力学机制提供必要的测试手段.从呈现优异功能特性的典型仿生原型入手,综述了用于仿生原型运动功能与材料物理特性定量表征的毫-微牛级力测试技术研究进展,重点分析了传...     

Agent中的仿生技术综述

仿生是模拟生物的合理性行为,从而提高计算机对某些复杂问题求解的效率.仿生技术为Agent的研究提供了好的思路,越来越多的仿生技术被应用到Agent中.文章对智能Agent、移动Agent和多Agent系统中的仿生技术进行了综述,从仿人类、仿动物和仿生物机体3个方面展开讨论,提出结合几种动物或人类的合理行为构造更优化的多Agent系统将是Agent中仿生技术应用的重点和发展趋向.     

产品设计中的仿生性设计

文章从仿生学的概念出发,介绍了仿生性设计的概念,起源和发展,指出了仿生性设计在产品造型设计中的地位和作用。从设计的本质、设计的观念和情感表达、以及仿生性设计是设计创新思维的源泉,是现代产品造型设计的大趋势的观点来说明为什么在产品设计中要运用仿生性设计,并指出了仿生性设计在现代产品设计中的成功运用。     

仿生无痛注射针头研究进展

医用注射针是现代医疗诊治过程中的常用器械,但注射针头刺穿皮肤时产生的疼痛感会给患者带来严重不适,国内外学者就如何减轻注射过程对人体造成的疼痛感开展了广泛研究。蚊子、蝉、蜜蜂等昆虫的刺吸式口器因具有低阻力刺入动植物表皮的功能,已被视为仿生原型用于研制无痛注射针头。从注射针头刺穿皮肤疼痛的产生机制入手,概述了疼痛测量方法以及仿生原型刺入机理,重点分析了低阻力医用注射针头的减阻机理,介绍了微针阵列在材料选择与制备方面的研究状况,展望了低阻力医用注射针头研制的应用前景,指出未来在仿生无痛注射针的制备中,应基于高精度3D打印技术和激光微纳加工技术,获取加工精度更高的仿生无痛注射针头。     

昆虫飞行高升力的一种新解释——柔性楔形效应

以探索仿生扑翼飞行机器人研制为目的,在研究"柔性楔形效应"的基础上,将昆翅视为柔性翅,提出用"柔性楔形效应"解释昆虫飞行高升力的观点.指出了用"柔性楔形效应"解释昆虫飞行高升力的仿生学意义.根据该观点,翅翼在自适应变形状态下施以简单的节律运动将是未来仿生扑翼飞行机器人翅翼驱动方式的发展趋势.仿生运动的模拟越简单越容易稳定地实现,实验小组已设计制作了仿生扑翼飞行机器人样机,并成功进行了多次室外放飞.     

四足机器人刚柔耦合仿生脊柱研究进展

 四足机器人的仿生脊柱对提高机器人非结构化环境的机动性和稳定性具有重要作用。系统分析了国内外四足机器人仿生脊柱的研究现状,将仿生脊柱分为局部柔顺脊柱和整体柔顺脊柱两类,对比分析不同四足机器人仿生脊柱的结构特点,提出未来发展趋势。四足机器人仿生脊柱从传统的整体刚性结构向刚柔耦合结构方向发展,具有类生物变刚度、可柔顺弯曲特性的新型仿生脊柱突破仿生驱动、神经元精细控制等关键技术,向高效能量转换的类生物系统方向发展。     

生物摩擦学与仿生摩擦学的研究现状及展望

在物竞天择的进化过程中,生物体形成了许多优异的摩擦学特性,并已成为仿生摩擦学的创新源泉。本文对生物摩擦学的研究对象、研究内容进行了总结与展望;并从仿生减摩及脱附、仿生增摩及吸附、仿生耐磨材料和仿生润滑等4个方面回顾了仿生摩擦学的研究现状,指出了仿生摩擦学的发展方向;并探讨了生物摩擦学与仿生摩擦学的内在联系。     

柔性翼微型飞行器的稳定特性

为提高微型飞行器(M AV)的抗风扰动飞行稳定性,需要遵循仿生学原理,效仿自然界中的鸟类和昆虫,探讨抗风飞行的新方法。提出了柔性仿生机翼的概念,阐述了其设计思想与工作原理,并导出了大气扰动下柔性机翼气动力的解析表达。为验证柔性仿生机翼的实际性能,设计和制作了柔性仿生机翼M AV原理样机,并在风中进行了飞行试验。试验结果表明:采用柔性机翼能够显著改善有风条件下M AV的飞行品质,突风过载可降低40%左右,大大减弱了大气扰动对飞行的影响,有效提高了M AV的飞行稳定性。     

Progress in bionic information processing techniques for an electronic nose based on olfactory models

As a novel bionic analytical technique, an electronic nose, inspired by the mechanism of the biological olfactory system and integrated with modern sensing technology, electronic technology and pattern recognition technology, has been widely used in many areas. Moreover, recent basic research findings in biological olfaction combined with computational neuroscience promote its development both in methodology and application. In this review, the basic information processing principle of biological olfaction and artificial olfaction are summarized and compared, and four olfactory models and their applications to electronic noses are presented. Finally, a chaotic olfactory neural network is detailed and the utilization of several biologically oriented learning rules and its spatiotemporal dynamic propties for electronic noses are discussed. The integration of various phenomena and their mechanisms for biological olfaction into an electronic nose context for information processing will not only make them more bionic, but also perform better than conventional methods. However, many problems still remain, which should be solved by further cooperation between theorists and engineers. Supported by the National Creative Research Groups Science Foundation of China (Grant No. 60421002) and National Basic Research Programme of China (Grant No. 2004CB720302)