8生命科学技术选讲83222258201205151028041.ppt
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1、生命科学纵横,理学院 生命科学与生物工程研究院,生命科学技术选讲,本章内容,仿生学 现代生物材料,开启新技术的钥匙,仿生学,目 录,前言 信息仿生 控制仿生 拟态仿生,力学仿生 化学仿生 整体仿生,前言,一、仿生学简介 二、仿生学研究,中国古汉文中的仿生思想,前言,一、仿生学简介,仿生学之起源,凤蓬草 轮子 鱼尾 船橹 人眼晶状体 透镜 生物电 电池 鸟 飞机,生活中的仿生学,前言,仿生学(Bionics) 模仿生物系统的原理以建造技术系统,或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学。,仿生学的概念,前言,二.仿生学研究,仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合 性学科,包括生理学、神经学
2、、医学、化 学、数学、电子学、信息学等学科。,前言,生物体,生物模型,数学模型,技术模型,技术装置,仿生学的研究方法,前言,一、青蛙与电子蛙眼 二、水母与电子耳,信息仿生,青蛙与电子蛙眼,神经节细胞有4种: “边缘侦察器” “昆虫侦察器” “事件侦察器” “光强减弱感受器”,青蛙的视觉系统,信息仿生,青蛙与电子蛙眼,由透镜(晶状体)在视网膜上形成光学图像后,经过视细胞、双极细胞、输出细胞(神经节细胞)而送往大脑中枢,青蛙的视觉系统,信息仿生,“水母耳”风暴预测仪,水母耳与电子耳,信息仿生,一、蛇的红外探测 二、蝙蝠与超声波 三、蛾的反雷达技术 四、动物的天然导航,控制仿生,蛇,田鼠,热血动物身
3、体 向外散热,蛇通过感受器 探测到热源,蛇的红外探测,控制仿生,颊窝,颊窝是一个红外感受器,对周围温度变化极为敏感,能感受0.001的温度变化。这类蛇能在夜间准确判断周围恒温动物的位置。,蛇的红外探测,控制仿生,蝙蝠的捕食,蝙蝠与超声波,控制仿生,蝙蝠的回声定位,超声信号被反射,蝙蝠与超声波,控制仿生,蝙蝠与超声波,蝙蝠的声纳处理,脑,参考波刺激,接受器,载有信息 的超声波,发出的 超声波,控制仿生,夜蛾的反雷达技术,反雷达技术使夜蛾死里逃生,控制仿生,夜蛾的反雷达技术,听觉系统,控制仿生,千里迁徙,万里洄游,动物的天然导航,控制仿生,动物的天然导航,一些动物利用日月星辰导航,也有些动物利用海
4、流、海水成分、地磁场、重力场等进行导航,为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪。,控制仿生,定义:生物界中普遍存在着拟态,现 将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生。,拟态仿生,拟态仿生,动物的拟态与保护色,拟态仿生,拟态仿生,坦克的迷彩着装,拟态仿生,三色迷彩的德国“豹”I坦克在电视成像下的效果,拟态仿生,坦克的迷彩着装,拟态仿生,一、生物与造船 二、生物与飞机 三、生物与建筑,力学仿生,生物与造船,模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的“复仇号”帆船,体形的模仿,力学仿生,生物与造船,体形的模仿,力学仿生,生物与造船,体形的模仿,俄罗斯海军新型核潜艇,力学仿生,生物与造船,模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍,结构的模
5、仿,力学仿生,生物与造船,结构的模仿,模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液,以减小湍流。,力学仿生,生物与造船,结构的模仿,潜水艇在航行时会造成巨大的湍流,海豚游泳时身边的水流很小,力学仿生,鹰击长空,啸傲云天,生物与飞机,力学仿生,生物与飞机,达芬奇设计的扑翼飞机,飞鸟与飞机,力学仿生,生物与飞机,飞鸟与飞机,力学仿生,飞鸟的体形和翅膀在滑进飞行时与飞机的飞行极为相似,生物与飞机,昆虫与飞机,昆虫翅膀的运动,力学仿生,昆虫飞行时翅膀的运动很复杂,其角度的变化控制比目前的飞行自动驾驶仪还好。,生物与飞机,昆虫与飞机,飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤,力学仿生,薄壳结构,艺术珍品 澳大利亚悉尼歌剧
6、院,生物与建筑,力学仿生,东京中银舱体楼,生物与建筑,舱体结构,力学仿生,生物与建筑,圆顶屋,美国佛罗里达的 未来世界博物馆,力学仿生,一、人工嗅觉 二、仿生物膜,化学仿生,狗的嗅觉过程,狗的嗅觉 狗的鼻子里的雾受一种蛋白质的控制,将气味分子浓缩后传送给鼻子里的气味感受器上的气味辨别蛋白,当气味辨别蛋白将不同的气味辨别后,被辨别出的特定的气味信号,立即被嗅觉细胞传递给大脑,大脑便知道了所闻到的是一种什么气味。,人工嗅觉,化学仿生,采集 系统,嗅敏 元件,放大 系统,电源,嗅敏电阻是一类以SnO2为主体的金属半导体,它是一种表面效应很强的材料。,化学仿生,细胞膜的结构特点,仿生物膜,蛋白分子,磷
7、脂分子,镶嵌蛋白,跨膜蛋白 (形成通道),跨膜蛋白,细胞膜的流动镶嵌模型:(1)脂双层形 成框架; (2)蛋白质镶 嵌其中;(3)具有动态 特点。,化学仿生,仿生物膜,人工膜,人工膜的特点 化学组成和厚度与天然膜相似:能有效地分开两种不同的水相;具有结构和化学两侧不对称性,易于操作,能用来研究膜的向量功能(如传递等)。,化学仿生,自动化机器,自动化机器人从月球土壤中提取气体,智能机器人,整体仿生,智能机器人,自然语言语音图形图像信息,内核软件(智能操作系统、 编译系统等),智能计算机组成,人机接口,软件,硬件,整体仿生,智能机器人,生物计算机,生物计算机的特点: 能制成超高密度的线路。 能使生
8、物本身固有的自我修复机能得到发挥 , 即使芯片中出了故障本身也能修复 ,从而使它 成为一种具有永久性的不出故障元件。 只要用少量的能量就能工作 ,不存在发热问题。,整体仿生,生物材料,生物材料,前言 天然生物材料 生物医学材料 组织工程材料 仿生和智能材料,生物材料的定义 根据1972年以来国际会议 上所广泛接受的定义,认为: 与活体相联系的材料 植入活体内能起某种生物体功能的材料 模仿生物功能的材料,前言,生物材料学的研究目的 在分析天然生物材料微装配、生物功能及 形成机制的基础上,发展新型医用材料以用 于人体组织器官的修复与替代;发展仿生高 性能工程材料。,前言,生物材料研究内容 天然生物
9、材料 生物医学材料 仿生智能与组织工程材料,前言,成分,丰富元素: C、H、O、N,较丰富元素:Ca、P、Cl、K等,微量元素: Fe、Cu、Zn、 Mn、Mg等,天然生物材料,原子、分子间作用力,强相互作用:离子键、共价键 弱相互作用:静电作用、色散力、氢键、 疏水键,天然生物材料,结构特征,天然生物材料,分 类,结构蛋白 结构多糖 生物软组织 生物复合纤维 生物矿物,天然生物材料,胶原 丝心蛋白 角蛋白 弹性蛋白 肌肉收缩蛋白,成纤维胶原的形成:多肽链,原胶原,微纤维,胶原纤维,结构蛋白,天然生物材料,多糖因其简单的化学合成和极其丰富的资源而在商业上极具价值。纤维素、壳多糖、角叉菜胶、琼脂
10、等可用于建筑、造纸、食物稳定剂、纺织以及染织等。,天然生物材料,结构多糖,柔韧的生物复合材料可认为是相对刚硬的纤维或粒子填充在柔软的基质中而形成。 以海葵的骨架为例: 加州海岸老年海葵中胶层的组成为: 盐 5% 胶原 6.7% 基质 2% 水 86% 在较大的应力下,胶原纤维取向变化,中胶层在应力方向变硬;载荷消失后,中胶层又能弹性地恢复原形。,生物软组织,天然生物材料,可承受弯曲和压缩载荷的多组纤维组成,应力可相互传递。 以蝗虫腱为例:原纤维是几丁质,基体是蛋白。 几丁质是以很强的氢键结合的;蛋白块体是球状的,它们形成基体并分布在纤维之间,与其牢牢键合,从而增加了基体的刚度。,天然生物材料,
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