仿生学与科技前沿论文

仿生学与科技前沿论文

2008年8月Angewandte Chemie杂志报道了澳大利亚莫纳什大学的利昂·斯皮西亚、罗宾·布里姆布来可比和安妮特·可罗，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的格哈德·斯伟格斯和美国普林斯顿大学的查尔斯·迪斯莫克斯共同开发了由一层涂层和维持植物光合作用的基本化学物质——锰组成的系统。该系统可模拟植物的光合作用，为利用阳光将水分解成氢和氧开辟了一条新途径。此项技术突破有望革新制氢工艺，从而利用太阳光大规模生产清洁的绿色能源——氢气。

光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是赖以生存的关键，而在面临能源和环境瓶颈的今天，这一过程中的能量转换也为人类提供了极其重要的启示。由于自然光谱的吸收率等原因，光合作用在多数植物中效率非常低，通常均低于0.5%。在人工设计的系统中，研发人员借鉴其光反应与电子传递的机制，并提高通量转化的效率，使其适于太阳能的转化利用。

事实上，在上述模拟光合作用的研究取得突破前，微生物制氢的已经成为了研究热点。自然界已发现有类似甲烷菌的制氢菌，但其菌种繁育不如甲烷菌那样简单。若能建立合适的菌种群落，制造氢气也会像制造沼气一样得到大规模应用。

模拟光合作用制氢或者微生物制氢过程正是仿生学“向自然学习”的思想典型。20世纪40年代以来，工程技术领域中出现了调节理论，人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比，认识到二者包含自动调节系统。此后，科学研究和生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来，成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁，奠定了生物与机器在控制与通信方面进行类比的科学理论基础。之后，斯蒂尔提出了仿生学的研究理念。自上个世纪末以来，人们认识到大约35亿年的生命演化与协同进化过程优化了生物体宏观与微观结构，形态与功能具有无可比拟的优越性，仿生学也因此显示出巨大的生命力。

从研究模式上看，仿生学作为模仿生物建造技术装置的科学，是一门新兴的边缘科学，研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和设备，创造新技术。模拟光合作用制氢过程的例子很好地诠释了这一点。在植物的光合作用中，锰参与几种酶系统。由于锰可以在正二价和正四价两种化合价之间转换，所以主要在氧化还原和电子转移中发挥作用。这一思想为斯皮西亚等人的研究提供了启发。他们在确定锰簇是植物利用水、二氧化碳和阳光制造碳水化合物和氧气的中心枢纽后，开发出这种人造锰簇，并利用这些分子的能力将水分解成氢和氧。研究者将一层质子导体――Nafion薄膜覆盖在一个电极上，形成一层仅几微米厚的聚合体膜，这层聚合体膜充当锰簇的载体。锰在正常情况下不溶解于水，但可以和Nafion薄膜小孔中的催化剂结合，形成不易分解的稳定结构，当水到达此催化剂时，在阳光的照射下便发生氧化反应。

在能源和环境领域，这一技术显示了仿生技术的巨大应用潜力和价值。初步测试表明，此催化剂连续使用3天之后还有活性，由此分解出来的氢气和氧气可以在燃料电池中结合成水，产生电力供住宅和电动车全天24小时使用，且不排放碳而是排放水。虽然此系统的效率还有待提高，但研究者可以不断地从自然界中学习，使之更为高效，从而使氢这一能效高且没有碳排放的绿色清洁能源为未来社会所用。

生物体的电子传递过程在能源仿生技术上的另一重点研究领域是生物发光。生物发光和光合作用都是“电子传递”现象，而从某个角度上看，生物发光可以看作是光合作用的逆反应。光合作用是绿色植物吸取环境中的二氧化碳和水分，在叶绿体中，利用太阳光能合成碳水化合物，同时放出氧气。光能从水分子上释放电子，并把电子加到二氧化碳上，产生碳水化合物，这是一个还原过程。光合作用把光能转变成化学能，而生物发光是电子从荧光素分子上脱下来和氧化合，形成水，产生光。生物发光是将化学能转变成光能。生物光作为冷光源，具有效能高、效率大、不发热、不产生其它辐射、不会燃烧、不产生磁场等特点，对于手术室、实验室、易燃物品库房、矿井以及水下作业等，都是一种安全可靠的理想照明光源。通过模仿发光生物把一种形式的能量转换成另一种形式的能量，制造冷光板使其不需要复杂的电路和电力，就能白天吸收太阳光，晚上再将光能释放。人们先是从发光生物中分离出纯荧光素，后来又分离出荧光酶。现在已能人工合成荧光素，这就使人类模仿生物发光，创造一种新的高效光源——冷光源成为可能。然而，人们对于萤火虫等发光机制的研究仍然有待深入。如果将光合作用和生物发光机制在仿生学框架下同时加以研究，就有可能在能量利用的电子传递现象中取得进展，从而实现能源利用更为巨大的进步。

从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力，在能源技术上的应用潜力也极其巨大，有助于破解人们所面临的能源瓶颈问题，同时解决石化能源等所带来的环境问题。

仿生学与高科技

蝙蝠：雷达.苍蝇：宇宙飞船.青蛙：电子蛙眼.警犬：电子警犬.猪鼻子：防毒面具.
　　船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿.
　　科学家根据野猪的鼻子测毒的奇特本领制成了世界上第一批防毒面具.
　　火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理.
　　科研人员通过研究变色龙的变色本领,为部队研制出了不少军事伪装装备.
　　科学家研究青蛙的眼睛,发明了电子蛙眼.
　　美国空军通过毒蛇的“热眼”功能,研究开发出了微型热传感器.
　　人类还利用蛙跳的原理设计了蛤蟆夯(hang).
　　人类模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的“电子警犬”.
　　仿生与高科技
　　现代的雷达——一种无线电定位和测距装置:科学家研究发现蝙蝠不是靠眼睛,而是靠嘴、喉和耳朵组成的回声定位系统.因为蝙蝠在飞行时发出超声波,又能觉察出障碍物反射回来的超声波.科学家据此设计出了现代的雷达——一种无线电定位和测距装置
　　科学家通过对海豚游泳阻力小的研究发明了能提高鱼雷航速的人工海豚皮；以及模仿袋鼠在沙漠运动形式的无轮汽车(跳跃机)等.
　　前苏联科学院动物研究所的科学家在企鹅的启示下,他们设计了一种新型汽车－－“企鹅”牌极地越野汽车.这种汽车的宽阔的底部,直接贴在雪面上,用轮勺撑动着前进,行驶速度可达50公里／小时.
　　科学家模仿昆虫制造了太空机器人.
　　澳大利亚国立大学的一个科研小组通过对几种昆虫的研究,已经研制出一个小型的导航和飞行控制装置.这种装置可以用来装备用于火星考察的小型飞行器.
　　英国科学家在仿生学启发下,正在研制一种可以靠尾鳍摆动以S形“游水”的潜艇新式潜艇的主要创新之处是使用了被称为“象鼻致动器”的装置.“象鼻”由一组用薄而柔软的材料做成的软管组成,模仿肌肉活动,推动鳍的运动.这种新式潜艇可以充当水底扫雷潜艇,用来对付最轻微的声响或干扰便会引爆的水雷.（《中国国防报》）
　　一教师发明六边形课桌 学生们称道“其乐无穷”
　　宁波市 一青年教师陈董发明一种六边形桌面的新型课桌,取代了教坛长期沿袭的传统长方形课桌.陈董接受采访时说,设计这种新课桌的构思,受到了仿生学理论的启发,大自然中,六边形的蜂巢结构巧夺天工,六边形的雪花品体千姿百态……课桌桌面改革为六边形后,组合灵活、外观悦目,可以有效利用有限空间,活跃教室气氛,受到学生欢迎.现至诚学校小学各班组已全面推广使用六边形课桌.

仿生学的发展历程有哪些事例可供参考？

1.蝙蝠和雷达

蝙蝠有种本领叫做“回声定位”。人们根据蝙蝠的“回声定位”原理发明了雷达。来自英国利兹大学的研究人员研制成功一种“蝙蝠拐杖”，这种特殊的拐杖能发出一种人耳听不见的声呐波，通过震动的强弱，帮助盲人探测障碍物的远近。

2.苍蝇和照相机

苍蝇的复眼观察物体比我们人类还要仔细和全面。每秒钟闪烁60次的日光灯，你也许根本无法察觉，可是苍蝇却能够不费吹灰之力地看出来。美国人根据苍蝇复眼的原理发明了“蝇眼”航空照相机，天文学也有一种叫做“蝇眼”的光学仪器，是根据苍蝇复眼的结构设计的。

3.蝴蝶和防伪纸币

蝴蝶翅膀上有很多很小的下凹的小坑，小坑底是黄色的，而坑的斜坡上是蓝色的，当阳光照射在蝴蝶翅膀上的时候，由于发生光的折射作用，人眼看到的蝴蝶翅膀就是绿色的。根据这个现象，人们在纸币或信用卡上也设置了许多小坑，这样，无论假币有多么逼真，都难逃光学设备的“法眼”。

4.萤火虫和人工冷光

萤火虫的发光，实质上是把两种物质的化学能转变成光能的过程。科学家用化学方法人工合成了荧光素。由荧光素和水等一些物质混合而成的生物光源，可在充满爆炸性瓦斯的矿井中充当闪光灯，这种光不会引爆瓦斯。

5.水母的顺风耳

仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。

6.电子蛙眼

这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。

扩展资料：
仿生是高科技的代名词，它是指运用尖端的科学技术，来模仿生物的各种官能感觉和思维判功能，更加有效地为人数服务。各国都在不遗余力地加大在仿生学方面的研究。可以说，仿生学研究程度的高低，是国家综合国力的重要标志之一。

进入二十一世纪，仿生学已成为现代科学技术的前沿和热点领域，受自然和生物启发模仿自然和生物的各种特性而进行的仿生设计也已成为一种设计潮流。仿生设计从广泛的角度理解，分支众多，包括电子仿生设计、机械仿生设计、建筑仿生设计、化学仿生设计、人体仿生设计、分子仿生设计、宇宙仿生设计等。

参考资料：百度百科-动物仿生学