仿生学论文与化学有关

仿生学论文与化学有关

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。

向“化学”请教：  化学与仿生学

仿生学是一门综合性很强的学科，与生物学、化学、物理学和数学等都有联系。
仿生高分子学主要是研究天然高分子材料的结构性质用途等，并用人工的方法合成这些生物高分子材料。

仿生学的作文

作文是经过人的思想考虑和语言组织，通过文字来表达一个主题意义的记叙方法。下面是关于仿生学的作文八篇的内容，欢迎阅读！

虽然蚂蚁很小，但是它们却有很大的建筑能力，虽然表面上的洞口很小，但是里面的宫殿却是十分的庞大。如果拿蚂蚁身体的大小来对比的话，蚂蚁的村落则是十分的庞大，蚂蚁的宫殿比人类皇帝住的宫殿还要庞大、还要豪华。

蚂蚁之所以可也建成这么庞大豪华的村落是因为它们建筑的时候分工十分的明确，挖土的挖土，运土的运土，成千上万的蚂蚁一起工作，用不了多长的时间就建成了。

蚁群每天都会派出好几队蚂蚁去寻找食物。如果遇到一个大虫子的话，便让一只蚂蚁回家去叫援兵。虽然蚂蚁很小，但是它们却有很强的集体观念。

如果蚂蚁被火包围的话，它们会一个轮胎似的队形向外冲，外面的蚂蚁被烧焦了，可是里面的蚂蚁却安然无恙。外面的蚂蚁虽然牺牲了自己却毫无怨言，因为它们知道懂得只有做出小部分的牺牲，才能挽救大多数蚂蚁的生命。

我爱蚂蚁，爱它们团结一致的精神，爱它们高尚的品质。蚂蚁的团队精神，使我深深的认识到团结就是力量，人多力量大。有时只能不惜小利益的损失，才能换回大多数人的幸福。在生活中，很多的动物都是我们的老师，正是因为受到了它们的启发，现在人类也仿效蚂蚁，把大型商场建在了地下，开通了地铁，一些重要的军事设施也建在了地下，并且把这门科学叫做仿生学。蚂蚁我真心的谢谢你。

前一段时间，老师引导我们学习了《蝙蝠和雷达》这篇课文。这篇课文向我们揭开了蝙蝠这种动物夜间飞行的秘密，还说科学家根据这个秘密，发明了雷达，多有趣的仿生学啊！为了让我们对仿生学有更深入的认识，今天早上的语文课，老师组织我们上了一节关于仿生学的综合性学习课。

老师先让我们四人小组交流自己收集的仿生学例子。我们组的同学分别介绍了苍蝇与奇特的小型气体分析仪、萤火虫与人工冷光、电鱼与伏特电池。这些仿生例子都很有趣。

轮到我发言了。我找到的是“水母的顺风耳”。仿照水母耳朵的结构跟功能，科学家设计了水母耳朵风暴预测仪，能提前十五小时对风暴作出预测，对航海跟渔业的安全都有重要意义。“水母的顺风耳”太厉害了，大家都听得津津有味。

接着老师让每个四人小组选出一名代表，向全班介绍。我们组选了张欣濠做代表。

代表们给我们介绍了很多奇特的仿生学例子。在这么多仿生学例子中，我最喜欢的是蜘蛛与装甲。生物学家发现蜘蛛丝的强度相当于同等体积的钢丝的5倍。受此启发，英国剑桥一所技术公司试制成犹如蜘蛛丝一样的高强度纤维。用这种纤维做成的复合材料可以用来做防弹衣、防弹车、坦克装甲车等结构材料。没想到样貌恐怖的蜘蛛，对我们人类也有如此重要的启示。

仿生学真有趣！今天的语文综合性学习，我的收获真大！

我的理想是当上像钱学森一样对国家有贡献的人。经过孜孜不倦地查阅许多资料后，终于在《图说天下》中找到了关于仿生学的资料。

书中说，仿生学就是仿照动物的身体结构制造出有用的东西，当时轰动全国的电子蛙眼，就是科学家的奇思妙想。当然，奇思妙想不是胡思乱想，如果把蜗牛比作能行十万八千里的房子，那就不对了，还有得要有一定的科学依据！

比如，人们根据鸟巢制作出2008年奥运会的主场馆，模仿蛋壳建造出坚不可摧的房屋等等。

通过书中的启发，我决心发明一些东西。经过冥思苦想，还是百思不得其解，正当我决定放弃的时候，突然看见一只蚂蚁在桌子上爬来爬去，搬面包屑。我对它产生了浓厚的兴趣，开始仔细地观察它。忽然，我心中一亮，恍然开窍。“我可以做一个搬运性能良好的机器人呀！”

我马上去找机器人。家里有爸爸给我买的好多电动奥特曼的玩具大力士等，遥控器一按，他就会“咔嚓咔嚓”地迈步，对，我只要把其中一个拿来改装下就行了。经过简单的拼装后，总算凑合出一个能搬运小东西的机器人了，这只是我“搬运机器人”的一个雏形，并不完善。此外，我还做了些惨不忍睹的灯笼、不堪入目的破模型。虽然他们很简陋，但是他们都是我笨拙地一点一点自己做的。

仿生学可真有趣，我暗暗下决心，一定要努力钻研，发明出对人类有帮助的东西，为人民服务，将祖国建设得更加美好。

大自然中的很多现象带给我们启示，使自然成为人类的好老师。这些现象近在我们身边、生活中，可能是一些我们不在意但意义重大的细节；远在森林大海中，只有顶级科学家才能理解并分析的神奇自然现象。如果人类能够认真消化吸收，大自然中一切事物与我们的距离都是零。

比如一棵小树坚忍不拔地生长，最终成为一棵参天大树。人也是一样，每个人都不可能十全十美，但我们会为了梦想尽百分之百的努力，抓住生命中的每分每秒做有益的事，珍惜生命每个阶段的收获。而一片树叶总在固定的时间生长凋落，让我们知道生命是有自然规律的，我们要尊重规律，传承优势。这样的启示还有很多，影响着我们的生活，更成为生活的一部分。

而自然在科技发展中起到带动作用的例子就更多了。目前人类已经从动植物及自然中得到启示，发明了很多仪器及物件。比如基于苍蝇设计的小型残留侦测仪跟蝇眼摄像机，基于蛛丝研发的布丝，基于贝壳研发的坦克装甲等。人类很多科技研发成果，仿生学的大量突破，都源于人类对自然界长期的观察、探索跟研究。

人类自身结合了所有生命的优点，使其几乎完美无缺，人类由此成为最高生物。

我想，只要留心观察事物，并具备丰富的知识跟想象，我们每个人都有成为科学家的潜质。

科学研究汇聚更多的正能量，人类发展进步的速度会更快。

星期四上午第四节课，老师来到教室，说：“今天这节课，我们把前几天的仿生学的质料拿出来，分成学期小组讨论。”“耶！”在一阵欢呼声过去后，教室便炸开了锅，乱七八糟的声音混在了一起，场面如同菜市场一般。

在我们讨论之前，我发现其他小组已经开始了：有的人在兴奋的说着手里的资料，有的在细心的听着别人的发言，还有的在互相换着资料看。

终于，我们小组看是讨论了，首先是我来说。我先把画放在四个人的中间，接着说：“人们根据水母发明了水母顺风耳、人们根据动物的爪子发明了重机挂钩、人们根据与的沉浮发明了潜水艇……”等我说完以后，其他三个人都热烈地鼓掌。然后，我听完其他人出色的演讲后，觉的大家都说的非常好，看来，大家这几天都费了很大的力气去找资料。接着，老师说：“现在可以上来汇报。”

首先上来的是麦家健，尽管他在纸上写了许多内容，但却不会讲，老师仍他下去了。第二个上来的是周树棣，他讲了人类从蝴蝶身上得到启发，发明了人造卫星。我想：人们居然从蝴蝶身上发明了人造卫星，大自然真是奇妙啊。接着还有很多很多的同学说，就不一一讲了。

老是听完这几个同学的汇报后，说：“有没有同学自己想发明什么的'？”“有！”台下的同学异口同声的回答。

从这次讨论会中，我知道人们从各种具有奇特本领的动物中，发明了无数对人们有着重要意义的东西。而且还有一个重要的人，那个人就是科学家，科学家经过长期艰辛的研究，才能有所发明，原来，科学家是如此伟大啊！

科学家通过对自然界的生物进行仔细的观察，建立了一门新兴的学科——仿生学。仿生学是集合动植物学、物理学、化学、心理学、工程技术……结合在一起的一门独立的边缘科学，主要是模拟动物的功能，以改进现有的或创立崭新的机械、建筑结构、新材料、仪器跟工艺研究，创造出许多适用于生产、学习跟人们生活的先进技术。

潜艇的发明来自人们对鱼类的模仿；生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线，抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索就是按照蛛丝的原理制作的；响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能跟其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理，研制开发出来的现代化武器；火箭升空利用的是水母、墨鱼的反冲原理……这些例子真是举不胜举。

科学家从动植物身上得到启示，有所发明、有所创造。生物真是人类的好老师啊！

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在本世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能跟工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置跟机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。

例如苍蝇，是细菌的传播者，谁都讨厌它。可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭跟高速飞机上，实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由30O0多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版跟大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效跟质量。“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多。

这就是仿生学的魅力。

三月二十七日的上午，天气晴朗，白云朵朵，小鸟在树枝上唱起了歌来。

我们全班在教室里讨论从以前到现在人们仿生学的发明。

周老师叫招泽堃、张芷欣、吴雅婷跟我一起讨论我们收集到的仿生学资料。首先，吴雅婷说：我收集到的资料是：苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是天然导航仪， 人们模仿它制成了振动陀螺仪。这种仪器目前已经应用在火箭跟高速飞机上。吴雅婷刚刚说完，张芷欣就开始说话了，苍蝇的眼睛是一种复眼，由300种小眼组成，人们模仿它制成了蝇眼透镜，这是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它做镜头可以制成蝇眼照相机，一次能照出千百张相同的照片。之后，招泽堃介绍了仿生学是什么，陆续的，我介绍了人们根据鲨鱼的皮肤制造了泳衣。

大自然真是人类的老师啊！

仿生学与什么学科相关

仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。

仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾“nlc”(“具有……的性质”的意思)构成的。他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。尽管人类在文明进化中不断从生物界受到新的启示，但仿生学的诞生，一般以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志。

仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。

力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速；

分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫；

能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程；

信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。

模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通过训练，改变元件之间联系的权重来进行学习，从而能实现模式识别。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人-机系统的仿生学方面。

某些文献中，把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿生，而把信息和控制仿生的部分内容称为神经仿生。

仿生学的范围很广，信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成为对神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面——生物模式识别的研究，大脑学习记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等——是仿生学研究的主攻方面。

控制与信息仿生和生物控制论关系密切。两者都研究生物系统中的控制和信息过程，都运用生物系统的模型。但前者的目的主要是构造实用人造硬件系统；而生物控制论则从控制论的一般原理，从技术科学的理论出发，为生物行为寻求解释。

最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。其目的不在于直接复制每一个细节，而是要理解生物系统的工作原理，以实现特定功能为中心目的。—般认为，在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数学模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。

由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间的密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。

苍蝇 气味探测器
蜻蜓-飞机；
顺风耳-电话
青蛙 快速扫描系统
螳螂—镰刀
鸡蛋-建筑物

大乌龟背小乌龟：转动炮塔的坦克。 鸟在天空飞翔：制造了各种飞行器。 蜜蜂造巢窝：各种正六边形的蜂巢结构板材。 每只蜻蜓的翅膀末端，都有一块比周围略重一些的厚斑点，这就是防止翅膀颤抖的关键。飞机设计师研究苍蝇、蚊子、蜜蜂等的飞行方法，造出了许多具有各种优良性能的新式飞机。
鲨鱼皮肤－泳衣 一件泳衣，在悉尼奥运会上改变了世界泳坛的格局。几乎大半金牌得主都穿上一种特殊的泳衣———连体鲨鱼装。这种鲨鱼装仿造了海中霸王鲨鱼的皮肤结构，泳衣上设计了一些粗糙的齿状凸起，能有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。
此后，仿生泳衣越仿越精。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4％。此外，还增加了两个附件，附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使运动员游起来更加轻松；附在胸前和肩后的振动控制系统能帮助引导水流。

海蜇－水母耳 每当风暴来临前，最古老的腔肠生物海蜇仿佛能未卜先知，早早就离岸游向大海避灾。原来，海蜇有个“顺风耳”，其“耳”（细柄上的小球)中有小小的听石，上面布满神经感受器，能听到风暴产生时发出的次声波（由空气和波浪摩擦而产生，频率为8赫兹-13赫兹，传播比风暴、波浪的速度快）。
模拟海蜇感受次声波的器官，科技人员设计出一种“水母耳”仪器，可提前15小时左右预报风暴。它由喇叭、接受次声波的共振器和把这种振动转变为电脉冲的转换器以及指示器组成。将这种仪器安装在船的前甲板上，喇叭做360°旋转。当它接收到8赫兹－13赫兹的次声波时，旋转自动停止，喇叭所指示的方向，就是风暴将要来临的方向。指示器还可以告诉人们风暴的强度。 一个人握住一个鸡蛋使劲地捏，可是无论怎样用力，也不能把鸡蛋捏碎。薄薄的鸡蛋壳怎么这样坚固呢？科学家怀着极大的兴趣研究了这个问题，终于发现薄薄的蛋壳之所以能承受这么大的压力，是因为它能够把受到的压力均匀（yún）地分散到蛋壳的各个部分。建筑师根据这种“薄壳结构”的特点，设计出许多既轻便又省料的建筑物。人民大会堂和北京火车站以及其他很多著名建筑，屋顶都是这种“薄壳结构”。

其他：
苍蝇 蝇眼照相机
蝙蝠 雷达
海豚 声纳
鸟 飞机
昆虫 液压装置
蛇 红外线
鱼 潜水艇
蜘蛛 人造纤维
乌龟 装甲车
猫眼 夜视仪