仿生工程（共12篇）
仿生工程 篇1
0 引言
目前, 两栖纲无尾目 (Anura) 动物包括47科408属的5 679种青蛙和蟾蜍, 其数量在不断增加[1]。该目动物体型大体相似, 与其他动物均相差甚远, 幼体和成体区别甚大, 仅蝌蚪有尾, 出现于三叠纪, 现代绝大多数两栖动物均属此类, 世界性分布, 但在拉丁美洲最丰富, 其次是非洲。其成体具有四肢, 后腿强壮, 适应跳跃和攀爬。树蛙的脚趾有吸垫, 能够栖息于树上, 以避开地面天敌的攻击。其他蛙类的后腿通常强壮有力, 善于跳跃和游泳。蟾蜍的四肢较短, 通常爬行而不擅跳跃[2]。蛙类的皮肤湿润光滑, 而蟾蜍的皮肤干燥有疣粒。
1 研究现状
1.1 蛙眼
蛙眼视网膜的神经细胞分成5类, 1类只对颜色起反应, 其余4类只对运动目标的某个特征起反应, 并且能够分别辨认和选取自己能看到的那种特征, 输送到大脑视觉中枢。在大脑视觉中枢, 神经细胞自上而下分成4层, 分别是对运动目标的明暗对比起反应、抽取运动目标的凸边、只看见运动目标的四周边缘和运动目标的暗前缘的阴暗变化, 这4层特征迭在一起, 形成一个完整的图像[3]。
蛙眼这种善于把复杂的图像分解成几种易于辨别的生理结构, 提高了发现目标的敏捷性和准确性。科学家根据蛙眼的原理和结构研制成功一种电子蛙眼。电子蛙眼能像真的蛙眼那样, 也有4种检测器, 即抽取图像的反差、凸边、边缘、阴暗4种功能, 能够准确无误地识别出特定形状的物体[3]。装备了电子蛙眼的雷达系统能够快速而准确地识别特定形状的运动物体 (如飞机、船舰和导弹) , 区别真假导弹, 截击真正的导弹;还可以把背景和目标分别开来, 从而大大提高军事装备的作战和防御能力。
电子蛙眼也可以应用于几分钟就有一架飞机起降大型民用航空机场上飞机起降实时监控报告:一旦飞机将要发生碰撞事故, 立即会发出警报, 从而杜绝因人眼疲劳而引发的安全事故。
1.2 超声波通讯
沈钧贤[4]等人研究分布于中国黄山、富春江一带的凹耳蛙 (Odorrana tormota) , 发现该种蛙是除哺乳动物之外的首次被发现能够通过超声波进行交流沟通的动物。该项研究不仅对研究动物声通信进化有重要科学意义, 而且对于研究“强噪声背景中如何彼此倾听”以及开发新型助听装置有借鉴意义。
1.3 弹性纤维
雄性蛙类普遍具有鸣囊, 在头部腹面的咽喉部位有1～2个囊状突起, 具有扩大声浪的功能。鸣囊与口腔内舌的两侧 (或近颌角处) 的鸣囊孔相通连, 有内外之分:外形上看不见的为内鸣囊, 位于咽或下颌腹面, 由肌肉皱褶向外突出的双层壁结构, 分单咽下和成对咽侧内声囊等;外形上能看见的为外鸣囊, 是咽壁扩展形成的皮肤囊, 薄而富有弹性, 平时呈皱缩状态藏于裂孔内。外鸣囊又分为单咽下外鸣囊 (如图1小雨蛙Microh yla ornate所示[5]) ;成对咽侧外鸣囊 (如图2腹斑蛙Rana adenopleura所示[5]) ;成对咽侧下外鸣囊 (如图3斯文豪式赤蛙Odorrana swinhoana所示[5]) 。外鸣囊的壁内分布着极为丰富的弹性纤维, 是研究弹性纤维的理想对象, 据此可以制造出高性能弹性纤维[1,5,6,7,8]。
1.4 保护色
某些蛙和蟾蜍具有非凡的伪装能力。有些青蛙能够根据环境改变皮肤的颜色, 形成保护色以隐蔽自身。喜隐伏在草叶、树丛中的雨蛙、树蛙的体色像青竹嫩叶似的翠绿。白天常居石下土洞, 夜晚活动在路旁、泥地的蟾蜍, 体被墨绿色或暗褐色, 接近土壤、腐叶的颜色。在菜园、苗圃泥土草丛中活动的饰纹姬蛙, 体色多为土棕色, 且杂有斑纹, 好像草丛间的阴影。当环境颜色改变时, 雨蛙、树蛙等的体色也随其而起变化, 这样就更不易被天敌发现[2,9]。
色素细胞 (Chromatophores) 位于表皮和真皮内, 包括黑色素细胞、虹膜细胞和黄色素细胞。色素细胞内含有色素颗粒, 并有许多指状突起。当色素颗粒收缩聚集时, 体色变浅;色素颗粒扩展分散到细胞突起中时, 体色变深[10]。
色素细胞决定体色的改变, 黑色体对于调节颜色使其与背景相融洽发挥主要作用。除了光线、温度, 自身内分泌的调节、湿度甚至情绪变化也影响其体色[10]。目前基于体色变化的原理, 视频隐身方面的研究也在进行中。
1.5 敷料
青蛙的肺不是特别的发达, 皮肤裸露无鳞片覆盖, 富含腺体和密布微血管, 具有很好的通透性, 可保持潮湿维持皮肤呼吸;腺体分泌粘液湿润身体, 防止体表干燥, 有利于气体交换;空气中的氧分子通过微血管进入血液, 体内的二氧化碳也由皮肤排出体外, 但皮肤只能通过周围环境的变化来维持体温。对青蛙来说, 皮肤是重要的辅助呼吸器官, 冬眠期间几乎完全靠皮肤呼吸[11]。
根据以上特点, 医学工作者把青蛙皮应用到人体植皮中, 巴西利亚大学利用脱水技术制成了青蛙皮敷料, 该敷料可以在常温下保存, 使用方便, 在临床实验中已获得成功。青蛙皮敷料作为创面覆盖物具备透水、透视性好, 抗炎性强, 排斥小和粘附性好等优点[12]。使用青蛙皮覆盖深度烧伤创面, 具有抗感染力强, 可促进创面愈合等作用, 而且该敷料来源广、造价低, 是一种较为经济实用的创面敷料。但是, 该敷料在临床应用中也有排斥出现, 而且不适合用于大面积创面[13]。
1.6 优良的跳跃能力
青蛙是动物世界有名的“跳跃健将”, 借助具有发达肌肉的后腿, 许多青蛙可以跳到他们自己体长12倍远的距离, 而幼蛙的跳远长度与体长比例倍数甚至高于成蛙[14]。研究人员根据其突出的跳跃能力特点, 正在开发研究跳跃机器人。
1.7 神奇的皮肤分泌液
在中药中蟾酥已沿用了数千年, 蟾酥具有强心、消炎止痛、抗癌和抗辐射的作用, 在现代医学中, 蟾酥可作为麻醉剂和治疗食道癌[15]。蟾酥加工来源于蟾蜍Bufo bufo gargarizans Cantor或B.melanostictus的皮肤提取物, 包括皮肤分泌粉和皮脂腺的干制品。应用现代技术从蟾酥中分离并表征的化合物, 如蟾毒配基 (bufogenines) 、华蟾素 (cinobufagin) 和蟾蜍灵 (bufalin) 具有阻止血管扩张、增强血管收缩、增加血管阻力和升高血压的作用[15,16,17,18]。
生活在南美洲的一种箭毒蛙科 (Dendrobati- dae) 的蛙皮肤分泌液被印第安人用来涂布于其箭尖从事捕猎和防御[19]。经过对该类蛙皮肤分泌液的研究, 发现了数百种的生物碱, 如蟾毒素 (batr- achotoxins) 等。这些甾族生物碱通过有效调节细胞钠离子通道, 使神经细胞和肌细胞产生不可逆的去极化作用, 从而引起心室肌纤维颤动、心律不齐, 最后导致心脏衰竭并造成中箭动物死亡[20,21,22,23]。
两栖类无尾目动物皮肤分泌液中所含的被称为蛙皮素以及蛙皮素样肽的多肽具有广泛的生物学功能。其作用于心血管中枢而影响心率和血压, 参与调节体温和平滑肌的收缩, 促进释放胃泌素、胆囊收缩素、胰高血糖素等, 抑制动物摄食行为, 改善学习和记忆等, 更为重要的是能够促进各类细胞特别是肿瘤细胞的增殖, 正因其与肿瘤的密切关系, 受到了众多学者的关注, 成为肿瘤治疗的一个靶点[11]。
从南美的多指节蛙 (Paradoxical Frog) 皮肤分泌物中提取的化合物PSEUDIN-2, 可以刺激胰腺细胞释放胰岛素, 而且这种化合物的人工合成剂能够刺激实验室培养的胰腺细胞分泌胰岛素, 而且对细胞没有副作用, 有希望利用这项研究开发成果治疗Ⅱ型糖尿病的新药[24]。
一种澳大利亚绿树蛙 (Litoria caerulea) 的皮肤分泌物有驱蚊功效, 使得青蛙免受蚊虫叮咬[25], 这使开发绿色仿生驱蚊剂成为可能。
1.8 皮肤组织形态
两栖无尾类动物皮肤裸露富含腺体, 皮肤由表皮和真皮组成。表皮的内层为生发层, 外层为角质层, 一定程度上可以减少体内水分蒸发, 是对陆生环境的一种重要适应;角质层表面的1～2层细胞角质化, 但角化程度不深, 仍有大量的活细胞存在。蟾蜍皮肤角质化程度较深, 蛙等两栖纲无尾类类角化程度浅, 外层角质化细胞定期脱落, 内层是柱形的细胞, 由此层形成新的细胞以代替脱落的外层细胞, 水生种类几乎没有角质化。有些水生种类在陆生期间表皮产生角质化, 返回水中后角质化细胞脱落[26]。
无尾目动物真皮下有大的皮肤淋巴窦, 皮肤与肌肉是呈网点状接触, 易于剥离, 与肌肉的联系不紧密。真皮层中存在许多腺体和腺体聚集体是两栖动物皮肤的特点[11]。其皮肤腺主要分为浆液腺 (又称颗粒腺或毒液腺) 和粘液腺[27]。
TEM观察发现Rana属和Bombina属蛙类的浆液腺有一个较小的空腔, 内含不同大小、形状以及电子密度的细粒。颗粒的大小及电子密度反映此腺体的分泌能力和腺体类型的不同[28,29,30,31,32]。
粘液腺是由多细胞构成的泡状腺, 表皮细胞下陷到真皮中, 有管道与皮肤表面相通。粘液腺数量多, 个体小, 婚垫属粘液腺。
Rana属和Xenopus属蛙类的粘液腺中空, 内含过碘酸雪夫反应 (PAS) 的阳性物质 (甘油、糖类和硫酸盐) , 且无颗粒状物质。Xenopus属蛙类皮肤干燥时通过分泌这些粘液类物质, 这些粘液中所含的亲水类物质充分吸收环境中的水蒸气, 从而达到保持皮肤的水平衡[28,33,34,35]。
2 展望
到目前为止, 文献关于两栖纲无尾目典型动物的研究已经相当多, 其研究具有如下几个特征:一是对于典型动物的工程仿生研究已有所涉猎, 如开发电子蛙眼、视频隐身等方面研究;二是对典型动物的表皮及分泌液的药理学方面的研究已经相当充分, 对其化学组成以及每种化合物的分子结构和功能研究已经很深入;三是对于典型动物的皮肤组织学及免疫组化研究很多, 也多集中于腺体类型、尺寸、分布状况以及它们之间的相互关联的关系, 但对其体表结构和形态适应生存环境方面的原因并很少探究, 尤其是在体表结构和形态的工程仿生方面少之又少。随着对环境问题的日益关注, 今后的研究方向应是节能降耗, 而两栖纲无尾目典型动物与其生活环境相适应而表现出来的诸多形态、结构和功能特征为解决在稀泥环境中作业机械的工作部件如水田作业机械的某些部件的稀泥粘附问题带来了启示, 为在农业机械节能增效仿生技术研发提供仿生学习的优良对象。
摘要：两栖纲无尾目 (Anura) 动物包括47科408属的5679种青蛙和蟾蜍, 其数量在不断增加。为此, 综述了该目典型动物优异的适应环境的能力以及结合这些优异性能而解决的工程问题, 如电子蛙眼、超声波通讯、生物弹性纤维、保护色、医用蛙皮敷料、跳跃机器人、皮肤组织形态及腺体和皮肤分泌液的应用。同时, 着重介绍了其体表的形态和结构, 发现其是一种复合嵌套形式, 加之体表分泌液的存在, 使其适应生活在潮湿的环境中。同时, 分析了无尾目典型动物优异生物特性在包括农业工程在内的工程上的潜在的仿生应用前景。
关键词：两栖纲,无尾目,生物特性,工程应用
仿生工程 篇2
人们还是根据史书上的记载把它改装了一种玩具，这是这个玩具在飞行中的图片。如果我说这是一只鸟，肯定没人会相信，因为它是一种机器，这种机器太死板了，这就是机器与生物之间的不一样。
可是，此刻人类的科技水平已经突破了这种不一样，大家看一下，这是一家美国仿生公司发明的一种仿生鸟，这种仿生鸟呢，他是根据鸟类飞行的动作完成的发明，所以说，这款仿生鸟已经到达了以假乱真的地步。它的每一个关节包括头部都是能够灵活转动的，如果这只鸟飞在天上，人们很难发现它既然是一只机器鸟。
此刻，大家再来看一下这个公司的其他产品。这个是仿生蝙蝠，这个蝙蝠的外形和飞行姿态能够和真的相媲美，并且，它还能够悬挂在一些物体上。
这个是仿生蝴蝶，它和仿生蝙蝠一样，都是经过红外线传感器来进行飞行，如果在它们的周围放上很多传感器，就是大家在一齐飞行，也不会发生碰撞。再看这款仿生蜘蛛，从外形上看，这款蜘蛛和真的区别很大，并且动作缓慢，但它的优势就是它能够把腿收起来，变成一个“球形“经过两个小腿进行滚动。
再给大家看一款黑科技—仿生蜜蜂，它不仅仅能够像真蜜蜂那样采蜜，还能够落在花朵上，同时，它还能够做一些连真蜜蜂都做不到的事，比如说它能够在水里飞行。它十分的小，仅有一元硬币那么大，如果用于科技侦察的话，就算在敌人的面前，他们也很难发现。当然，这款仿生蜜蜂还在美国哈佛大学进行研制，目前还没有推广使用，相信大家必须很期待!
航天与仿生 篇3
长颈鹿体内血压高达46.55千帕（高出人正常血压的2倍），这样才能保证将血液压上5米高的头部。你可能会想，当长颈鹿低头饮水时，这样高的血压是否会导致其脑血管破裂？事实上，长颈鹿低头、抬头自如。这是为什么呢？科学家经过研究发现，长颈鹿身上紧绷的皮肤具有防止血管崩裂的作用。由此，科学家提出了“通过改变外界环境对血管的压力来调节航天员体内血液分布”的设想，研制了一种模仿长颈鹿皮肤的飞行服 ——“抗荷服”。抗荷服能随着飞船运行速度的加大，自动充入气体（或液体），对航天员的腹部和下肢加压，以阻止血液过多地向下肢运输，从而防止了脑缺血现象的发生。
依据同样的原理，科学家还为长期生活在太空的航天员研制了一种特殊的器械（一种密闭的袋子），将航天员腹部以下的肢体套入该器械中，即可减小环境对血管的压力，使航天员身体上部的血液能输向下肢。航天员每天坚持用这种器械锻炼几小时，就能防止腿部肌肉的萎缩。由此看来，载人航天飞船进入太空与生物科学有着不解之缘。
蝴蝶也为航天事业帮了大忙。蝴蝶身体表面上的小鳞片可以调节体温。当气温升高、阳光直射时，鳞片自动张开，以减小阳光的辐射角度；当外界气温下降时，鳞片自动闭合，让阳光直射鳞片，来增加吸收的热能。科学家为飞船设计的控温系统，就是模拟蝴蝶鳞片的这一功能，使飞船上的精密仪器能够在温度为-200～2 000 ℃的环境中正常工作。科学家还预言，生物界的红螺菌，将成为航天飞船遨游太空的理想“生物燃料”。
仿生工程 篇4
一、国内书架设计现状
现今国内书架设计存在以下三个方面的缺陷:1.功能单一。传统书架除了放置书籍, 一般无其他功能, 对于舒适度的考量, 传统的书架在设计时就没有充分考虑使用者的感受。2.空间利用不足。书架的高度, 通常都是以人手触及的高度为准, 但一般家庭屋顶高度在3米左右, 这样的书架虽然方便了大多数使用者, 但上面的高度空间会被浪费。根据经验, 查找存放在最下面两层的书籍时, 人们则必须要下蹲, 这很不便于读者查找图书, 取放也不易。所以一般书架在40厘米以下的空间利用率不高, 而且也不便于摆放常用的书籍物品。3.缺乏设计感。研究显示, 对人的感官起着强烈引导作用的是不同色彩与造型的产品, 然而传统书架的设计只在体积和高度上有所区别, 在造型和色彩上的改变少之又少, 这就使得阅读空间生硬冰冷, 毫无生机感。这也使得读者在阅读过程中感觉乏味无趣。书架的作用只是为了放置书籍, 亦或是供人们取放书籍, 这样的书架, 不能产生使人融入阅读参与阅读的氛围。
植物仿生书架对于读书的作用是不言而喻的。对于喜爱读书的人来说, 其作用是巨大的, 读书人一旦有时间最大的愉悦就是坐在书架前浏览、欣赏图书, 潜移默化地改变生活。但是书架会常常被人们忽略, 书架的发展历程就更少为人注意了。书架是了解一个人或一个时代的最好的东西, 它体现出一个人或一个时代的精神状况。书架对于提升阅读氛围的作用不可或缺, 书架的形态、气质, 表达了这个空间的气息, 是室内空间弹性的表达者。随着时代的发展, 生活的节奏越来越快, 人们更向往简单的生活方式, 简洁、明快、实用的手法在生活中随处可见。一件以植物仿生为主题的家具出现在室内设计当中, 那么黑白冰冷的空间会立刻饱含生命, 活灵活现, 有利于增强室内空间的生机, 更加符合现代人们的精神生活需求。
仿生设计指人们运用已发现的自然生物提取的最具代表性的元素并结合艺术与科学进行的设计。“无论人类社会发展到任何时期, 自然生物始终是人类生存和发展依附的主体环境, 运动环境中的仿生意义始终左右着人类生存的品质。作为在新世纪对人类的日常工作与生活有重要创造意义的家具设计, 同样也离不开仿生学在家具设计中的运用。”[1]将仿生设计应用到家居产品的设计中, 能使家居环境更加具有活力和张力, 体现生命感, 使空间更加具有弹性。把大自然中生物所独有的显著特性, 赋予到没有生命的家居产品上, 形成更加具有设计感的家居环境, 能让现代人感受仿生设计所独有的个性和趣味。
二、植物仿生书架创意设计
(一) 在人体工程学上的思考
创新型植物仿生书架的设计更满足了人性化的需求, 其尺寸大小充分考虑了人体工程学的比例因素而设计, 摒除了传统书架的功能单一等缺点。将仿生设计运用到没有生命的家居空间设计中, 能使家居空间有一定的生命感, 将人体工程学和有价值的元素相结合, 生成更加有设计感的环境, 为生活在快节奏中忙碌的人们提供了一个与大自然相处的氛围, 使人们感受到大自然强大的生命力和活力, 让使用者能够享受更高的舒适度和安全感。
(二) 在绿色设计中的运用
人与自然有着天生的亲切感, 绿色又是自然界的主旋律, 绿色象征着健康与生命、和谐与安宁、环保与可持续利用。将绿色植物的仿生设计应用到室内空间, 加之使用原生态的材料, 能营造出人与自然和谐共生的生活状态, 可以给人以积极健康的心理暗示。将自然元素移至室内, 提供一个绿色、舒适、优质的生活空间的设计, 这本身就是对自然、社会和人文在室内设计艺术领域的思考和体现。
(三) 在人文方面的考量
“家居空间中的主体为家具设计, 家具的造型特点直接决定了家居空间的风格。北欧的家具设计非常注重人性化, 体现出了以人为本的设计理念。汉斯维纳是北欧非常有名的家具设计大师, 他在1947年设计的孔雀椅就是采用了仿生设计的手法。其中椅背为扇形, 用细木条排列组合填充靠背空间, 椅子整个靠背形似孔雀的尾巴, 造型独特而优美, 令人联想到孔雀开屏的画面……不仅让人感受到了质朴自然的亲切感, 更能体会其中深深地趣味性。”[2]孔雀椅的设计让人体会到其中深深的趣味性。仿生设计赋予了家居空间以强烈的个性特征, 运用这种手法, 能够满足人们轻松、幽默、愉悦的精神需求, 强调了设计的趣味性。趣味性的仿生设计在儿童家居空间设计中应用得极广, 这能给用户带来更多的童趣和丰富的联想。在传统的家具产品设计中, 我们很少看到有产品直接取自于绿色的大自然, 更多地是现代化的工业产品, 缺乏新意, 乏善可陈。几乎都是工业化冰冷金属玻璃材质的产品, 丝毫不考虑人的感受, 只关注功能, 不考虑人性, 冰冷且不近人情。但人才是所有家居产品的使用者和感受者。植物仿生书架的初衷就是关怀人, 充分考虑关怀人这一主体的感受, 不仅对产品提出回归自然, 贴近绿色生活的要求, 还要在整体的布局和空间上充分考虑人的感受, 要符合人性, 关怀人性, 从人的第一感受出发。
中国的传统读书之所的环境既简洁又单一, 室内的装饰无非就是字画书架等, 所营造的氛围严肃而静谧。植物元素的应用摆脱了传统意义上的仅仅作为图案装饰的作用, 革命性地直接应用到造型设计之中, 让植物参与设计, 而不是让植物造型成为附庸产品。现今的设计中, 要加强植物元素的应用, 就要明白各种植物的涵义并发掘出新的内容。竹子不仅可以代表不屈的气节, 还可以表达积极进取的健康心态, 绿色的枫叶和红色的枫叶所蕴含的内容又有所不同。
创新型植物仿生书架是运用大自然中绿色的植物进行仿生设计, 所打造的是一种藏于钢筋水泥之中的自然景观, 让人们虽处于快节奏的生活当中, 却能在阅读之中充分感受自然, 体会阅读的舒适感, 让人们享受阅读, 爱上阅读。
三、结语
由模仿自然界的生物而衍生出的产品在国内的产品设计的创新上具有很强的可行性, 在市场上拥有较高的期望值。较好地弥补了现代书架在设计、创新方面的不足, 更好地加强了将人与自然的融合。将取自自然界的元素应用到家庭、户外和公共场所, 让人们在现代繁忙的生活中感受一些惬意和放松, 加强接近与自然的关系, 体验贴切的绿色生活, 从视觉、功能上给了人们焕然一新的感觉。
本次设计重在拓展和延伸, 我们试图营造出一种全新的阅读环境, 不仅从仿生书架入手, 更重要的是整体环境的布局和设置。让一系列配套的植物仿生产品组合成一个完整的绿色阅读环境, 营造出绿色、自然、亲切、清新的阅读氛围。因此还应该有一系列衍生品, 包括书桌、椅子、柜子、摆设等, 用一系列植物仿生的产品共同构建一个良好的让人心旷神怡的家居环境。
参考文献
[1]孟凯宁.浅谈仿生设计学对现代家具设计的意义[J].文艺生活 (文艺理论) , 2012 (6) :45.
仿生作文300字 篇5
生活中有许多仿生学，如：通过鸟飞行的原理发明飞机；通过经鲸鱼游泳的原理改进轮船等等。但是你听说过猪笼草捕食的方法吗？猪笼草身上有很多小瓶子，每个小瓶子都装满了蜜汁。苍蝇一闻到甜味，就迫不及待地飞进瓶子里，却被粘粘的蜜粘住，再也出不去了，随后就被猪笼草特殊的汁液慢慢地消化掉。
通过猪笼草捕食的方法，我想我们可以发吗一种捕鱼船，它能很好的帮渔民捕鱼。这种捕鱼船能潜到海底深处捕大鱼。但是，它捕鱼的方法是通过食物来诱惑鱼群。鱼来的时候，捕鱼船就开启舱门，放些食物，然后隐身。鱼群看到有食物，就成群的进入捕鱼舱。这时候只要把舱门一关，那些鱼就出不去了。这样捕鱼既省时间又能捕更多的鱼。你觉得这种捕鱼船怎么样啊？
其实，利用大自然中动植物给我们的启示，我们可以发明出许多有用的东西。
仿生健身七式 篇6
二、仿鹰摇眼闭目。模仿鹰眼的环动。两脚相距30厘米站立，两手手指交叉于小腹前，意守丹田。深呼吸后闭目，两眼珠旋绕，向右旋5次后，猛地睁眼看前方；约6秒钟后，继续闭目旋转，重复以上的动作。右向旋转15次，左向旋转15次。共6次闭目，可使眼睛明亮并益智健脑。
三、仿猿摇唇鼓舌。模仿猿类的口舌动作。两手叉腰，两腿相距30厘米而立。闭嘴，舌头伸至嘴唇和齿龈之间，作猿嘬食物状。舌头旋绕舔转12次，反向12次。初练宜缓转，然后闭嘴鼓气，直至舌头略酸。口内有津液生出。休息片刻，再度鼓嗽，生出津液徐徐咽下，既有益胃肠，亦能通畅气血，神清气爽。
四、仿猫拱腰打盹。每天清晨睡醒后，趴在床上，撑开双手，伸直合拢双腿，撅起臀部，像猫儿拱起脊梁那样用力拱腰，再放下高翘的臀部。反复十几次，可使全身气血流畅，防治腰酸背痛等疾病。仿猫打盹有助于人们恢复精力，是克服疲乏的一种好方法。当人仿猫打盹时，大脑和肌肉立即呈松弛状态，非常有助于精神和体力的恢复。
五、仿狗行走。像狗走路一样，四肢着地，有手和左脚、左手和有脚一起伸出去移动身体前行，坚持走20步，可以防治由于长时间站立或行走而引起的腰痛、胃下垂、痔疮及下肢肿胀等症，对防治腰痛尤其有效。
六、仿蝗翘腿。将身体俯卧，双肘弯曲，双手贴在胸部下方的床板上。接着上身仰起，双脚并攏且尽量抬高，缓慢进行3次腹式呼吸，每天可做数次。此动作尤其适合女性，可预防腹部脂肪沉积。
蚕丝仿生人工皮肤 篇7
苏州大学利用丝绸提取的丝蛋白, 并将其与人类干细胞相结合的培育方法研制仿生皮肤。以期满足烧伤病人植皮需要, 减轻病人痛苦。
真丝缝合线已在外科手术中应用多年, 实践证明, 蚕丝表面的丝蛋白基本不会引起炎症反应。在研究中发现不同种类细胞都能够在丝蛋白上很好地生长, 这就意味着丝蛋白可以用于不同组织的再生和修复。利用丝蛋白制备的多孔丝素膜等类似支架结构, 可以通过诱导的方式轻易让干细胞附着。
仿生人皮肤制备时, 先依据患者皮肤损伤的尺寸, 裁剪合适的丝蛋白材料, 然后将干细胞植入其中, 再应用可控的技术, 让多个干细胞在丝蛋白构成的基材上生长。通过对丝蛋白材料的设计, 干细胞可以在其中转化为不同的功能细胞, 如真皮层的成纤维细胞、表皮层的表皮细胞等, 最终生长为仿生人工皮肤。而所有这一切都是在一个生物反应器里完成的, 时间大约1~2周。
大脑可控的仿生手臂 篇8
过去如果你想看仿生肢体如何运转, 可以参考20世纪70年代的科幻片或星球大战的电影, 而现在这些幻想的场景已经脱离影屏变成了现实。
一位年轻女性在一次摩托车交通事故中丢失了一只胳膊。在科学家的帮助下, 一只电动机械手臂可以帮助她做正常人能做的任何事情, 剥水果, 甚至洗碗洗盘子。可能最好的状况是, 她只要考虑想做什么事情, 就真的能够做到。
医生把她过去控制手臂的神经末梢移到了胸部位置, 通过电极收集这些神经的微弱电子信号, 把信号传送到微型计算机处理器上, 计算机再把指令转化成控制仿生手臂的电动马达的信号。当她想拿起厨房桌子上的苹果时, 大脑发出了指令, 她的胳膊、手和手指就会完成这个动作。
植物自卫与仿生农药 篇9
原来, 草木并非束手就擒的无能之辈, 它们拥有种种常人难以发现的生存本领。新生的嫩芽、幼叶、幼果是害虫的美餐, 但有些害虫一经取食即自取灭亡, 因为其中潜藏着种种“秘密武器”, 如番茄碱、茄碱棉粉酚、生氰苷、强心苷……, 这些杀虫物质数量虽少, 但能给害虫以致命的一击, 被人们叫做“防卫素”;在已经长大的枝叶中, 虽无这类防卫物质, 但有时却大量积存单宁、五羟黄酮、绿原酸等特殊分泌物, 具有难以入口的苦涩味, 使前来偷食的害虫一经品尝就倒了胃口, 被人们叫做“拒食素”;和高等动物的免疫功能相似, 许多绿色植物在遭受病虫攻击后可产生种种抗生素, 破坏病菌和害虫的生理功能, 使病虫丧失生育和生存能力。例如香枞树能分泌“保幼酮”, 使红椿象的卵难以成熟, 幼虫“老不大”, 难以蜕变成蛹和成虫, 绝了后代;菊科植物遭害时能分泌“早熟烯”, 使大乳草蝽的蛹未熟先衰, 难以羽化成具有生育能力的成虫;有些植物还能分泌“光敏素”, 害虫吃下这种含有光敏素的枝叶会变得十分怕光, 无法找到安身栖息的场所;玉米遭害时可分泌“拒产信息素”, 使玉米螟不愿再上玉米枝叶产卵;橄榄树遭害时流出的树液中含有“占领信息素”, 使果蝇闻风而逃, 不敢再上橄榄树为害。
在多种草木群居的植物群体中, 有些草木还能保护“邻居”不受侵害。当杨树、柳树遭受天幕毛虫侵害时, 能向周围树木发布受害消息, 促进其他树木增加防卫物质的分泌量, 加速分泌速度;在棉花和蓖麻混栽的农田里, 蓖麻的气味可驱赶棉花叶跳虫;如将辣椒和丝瓜混栽, 丝瓜叶片散布的气味因具有催产功能, 使业已怀胎的雌性害虫“早产”, 这些早产的虫卵可因先天不足而发育不良。
同目前常用的化学农药比较, 植物分泌的杀虫物质不仅具有高效的杀虫功能, 而且不危及人畜, 不损伤害虫的天敌, 不污染环境, 不损害自然界的生态平衡。可见, 模仿植物杀虫物质, 开发仿生农药, 是有无可估量的效益和前景的。
仿生科技前途无量 篇10
“莲花效 应”与自洁 涂料
莲花出污泥而不染,自古以来就被人们认为是纯洁的象征. 所谓“莲花效应”,是人们从莲花叶子(又称荷叶)表面的某些特性发现的一种自然现象———荷叶的表面有许多微小的乳突,让水不能停留在上面. 水滴形成后会从荷叶上滚落,同时将灰尘带走. 受此启发,人们发明了能自洁的窗户、瓷砖和建筑涂料. 例如瑞典建筑业巨头斯堪斯卡公司研发并上市的一种能利用阳光和雨水来分解和洗刷城市污染物的“智能”涂料,不仅可以用来涂刷整个城市的建筑物,帮助消除上面的污染物,同时还可用来铺设道路,净化空气,具有良好的经济和环保效益.
在此之前,消除大城市的烟尘污染,主要是从改进内燃机的催化转换器和排气管方面着手的,效果不太理想. 新的思路是通过研制具有自我清洁能力的“智能”建材,在自然力的适当帮助下,达到消除污染、净化空气的目的.
根据这一思路,斯堪斯卡公司参与了一个耗资170万美元、由瑞典与芬兰联合研发的项目,其宗旨是开发能把汽车的尾气分解在隧道里的催化水泥墙和具有二氧化钛涂层的混凝土产品.
人们知道,二氧化钛通常是应用在白漆和牙膏中的化合物,它在受到紫外线光束照射后,性能会变得非常活跃,引起催化反应,消灭污染物分子,包括矿物燃料燃烧时产生的氧化氮,而氧化氮与易挥发的有机化合物结合,就会产生烟尘. 同时,催化反应能避免细菌和灰尘长时间附着于建筑物表面,而被雨水轻易地冲走.
实验证明,这种催化反应的副产品是无害的———有机化合物被分解成二氧化碳和水,二氧化氮则产生硝酸盐,这也是该技术受到环保部门首肯的重要原因之一.
新涂料的问世,还得益于纳米技术的发展. 纳米技术是一门从分子学角度研究建材的学科. 二氧化钛的上述催化特性,在纳米级的薄层上或在极小的微粒中,会变得更加活跃.
乌贼与变色纤维
研究发现,海洋生物乌贼和斑马鱼天生有一种改变自身颜色的能力,这是由它们体内的色素细胞决定的. 受此启发,美国康涅狄格大学化学系副教授格雷格·佐青发明了一种只要打开开关,就可以依据所施加的电场改变颜色的新型纤维,这种名为电致变色聚合物”的纤维,目前只能从橙色和红色变成蓝色,下一步计划是研制出可以从红色、蓝色和绿色变为白色的纤维,最终目标是将不同色彩的纤维交叉织成布料.
新纤维之所以具有这种功能,是因为它的化学链中的电子可以吸收不同可见波波长的光线. 因此,在将电线与一组蓄电池连接后,这种纤维织物的每个交叉点都将变成一个如同电视或电脑屏幕上的小光点,即像素.穿上用这种布料制成的服装,人们就可以根据自己的心情和所处环境的需要,通过微型开关来调控服装的颜色,使自己与周围环境的色彩融为一体,所以这种服装又被称作“变色龙”服装. 这种布料特别适合制成军服或篷布,供战场上的士兵穿用,从而使他们完全“消失”在背景里.
鱿鱼与环 保塑料
一种像凯夫拉纤维一样强韧、既能变形又可降解的热塑性环保新材料,最近由美国宾夕法尼亚州立大学工程学与力学教授迈利克·德米雷尔领导的科研团队研发成功.
据德米雷尔介绍,他们这项发明的最初灵感,来自海洋中的鱿鱼. 他说,我们以前研发的工程材料,无法轻易改造成不同形状,因而限制了在实际生活中的应用.研究发现,鱿鱼触须吸盘中含有一种结构蛋白质,类似于半晶体结构的蚕丝,将其提取出来,利用传统的聚合物加工技术和新兴的3D打印技术,可以塑造出任何形状.他们就是通过复制从鱿鱼吸盘中提取的蛋白质复合体“鱿鱼环牙”,制造出了这种新材料. 实验证明,新材料具有卓越的力学性能,可以为药物给送、材料涂层、组织工程和湿性黏合剂等提供广泛的应用机遇.
但是,目前限制这项研究成果推广应用的最大瓶颈,是从自然界中捕获的鱿鱼数量有限,而从其触须吸盘中能提取到的“鱿鱼环牙”更是凤毛麟角,即使把全世界捕获的所有鱿鱼都用来提取,也难以满足需要.
为了解决这个难题,制造出更多的所需物质,科研团队采用了常见的细菌发酵技术. 他们首先从鱿鱼体内提取基因,然后将其植入大肠杆菌. 这个过程与酿酒类似,不同的是发酵产生的不是酒精,而是合成的“鱿鱼环牙”. 用这种方法,他们目前每天可以生产30~40克“鱿鱼环牙”. 与此同时,还进行了一些旨在降低生产成本的技术改进,并初见成效:现在“鱿鱼环牙”的成本已由每克50美元降低至每千克100美元. 下一步,科研团队还打算用藻类代替细菌,以进一步降低成本.
仿生健身颐天年 篇11
仿猿睡眠 猿蜷缩身体而眠，能自然抻拉脊背，使脊椎关节及肌肉韧带得到放松。当下人们生活节奏快，很多人一天下来腰酸背痛。倘若我们在晚上临睡前或早晨起床时，像“寒猿眠”那样，保持抱膝而卧的姿势2～3分钟，有助于缓解慢性腰背痛等症状。
仿鳖漫步 鳖行动迟缓，伸脖扭腰，摇头摆臂，内外双修的步伐，恰可以达到“内练精气神，外练筋骨皮”的功效。
仿猫拱腰 清晨睡醒后，趴在床上，撑开双手，伸直合拢的双腿，撅起臀部，像猫拱起脊梁那样用力拱腰，再慢慢放下。反复做十几次，可促进全身气血流畅，缓解腰酸背痛等症状。
仿熊抖腿 一只脚牢牢站稳，另一只脚慢慢抬起，轻轻抖动，两脚轮流做。同时，双手带动肩部前后摆动，与腿部动作协调一致。每天数次，可以预防下肢瘀血。
仿蝗跷腿 将身体俯卧，双肘弯曲，双手贴在胸部下方的床板上，接着上身仰起，双脚并拢并尽量抬高，缓慢进行3次腹式呼吸，每天数次。对女性痛经、月经失调和妇女贫血症有一定疗效。
仿兔跳跃 学兔子蹦，有强筋健骨之效。 跳跃前要充分活动腿部关节，避免损伤。可手扶固定物（如墙面），挺胸收腹站立，向前抬左腿或前后摆动左腿，坚持1分钟后，再换右腿做同样的动作。然后再练习跳跃，落地时动作要柔和，避免受伤。每天跳跃时间不要太长，以免磨损关节。
仿蚁饮食 蚂蚁吃饭不贪食、不偏食、不饱食、少食多餐是其特性。医谚说得好：“饮食自倍，胃肠乃伤”，少食一些，则胃液有剩余，胃肠蠕动有储力，脾胃不困顿，营养的吸收利用才有保障。
仿猴灵动 猴是动物中最活跃的家伙，多动多跳、善于运动、专于运动，造就了其机警、敏捷、灵活和健美。养生学猴多动，尽量保持身体各部位的灵活机敏，才能不老态龙钟、老气横秋。
仿鹿转颈 双手前伸如同扶桌子，踮脚，绷紧双腿，头颈用力向上转动。此动作能锻炼脊柱，起到改善肺功能的作用。
仿狗行走 模仿狗走路的样子，将四肢着地，左手和右脚、右手和左脚交替伸出，移动身体前行。用此方式每天坚持走20步，可缓解由于长时间站立或行走而引起的腰痛、胃下垂、痔疮及下肢肿胀等问题。
仿鹅伸脚 两手放在腰间，一只脚前伸，脚尖外拐。另一只脚在后，身体缓慢下蹲，重复2次，换脚再做。此动作尤其适合久坐的人，促进血液循环。
仿孔雀弯腰 弯腰，骨盆尽力向后突出，双手前伸齐腰高，胯骨左右扭动，同时脚跟轮流抬起。这个动作有益于消化系统和生殖系统。
（编辑 林 妙）
蝴蝶仿生超宽带天线 篇12
自然界一直都是人类各种技术思想、工程应用以及重大发明的源泉,在长期的观察和实践当中,人类不断模仿生物的行为和形态并从中受益。仿生学是研究生物系统的结构、功能等来改进工程技术系统的科学。仿生天线是根据仿生学原理运用到天线中,通过模仿生物的模型运用于天线的几何外形达到某种特定的性能。例如:仿生向日葵和动物触角设计的,具有RCS(Radar Cross-Section,雷达散射截面)减缩效果的天线[1,2];模拟蝴蝶翅膀在阳光下呈现的深色区域设计天线开槽形状的仿生天线,该天线能有效地降低天线RCS[3];仿生章鱼外形设计的L波段单极子天线[4];仿生银杏树叶外形设计的小型化宽带天线[5]。
随着无线通信技术的迅猛发展,越来越多的天线被应用于各类通信设备中。但在当前许多通信系统中,人们出于美观或军事上保密等原因,往往尽可能地将天线隐藏,典型例子就是绝大多数移动手机天线采用了隐藏式天线。若设计为仿生天线,天线不仅不会影响通信设备外观,还可以提升设备的美观度,军事上仿生天线能够有效地隐藏和伪装天线。
为满足高速数据通信和无线通信应用日益扩展的需求,UWB(Ultra-wideband,超宽带)天线已成为现代天线发展的热点和潮流。传统的宽带天线主要有行波天线、非频变天线、喇叭天线等多种类型。微带单极子天线是一类应用非常广泛的超宽带天线[6,7,8,9,10],它能够实现非常宽的工作频带,同时天线制作可以应用加工简便、精度高和成本低廉的微带印刷技术,有利于天线批量化生产。
本文探讨利用仿生学原理,设计具有UWB特性的微带单极子天线。蝴蝶是自然界中一种非常美丽的生物,其对称、较为宽阔和圆滑流畅的外形曲线也正好和UWB单极子天线要求相吻合,因此本文借鉴蝴蝶外形实现UWB仿生天线的设计。
1 天线结构
蝴蝶的身体结构包括头部、纺锤形身体和一对分布有花斑的翅膀,头部有一对棒状或锤状触角。借鉴蝴蝶外形,本文设计的蝴蝶仿生天线如图1所示。整只天线制作在一片相对介电常数εr=2.65,厚度为h=1 mm的聚四氟乙烯微波介质基板上,基板长L=27.8 mm,宽W=26 mm。在该天线基板正面,蝴蝶外形被用于设计天线辐射单元,蝴蝶身体连接一条宽度为W1=2.8mm,特性阻抗为50Ω的微带线,用于对该天线馈电。天线基板背面印制有宽和长分别为W=26mm和L1=10.8 mm,倒角为e=11.5 mm的金属地。其仿真天线的其他结构参数见表1。
2 主要结构参数分析
本节将采用CST MICROWAVE STUDIO软件进行数值仿真的手段,分析天线主要结构参数对天线性能的影响,为天线设计提供指导。
2.1 花斑和条纹
对本文的蝴蝶仿生天线,其翅膀上的花斑和条纹很大程度上提升了天线外形美观,但花斑和条纹结构复杂,是该仿生天线设计的主要难点之一。图2给出了有和无花斑和条纹时的天线S11仿真数据,可以看出,花斑和条纹对该天线的阻抗带宽影响很小。该蝴蝶仿生天线的超宽带特性主要来自于天线的蝴蝶外形,因此设计者可以在设计花斑和条纹时可基本上只考虑天线外形美观,在一定程度上减轻了该仿生天线的设计难度。
2.2 金属地倒角
图3对比了金属地倒角对天线S11值的影响。随着金属地倒角增大,金属地逐渐从矩形变化为半圆形,由于金属地的宽度和长度分别为W=16 m和L1=10.8 mm,倒角的最大值为e=11.5 mm。从图3中可看出,随着倒角e增大,天线的阻抗带宽相应地增大。因此本文中倒角大小选择为e=11.5 mm。
2.3 辐射贴片与金属地之间缝隙
图4分析了天线辐射贴片与金属地之间的缝隙宽度g对天线|S11|的影响。可以清楚地看出,缝隙宽度g对天线|S11|影响显著,需要在设计中对该参数仔细地调节。当缝隙宽度g变大时,低频段|S11|值增大而高频段|S11|值减少,而缝隙宽度g减小对|S11|的影响正好相反。因此设计中对缝隙宽度g的取值需要适当,本文选择为g=0.5 mm。
2.4 介质板厚度和介电常数
本文设计的仿生天线为微带天线,基板介电常数和厚度的误差常常是影响微带天线性能的主要因素之一。在图5中,仿真计算了不同程度基板介电常数和厚度变化时的天线|S11|,可以看出,本文仿生天线的性能稳定,基板介电常数和厚度的较小不会对天线性能产生显著的不良影响,这对天线批量化生产和工程应用十分重要。
3 天线仿真测试结果分析
加工制作的天线实物如图6所示,该天线的尺寸为26 mm×27.8 mm×1 mm。
图7对比了该天线的仿真和测试|S11|曲线,可看出仿真和实测结果吻合较好,在低频处仿真和测试结果差异稍明显,根据分析主要来源于加工和焊接误差。测试得到的|S11|<-10 dB的阻抗带宽达到107%(3.2~10.6 GHz),这表明该天线具备了良好的超宽带特性。
图8给出了该天线在3.5 GHz,6.8 GHz,9 GHz下的辐射方向图。可以看出,该天线在各频点的辐射方向图为典型单极子天线方向图,有较良好的准全向辐射特性。天线增益为2.2~5.6 dBi。
4 结论
本文根据仿生学原理,模拟蝴蝶外形设计了一种具有超宽带特性的微带单极子天线。该天线外形美观,酷似蝴蝶。仿真和测试表明,该仿生天线的|S11|<-10 dB的阻抗带宽达到107%(3.2~10.6 GHz),而该天线尺寸仅为26 mm×27.8 mm×1 mm。该天线的仿生外形和良好超宽带特性使其在军用和民用无线通信等领域有广泛的应用前景。
参考文献
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[6]钟顺时,梁仙灵,延晓荣.超宽带平面天线技术[J].电波科学学报,2007,22(2):308-315.
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