中科大生命科学导论-第12讲生命科学与仿生学

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1、第12讲生命科学与仿生学沈显生中国科学技术大学生命科学学院主要内容•一、仿生学的概念•二、仿生学与我们的生活•三、生命现象将带来无穷的启示一、仿生学的概念•仿生学(Bionics)1960年由美国科学家提出，是研究生物系统的形态结构、功能和机理，为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。德国著名设计大师路易吉·科拉尼曾说：“设计的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中”。所以说，仿生学是学习自然界的现象作为技术创新的模式。仿生学的特点仿生学属于生物科学与技术科学之间的边缘学科，涵盖生物学、生物电子学、

2、生物传感器、生物仿真材料、物理学、控制论、工程学、生物物理学、生物电机和生物大分子的自装配等的一门交叉学科。仿生技术通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机械等。仿生学研究范围划分方法（1）•结构与材料；•机理与能量；•行为与控制；•信息传递与传感器；•生殖与生命活动。仿生学研究范围划分方法（2）•材料仿生学•信息仿生学•控制仿生学•力学仿生学•化学仿生学•医学仿生学二、仿生学与我们的生活•生命科学研究的对象有许多层次；•不同的生命层次、

3、不同的生物体，都充满了无穷奥秘，是仿生学创新的源泉；•长期以来，人们从生物界获得了许多关于工程的、机械的、建筑的、仪器的等原理，推动了社会发展。1、仿生学的常见例子在古代：鲁班根据茅草叶片发明了锯子；锯子的发明来自于芒（Miscanthus）的叶片锯子的演变与革新2、神奇的莲（荷叶）古人以“出污泥而不染”的高贵品格来称赞荷花。德国波恩大学科研人员研究莲花的荷叶的纳米结构，通过观察发现，其表面有许多微小颗粒，从而发明了无需擦洗的“自净玻璃”和“自净勺”。Lotus-effect给我们带来了很大的启示与思考。3、

4、来自蜂巢的发明六边形的稳定性斯洛文尼亚仿蜂巢建筑•建筑公司Ofis从蜂巢身上获得灵感，为低收入家庭设计出图片中展示的住宅，既可在最大程度上做到保护隐私，同时又极具美感。蜂巢与龟壳2002年，德国米勒(Mieles)公司生产出新型的洗衣机，机桶的内壁采用蜂巢和龟背的结构，这种洗衣机具良好的工作原理和性能，不损伤衣服。这必将冲击现在的洗衣机市场。不会漏气的仿蜂巢轮胎2011年，Resilient技术公司和威斯康星州大学麦迪逊分校聚合体工程学中心的开发人员设计了模仿蜂巢结构的轮胎。4、生物“冷光”的开发•细菌、真菌

5、、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，产生的光都不产生热，称为“冷光”。•萤火虫的发光器位于腹部，由发光层、透明层和反射层三部分组成。发光细胞含有荧光素和荧光酶两种物质。在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合便发出荧光，实质上是把化学能转变成光能的过程。生物“冷光”的开发（续）•除了开发出日光灯和LED（lightemittingdiode）灯外，科学家已经从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光酶，并用化学方法可人工合成了荧光素。•现在，由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷

6、)和水混合而成的生物光源，可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。5、超级彩屏——蝴蝶的翅膀•蝴蝶的翅膀五彩缤纷，在不同的光线下都能够显示颜色；通过研究发现，在翅膀的内部有许多扁圆的腔，正是这种结构保证了全方位的反射。•美国人已经制造出了10X10cm2的显示屏，如果再扩大，应用到彩色电视上，将是一场革命。仿蝴蝶翅膀Mirasol显示屏•Mirasol的低电压显示屏能耗低，是取代手机、平板电脑和电子阅读器等设备所采用的电子墨水的一个理想替代品，其设计灵感来自于蝴蝶翅膀。•它采用两个玻璃面板和微型镜子，能够将颜色反

7、射到屏幕上。这也就意味着显示屏能够在强烈的阳光照射下显示出鲜艳的色彩，使其在阳光下更容易观看。Mirasol显示屏利用环境中的自然光线而不是人造照明。Mirasol显示屏仿蝴蝶翅膀太阳能电池板•2009年，科学家发现蝴蝶翅膀上的鳞片能够充当天然的太阳能收集器，可以极高的效率吸收阳光。研究人员利用从蝴蝶翅膀身上获得的灵感，提高染料敏化太阳能电池收集阳光的能力。6、模仿壁虎的攀爬能力•壁虎可以攀爬垂直的玻璃幕墙，美国加州大学研究人员发现，它的一只足具50万枚刚毛，每个毛具上百个勺形衬垫，是利用分子间范德华引力起作

8、用的。碳纳米管仿生壁虎脚打造蜘蛛人美国戴顿大学（2011）：（a）壁虎脚的电子显微镜放大照片；（b）碳纳米管阵列的电子显微镜放大照片；（c）一个（4×4）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的瓶装可乐饮料；（d）一个（4×4）平方毫米的碳纳米管阵列自吸附在垂直的砂纸表面上悬挂一个金属钢圈。英国BAE公司模仿壁虎脚的攀爬机器人7、其他案例（1）AMC轮胎的诞生猫在奔跑中突然