漫谈仿生学应用.doc

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1、漫谈仿生学应用虽然人类自古以来就不断模仿自然，但“仿生学”这个名词始于1960年，它横跨了生物、物理、化学、数学等基本学门，并且与航天、通讯、材料等应用科学相互交织成新的研究领域。近年来，有越来越多的科学家投入仿生学研究的行列，更结合了新兴的纳米科技、智能工程、以及组织工程等三大热门主流，为人类21世纪的科技发展开拓了一条崭新的道路。模仿自然提供了许多优势，因为自然界的各项功能存在既久，并且方便有效，是历经演化所保留下来的最佳方式。人类模仿大自然的巧门，创造出能够应用于人类生活的发明，即使是微不足道的小发明，对于人类生活的影响却可能非常深远。例如我

2、们日常生活常用的“尼龙搭扣”，是瑞士的一位工程师乔治·迈斯楚由野外会沾上衣服的芒刺所想到的点子。他在显微镜下观察沾在他衣服上的芒刺，发现芒刺像一排钩子互相连结在一起，能够紧紧地钩住接触到的衣料或动物的皮毛。根据芒刺的构造，历经8年不断地研究和修改，他设计出一种实用的搭扣，就是我们目前在日常生活中随处可见的尼龙搭扣。今日无论是衣服、鞋子、表带、背包、甚至汽车、飞机、降落伞、太空装或航天飞机，都可以看到尼龙搭扣的应用。然而有时候完全模仿大自然也不见得能够生效，例如人类试图复制鸟类的翅膀来飞翔，可是没有成功，反倒是通过大自然的启发，创造出许多伟大的发明。

3、通过鸟类飞行的启发，配合气体动力学的原理发明了飞机，终究还是让人类飞上了天空。一.功能奇特的人工内耳听觉对于人类似乎不是必要的，丧失听觉的人依然可以生活，但是会造成许多不便，尤其是在与他人的沟通方面。听力可能因为天生残疾或后天的疾病而受损，轻微的听力障碍，可以通过助听器辅助或进行听力复健而达到改善的目的。由于助听器的功能在于收集声波，并放大送到耳朵里面，最后还是要通过听神经把讯号传递到大脑，对于内耳神经受损严重的患者，助听器就无能为力了。这时必须通过外科手术，植入人工内耳才能改善听力。人类耳朵的听觉机制，大致上是通过外耳廓收集声波，通过听道震动鼓膜

4、，推动听小骨（包括槌骨、砧骨及镫骨）把声波放大，传到耳蜗上的卵圆窗，引起耳蜗内淋巴液的流动，带动耳蜗内纤毛的摆动，使得与纤毛相连的神经细胞产生微小的电位变化。神经细胞再把讯号传进大脑听觉专区，经过解读后便产生了听觉。人工内耳是通过模仿人类的听觉机制，使失聪者可以恢复听觉，以取代原本丧失功能的耳朵。这项技术的起源，可以追溯到1790年，科学家在实验中无意间发现，置于耳朵附近的通电电极会使人听见杂音。不过这方面的研究一直要到20世纪中叶才有重大的发展，进而实际应用于医学领域。人工内耳系统包括外部的麦克风、声音处理器和发送器，以及内部的接收器和电极。先由

5、体外的麦克风收集外界的声音，并转为电子讯号，传送到声音处理器加以放大或过滤，再通过体外的发送器，将讯号传送到植入皮下的接收器。新一代的人工内耳是以无线电波的方式传送信号，代替过去利用电线穿过皮肤的方式，降低了细菌感染的可能性。接收器再把声音讯号传送到植入失聪者耳内的白金电极，进一步把电子讯号转成微小的电位来刺激听神经，使大脑产生听觉。由于白金的低活性，置于耳内不易和组织起反应而变质，安全性相当高，但价格偏高是其缺点。在我们的耳朵内，听小骨把震波传进耳蜗之后，由于耳蜗本身形状、大小的变化，加上受到内部淋巴液质量和密度的影响，声音在传入耳蜗内部的途中，

6、频率会由高至低被过滤出来，并且不同位置的纤毛也会对特定频率的震波产生不同的摆幅。所以内耳对于不同的频率高低和震动大小，对应出不同强度的神经讯号，使我们可以分辨周围不同的声音。人工内耳也必须具有类似的功能，才可以使佩戴者辨识不同频率的声音。公元1970年，麦克森和爱丁顿等人发展出以多电极直接刺激耳蜗内听神经的人工内耳系统，把各种不同频率的接收电极放在耳蜗的不同区域，虽然能够大幅提升对声音的辨识率，但是距离正常听觉仍有很大一段差距。近十几年来，人工内耳技术比起早年有了大幅的进步，目前最新的人工内耳已植入多达24个电极来刺激听神经，可以使部分失聪者不用通

7、过判读唇语便可与人沟通，甚至可以像常人一样讲电话。不过根据国外实验结果显示，对于大多数失聪者而言，即使佩戴目前最新型的人工内耳，所能恢复的听觉仍然有限，不及正常人的一半，对于日常生活中的背景声音，分辨率仍然非常低。因此人工内耳在声音辨识率的发展上，仍有许多亟待突破的瓶颈。此外，人工内耳的无线电传收系统，讯号在传递时常常受到外界干扰而产生噪声，使得声音听起来失真。在制造材料方面，由于体外的部分必须长时间佩戴，选用的材料必须能抵抗汗水的侵蚀，而体内的部分因为置于组织中，所以必须选用可抵抗组织液侵蚀的材料。目前电子内耳的研究方向，在于设计出更好的声音处理

8、程序、降低刺激电极之间彼此干扰产生噪声的机会、改进电池耐用度、组件材料的选用、以及体积微小化。通过神经生理学、电子学、电池