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仿生技术

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仿生技术(Biomimetic)

目录

什么是仿生技术

  仿生技术是指用人造的处理手段、物质、设备或系统来模仿自然的技术。如何设计和建造仿生器械的艺术和科学也被称作仿生技术学,这门学科对于在纳米技术、机器人技术、人工智能、医疗科学和军事的研究专家来说有着极大的吸引力。

仿生技术的相关研究方向

  1、仿生机器人技术:主要研究仿生机器人,包括仿生机器人总体结构与优化技术、仿人形机器人运动规划与仿真系统、仿人形机器人的感知技术、基于多传感器的环境自适应技术。

  2、智能系统群体通讯与协调技术:主要研究智能无人移动平台及机器人间的通讯与协调作业,包括多智能系统间的信息传递信息获取及信息理解技术,智能决策与规划技术,协调作业控制技术,人机交互与遥操作技术。

  3、仿生感知与信息处理技术:主要研究信息获取与利用技术,主要包括视觉仿生探测技术,听觉仿生探测技术,力觉、触觉处理技术,复杂环境下多信息获取与融合技术。

  4、合成生物学仿生技术:生物学发展到细胞信号传导与基因调控网络的分子系统(biomolecular systems)水平研究,仿生学也就产生了细胞、分子水平的仿生技术,合成生物学(synthetic biology)的诞生,颠覆了传统的纳米技术、仿生技术、基因工程技术与计算技术,在细胞、分子水平人工设计基因调控网络、信号传导路径,开展人工生命系统的仿生技术,比如,开发纳米生物机器、纳米生物计算机等。

仿生技术的运用及相关案例

  一些仿生处理手段已经被应用了相当长的时间。一个例子是对某种维他命和抗生素的人工结合。现在,仿生技术被应用到了机器视觉系统、机器听觉系统、信号放大器、导航系统、以及数据交换设备等方面。除此之外,仿生技术的应用还包括用来查找和消灭癌细胞的纳米机器人、人造器官、人造四肢以及很多种不同的电子设备。

  相关案例如下[1]:

塑料涂层(偷学对象:鲨鱼)

  基于鲨鱼皮开发出的一种塑料涂层,目前正在医院患者接触频率最高的一些地方进行实验

  细菌感染恐怕是最令医院头疼的一件事,无论医生和护士洗手的频率有多高,他们仍不断将细菌和病毒从一个患者传到另一个患者身上,尽管不是故意的。事实上,美国每年有多达10万人死于他们在医院感染的细菌疾病。但是,鲨鱼却可以让自己的身体长久保持清洁——长达一亿多年。如今,正是由于鲨鱼这一特性,细菌感染可能会重蹈恐龙的覆辙——从地球上彻底消失。

  与其他大型海洋动物不同,鲨鱼身体不会积聚黏液、水藻和藤壶。这一现象给工程师托尼·布伦南(Tony Brennan)带来了无穷灵感,在2003年最早了解到鲨鱼的特性以后,他多年来一直在尝试为美国海军舰艇设计更能有效预防藤壶的涂层。在对鲨鱼皮展开进一步研究以后,他发现鲨鱼整个身体覆盖着一层层凹凸不平的小鳞甲,就像是一层由小牙织成的毯子。黏液、水藻在鲨鱼身上失去了立足之地,而这样一来,大肠杆菌和金黄色葡萄球菌这样的细菌也就没有了栖身之所。

  一家叫Sharklet的公司对布伦南的研究很感兴趣,开始探索如何用鲨鱼皮开发一种排斥细菌的涂层材料。今天,该公司基于鲨鱼皮开发出一种塑料涂层,目前正在医院患者接触频率最高的一些地方进行实验,比如开关、监控器和把手。迄今为止,这种技术看上去确实可以赶走细菌。Sharklet公司还有更宏伟的目标:下一步是开发一种可以消除另一个常见感染源——尿液管——的塑料涂层。

音波手杖(偷学对象:蝙蝠)

  这听上去就像一个糟糕玩笑的开头:一位大脑专家、一位生物学家和一位工程师走进了同一家餐厅。然而,这种事情确实发生在英国利兹大学,几个不同领域的专家的突发奇想最终导致音波手杖(Ultracane)的问世:这是一种盲人用的手杖,在靠近物体时会振动。这种手杖采用了回声定位技术,而蝙蝠就是利用同样的感觉系统去感知周围环境。音波手杖能以每秒6万个的速度发送超声波脉冲,并等待它们返回。

  当一些超声波脉冲回来的时间超过别的超声波脉冲时,这表明附近有物体,引起手杖产生震动。利用这种技术,音波手杖不仅可以“看到”地面物体,如垃圾桶和消防栓,还能感受到头顶的事物,比如树杈。由于音波手杖的信息输出和反馈都不会发出声音,使用者依旧能听到周围发生的事情。尽管音波手杖并未出现顾客排队购买的热卖景象,但美国和新西兰的几家公司目前正试图利用同样的技术,开发出适销对路产品

新干线列车(偷学对象:翠鸟)

  日本第一列新干线列车在1964年建造出来的时候,它的速度达到每小时120英里(约合每小时193公里)。但是,如此快的速度却有一个不利方面,列车驶出隧道时总会发出震耳欲聋的噪音,乘客抱怨说有一种火车挤到一起的感觉。这时,日本工程师中津英治(Eiji Nakatsu)介入了这件事。中津英治还是一位鸟类爱好者,他发现新干线列车总在不断推挤前面的空气,形成了一堵“风墙”。

  当这堵墙同隧道外面的空气相碰撞时,便产生了震耳欲聋的响声,这本身对列车施加了巨大的压力。中津英治在对这个问题仔细分析之后,意识到新干线必须要像跳水运动员入水一样“穿透”隧道。为了获取灵感,他开始研究善于俯冲的鸟类——翠鸟的行为。翠鸟生活在河流湖泊附近高高的枝头上,经常俯冲入水捕鱼,它们的喙外形像刀子一样,瞬间穿越空气,从水面穿过时几乎不产生一点涟漪。

  中津英治对不同外形的新干线列车进行了实验,发现迄今最能穿透那堵风墙的外形几乎同翠鸟的喙外形一样。现在,日本的高速列车都具有长长的像鸟喙一样的车头,令其相对安静地离开隧道。事实上,外形经过改进的新干线列车的速度比以前快10%,能效高出15%。

风扇叶片(偷学对象:驼背鲸)

  美国宾夕法尼亚大学西切斯特分校流体动力学专家、海洋生物学家弗兰克·费什(Frank Fish)教授表示,他从海洋深处找到了解决当前世界能源危机的办法。费什注意到,驼背鲸的鳍状肢可以从事一些似乎不可能的任务。驼背鲸的鳍状肢前部具有垒球大小的隆起,它们在水下可以令鲸鱼轻松在海洋中游动。但是,根据流体力学原则,这些隆起应该会是鳍的累赘,但现实中却帮助鲸鱼游动自如。

  于是,费什决定对此展开调查。他将一个12英尺(约合3.65米)长的鳍状肢模型放入风洞,看它挑战我们对物理学的理解。这些名为结节的隆起使得鳍状肢更符合空气动力学原理。费什发现,它们排列的方位可以将从鳍状肢上方经过的空气分成不同部分,就像是刷毛穿过空气一样。费什的发现现在叫做“结节效应”(tubercle effect),不仅能用于各种水下航行器,还应用于风机的叶片和机翼。

  根据这项研究,费什为风扇设计出边缘有隆起的叶片,令其空气动力学效率比标准设计提升20%左右。他还成立了一家公司专门生产这种叶片,不久将开始申请使用其节能技术,用以改善全世界工厂和办公大楼的风扇性能。费什技术的更大用途则是用于风能。他认为,在风力涡轮机的叶片增加一些隆起,将使风力发电产业发生革命性变革,令风力的价值比以前任何时候都重要。

参考文献

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