仿生技術

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仿生技術(Biomimetic)

目錄

什麼是仿生技術

  仿生技術是指用人造的處理手段、物質、設備或系統來模仿自然的技術。如何設計和建造仿生器械的藝術和科學也被稱作仿生技術學,這門學科對於在納米技術、機器人技術、人工智慧、醫療科學和軍事的研究專家來說有著極大的吸引力。

仿生技術的相關研究方向

  1、仿生機器人技術:主要研究仿生機器人,包括仿生機器人總體結構與優化技術、仿人形機器人運動規劃與模擬系統、仿人形機器人的感知技術、基於多感測器的環境自適應技術。

  2、智能系統群體通訊與協調技術:主要研究智能無人移動平臺及機器人間的通訊與協調作業,包括多智能系統間的信息傳遞信息獲取及信息理解技術,智能決策與規劃技術,協調作業控制技術,人機交互與遙操作技術。

  3、仿生感知與信息處理技術:主要研究信息獲取與利用技術,主要包括視覺仿生探測技術,聽覺仿生探測技術,力覺、觸覺處理技術,複雜環境下多信息獲取與融合技術。

  4、合成生物學仿生技術:生物學發展到細胞信號傳導與基因調控網路的分子系統(biomolecular systems)水平研究,仿生學也就產生了細胞、分子水平的仿生技術,合成生物學(synthetic biology)的誕生,顛覆了傳統的納米技術、仿生技術、基因工程技術與計算技術,在細胞、分子水平人工設計基因調控網路、信號傳導路徑,開展人工生命系統的仿生技術,比如,開發納米生物機器、納米生物電腦等。

仿生技術的運用及相關案例

  一些仿生處理手段已經被應用了相當長的時間。一個例子是對某種維他命和抗生素的人工結合。現在,仿生技術被應用到了機器視覺系統、機器聽覺系統、信號放大器、導航系統、以及數據交換設備等方面。除此之外,仿生技術的應用還包括用來查找和消滅癌細胞的納米機器人、人造器官、人造四肢以及很多種不同的電子設備。

  相關案例如下[1]:

塑料塗層(偷學對象:鯊魚)

  基於鯊魚皮開發出的一種塑料塗層,目前正在醫院患者接觸頻率最高的一些地方進行實驗

  細菌感染恐怕是最令醫院頭疼的一件事,無論醫生和護士洗手的頻率有多高,他們仍不斷將細菌和病毒從一個患者傳到另一個患者身上,儘管不是故意的。事實上,美國每年有多達10萬人死於他們在醫院感染的細菌疾病。但是,鯊魚卻可以讓自己的身體長久保持清潔——長達一億多年。如今,正是由於鯊魚這一特性,細菌感染可能會重蹈恐龍的覆轍——從地球上徹底消失。

  與其他大型海洋動物不同,鯊魚身體不會積聚黏液、水藻和藤壺。這一現象給工程師托尼·布倫南(Tony Brennan)帶來了無窮靈感,在2003年最早瞭解到鯊魚的特性以後,他多年來一直在嘗試為美國海軍艦艇設計更能有效預防藤壺的塗層。在對鯊魚皮展開進一步研究以後,他發現鯊魚整個身體覆蓋著一層層凹凸不平的小鱗甲,就像是一層由小牙織成的毯子。黏液、水藻在鯊魚身上失去了立足之地,而這樣一來,大腸桿菌和金黃色葡萄球菌這樣的細菌也就沒有了棲身之所。

  一家叫Sharklet的公司對布倫南的研究很感興趣,開始探索如何用鯊魚皮開發一種排斥細菌的塗層材料。今天,該公司基於鯊魚皮開發出一種塑料塗層,目前正在醫院患者接觸頻率最高的一些地方進行實驗,比如開關、監控器和把手。迄今為止,這種技術看上去確實可以趕走細菌。Sharklet公司還有更巨集偉的目標:下一步是開發一種可以消除另一個常見感染源——尿液管——的塑料塗層。

音波手杖(偷學對象:蝙蝠)

  這聽上去就像一個糟糕玩笑的開頭:一位大腦專家、一位生物學家和一位工程師走進了同一家餐廳。然而,這種事情確實發生在英國利茲大學,幾個不同領域的專家的突發奇想最終導致音波手杖(Ultracane)的問世:這是一種盲人用的手杖,在靠近物體時會振動。這種手杖採用了回聲定位技術,而蝙蝠就是利用同樣的感覺系統去感知周圍環境。音波手杖能以每秒6萬個的速度發送超聲波脈衝,並等待它們返回。

  當一些超聲波脈衝回來的時間超過別的超聲波脈衝時,這表明附近有物體,引起手杖產生震動。利用這種技術,音波手杖不僅可以“看到”地面物體,如垃圾桶和消防栓,還能感受到頭頂的事物,比如樹杈。由於音波手杖的信息輸出和反饋都不會發出聲音,使用者依舊能聽到周圍發生的事情。儘管音波手杖並未出現顧客排隊購買的熱賣景象,但美國和紐西蘭的幾家公司目前正試圖利用同樣的技術,開發出適銷對路產品

新幹線列車(偷學對象:翠鳥)

  日本第一列新幹線列車在1964年建造出來的時候,它的速度達到每小時120英里(約合每小時193公裡)。但是,如此快的速度卻有一個不利方面,列車駛出隧道時總會發出震耳欲聾的噪音,乘客抱怨說有一種火車擠到一起的感覺。這時,日本工程師中津英治(Eiji Nakatsu)介入了這件事。中津英治還是一位鳥類愛好者,他發現新幹線列車總在不斷推擠前面的空氣,形成了一堵“風牆”。

  當這堵牆同隧道外面的空氣相碰撞時,便產生了震耳欲聾的響聲,這本身對列車施加了巨大的壓力。中津英治在對這個問題仔細分析之後,意識到新幹線必須要像跳水運動員入水一樣“穿透”隧道。為了獲取靈感,他開始研究善於俯衝的鳥類——翠鳥的行為。翠鳥生活在河流湖泊附近高高的枝頭上,經常俯衝入水捕魚,它們的喙外形像刀子一樣,瞬間穿越空氣,從水面穿過時幾乎不產生一點漣漪。

  中津英治對不同外形的新幹線列車進行了實驗,發現迄今最能穿透那堵風牆的外形幾乎同翠鳥的喙外形一樣。現在,日本的高速列車都具有長長的像鳥喙一樣的車頭,令其相對安靜地離開隧道。事實上,外形經過改進的新幹線列車的速度比以前快10%,能效高出15%。

風扇葉片(偷學對象:駝背鯨)

  美國賓夕法尼亞大學西切斯特分校流體動力學專家、海洋生物學家弗蘭克·費什(Frank Fish)教授表示,他從海洋深處找到瞭解決當前世界能源危機的辦法。費什註意到,駝背鯨的鰭狀肢可以從事一些似乎不可能的任務。駝背鯨的鰭狀肢前部具有壘球大小的隆起,它們在水下可以令鯨魚輕鬆在海洋中游動。但是,根據流體力學原則,這些隆起應該會是鰭的累贅,但現實中卻幫助鯨魚游動自如。

  於是,費什決定對此展開調查。他將一個12英尺(約合3.65米)長的鰭狀肢模型放入風洞,看它挑戰我們對物理學的理解。這些名為結節的隆起使得鰭狀肢更符合空氣動力學原理。費什發現,它們排列的方位可以將從鰭狀肢上方經過的空氣分成不同部分,就像是刷毛穿過空氣一樣。費什的發現現在叫做“結節效應”(tubercle effect),不僅能用於各種水下航行器,還應用於風機的葉片和機翼。

  根據這項研究,費什為風扇設計出邊緣有隆起的葉片,令其空氣動力學效率比標準設計提升20%左右。他還成立了一家公司專門生產這種葉片,不久將開始申請使用其節能技術,用以改善全世界工廠和辦公大樓的風扇性能。費什技術的更大用途則是用於風能。他認為,在風力渦輪機的葉片增加一些隆起,將使風力發電產業發生革命性變革,令風力的價值比以前任何時候都重要。

參考文獻

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Tracy,林晓辰.

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