生物奥秘与仿生学心得（5篇模版）

第一篇：生物奥秘与仿生学心得

生物奥秘与仿生学心得

大一上学期我选修了生物奥秘与仿生学这门课，这是一门有意思的学科，老师带领我们探索生命的奥秘与科学。在这门课上我们学习到了很多知识，并且感悟到了除了科学知识以外的对生命的体会。随着生产的需要和科学技术的发展，从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究，促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实。生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学。

我们的科学家们以极大的兴趣研究生物界奇妙的功能，模仿生物的特殊本领为现代科学服务。而我们更从中看到上帝创造万物中的无穷智慧。宇宙是一本敞开的书，一切被造的生物也是上帝向世人敞开的一本书。我们用惯了“大自然”这个名词，也用惯了生物“本能”这个词，其实这些词并不恰当，凡物不是“自然”而成，生物也不是生成就有“本能”。上帝借着这本人人可读的敞开的书向我们说明，他是创造主。走兽、飞鸟、鱼，虽然不会说话，但你若能去问、去思考，问许许多多的为什么，它们必会向你说明，是上帝的手作成这一切。科学家——不论生物学家、植物学家、动物学家、微生物学家、医学家、化学家无一不在研究这本敞开的书，他们探究这些奥秘，为了造福人类，我们探究奥秘，更要认识上帝。

这门课带领我们探索了大自然的奥秘，感受了生物与生物之间的联系，让我们感受到宇宙的无穷与奇妙，让我们更加明白人知识大自然的一部分，还有更多的生物与我们共存，并且，我们需要它们依赖它们，从而丰富我们的生活，让大自然和谐，美好。

第二篇：通过学习生物奥秘与仿生学一课有很多的心得体会

通过学习生物奥秘与仿生学一课有很多的心得体会，从中也学会了很多以前不知道的知识，自身得到了很大的提高，现在我就来谈谈自己对于这一课的心得与体会。

今天的科学已初步揭开生物内部构造，机能的奥秘。自1966年诞生了一门崭新的科学——仿生学开始，科学家们以极大的兴趣研究生物界奇妙的功能，模仿生物的特殊本领为现代科学服务。而我们更从中看到上帝创造万物中的无穷智慧。

“一个小小的生物在自然界中生活，都有其卓有成效的导航、定向、计算、生物合成、能量转换等系统，其小巧性、灵敏性、快速性、高效性、可靠性和抗干扰性都是令人惊叹不已的。例如，在许多方面，电子计算机尚不及小小昆虫的脑袋，一个看来很丑陋的螳螂能在1/20秒的瞬间计算出飞掠眼前的小昆虫的速度，方向和距离，非常准确的一举捕获，连那上吨重的电子跟踪系统都为之相形见绌。”

人类利用雷达来跟踪探测目标，这是在近代才得到应用的一门科学，但生物界应用这门技术却是从远古开始的。其貌不扬的蝙蝠就是利用口中发射的超声波来定位，导行、与追踪猎物的。它的耳朵是超声波接收机，其在黑暗中测量距离、位置、方向的灵敏度比飞机上的雷达更精确。科学家作过试验，将蝙蝠的眼睛蒙住，放入一个布满铁丝并系有铃铛的房间内，各铁丝间的距离只比两翼尖间距离稍大，蝙蝠能自由飞行而没有碰上。一种叫小褐蝠的蝙蝠能分辨0.18毫米粗的铁丝。其探测器只有0.05克重，功率为百万分之一瓦。真使人类的几千几百公斤的雷达装置相形见拙。

不知为何，蝙蝠还有天生的抗干扰装置。它不但能分辨什么是食物，什么是障碍，而且在周围如果有比它的信号强二千倍的噪音仍不受干扰，可正常工作。将二万只蝙蝠放在一起也不会互相干扰，各自收听自己的信号。这种奇特的性能胜过现代定位器百倍。一种热带食鱼的蝙蝠还能对水下面的鱼类定位，准确的抓食，据研究，接收水下鱼体反射的信号强度只有原来的150万分之一。

研究人员更注意到，在夜间绕着火光飞舞的昆虫中有一种夜蛾，它竟有特殊的反雷达本领，在捕捉它的蝙蝠未来之先，早就逃之夭夭，蝙蝠的超声波对夜蛾来说往往失灵。为了提高人类的反雷达技术，求助于这小昆虫的本能，经发现，原来夜蛾身上有一整套反雷达装置：腹部与胸之间的凹处有一个特殊的鼓膜器，专门收听蝙蝠的超声波雷达，这个“顺风耳”只有二个细胞、三根神经纤维，可收听30米外的危险信号。当敌情来自左方，蝙蝠所发的超声波到达夜蛾中央神经系统的信号左边要比右过早千分之一秒，强度也较强。夜蛾马上准备逃跑并且以特殊的翅膀来减少对蝙蝠所发声波的反射。有的夜蛾还能以足部关节的一种振动器发生一连串“咔嚓”声来干扰打乱蝙蝠的超声波定位。使它不能确定目标。万一防备不周，蝙蝠已近在咫尺，它有应急措施：翻斤斗兜圈子，收起翅膀跌在地上，总之使蝙蝠无法确定自己的位置。蝙蝠在夜蛾身上往往是“心有余而力不足”。

与其他生物的特殊本能一样，进化论认为都是后天获得，即在生存斗争中发展起来的。这就令人很费解，蝙蝠怎么会获得这特殊的功能，这些超声波“发射器”和“接收器”是如何自己逐步产生并完善的？是谁教导它们使用？更有趣的是，夜蛾怎么会发明反雷达抗干扰装置，其他的昆虫为什么没有进化？因它们也随时有危险，如果遭到蝙蝠追捕的昆虫都配备这些装置，蝙蝠岂不是要饿肚子而绝种？或者发明另一件更好的武器？

圣经中有这么一段话：“你且问走兽，走兽必指教你，又问空中的飞鸟，飞鸟必告诉你，或与地说话，地必指教你，海中的鱼也必向你说明，看这一切，谁不知道是耶和华的手作成的呢？

这一课让我有很多的心得体会，这些知识对我来说终生受用，也相信以后在许多方面能用到这些知识，这一课也让我体会到了生物界与人类的紧密联系，自由自在畅想在人与大自然和谐的关系中，也让我知道生物界有很多知识值得我们来借鉴，会使我们人类更辉煌，人类要和大自然和谐共处！

第三篇：仿生学与新材料

仿生学与新材料

摘要：自然界生物在漫长的进化过程中优胜劣汰，为了生存、自卫、竞争和发展的需要，强化了许多优异的结构和特殊功能，值得人们很好地借鉴并发挥。仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大的开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。关键词：仿生学 仿生设计 军事 能源

1.引言

早在远古时期，人类就从自然生态系统中领悟到自身生存、发展和进步的真谛，蒙昧时代进入文明时代就是在模仿和适应自然规律的基础上发展起来的。回顾世界文明史，人们很早就留下了模仿自然生态的痕迹，人首龙身、羽化飞升等大量事例记述了人们对自然生命形态和功能创造性的模仿。

人类师法自然思维由来已久，这便促成了仿生学的诞生。仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学，属于生物科学与技术科学之间的边缘学科，其目的就是分析生物过程和结构，并将结果用于未来的设计。

仿生学思想是建立在自然进化和共同进化基础上的，人类所从事的技术就是为使其达到互相间的协调，而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好途径，恰似“桥 梁”和“纽带”，连接着生物科学与技术科学[1]。人们向生物系统索取设计蓝图，使军事、化工、机械、建筑等科学领域发生了根本性的变化，新事物层出不穷：从雪 地行走的企鹅，人们发现了越野汽车；利用六角形结构蜜蜂窝，生产出了蜂窝材料；从青蛙突出的眼睛，制造电子蛙眼；由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分；仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”，这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。

在工业化进程加速的基础上，仿生学已被广泛应用到社会生产、生活的各个方面，仿生学的相关设计开始占据举足轻重的地位，人们由此得出仿生设计学（Bionics Design）[2]。仿生设计学是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴学科，它与原有的仿生学成果应用不同，是以自然界万事万物的“形”“色”“音” “功能”“结构”等为研究对象，同时结合仿生学的研究成果，为设计提供新的原理和方法。从某种意义讲，仿生设计学可以说是仿生学的延续和发展，作为人类社 会生产活动与自然界的契合点，正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。2.仿生学的研究范围

仿生学的研究范围非常广阔主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。

力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速。

分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。

能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。信息与控制仿生，是研究与模拟神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通过训练，改变元件之间联系的权重来进行学习，从而能实现模式识别。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人-机系统的仿生学方面。我们可以从不同的角度多方面研究仿生学的原理与方法，更好的应用仿生法。3.仿生学的应用

3.1仿生学在军事上的应用

随着时代发展与变化，军事仿生设计越来越受到人们的关注。在漫长的进化过程中，生物为了生存、自卫、竞争和发展的需要，逐渐形成了许多优异的结构和特殊功能，值得人们在军事研究中很好地借鉴。军事仿生学就是模 仿生系统的原理来建造先进军事装备技术系统或者使人造军事装备技术系统具有或类似于生物系统特征的一门科学。随着人类科学技术的进步，军事仿生学的研究 范围越来越广泛，已经渗透到与军事相关的各个领域，只要生物界具有的优异之处而军事装备上又很需要的，都值得军事研究人员去揣摩、模仿。

仿生设计在军事上的成功应用有很多例子。如猫的眼睛与夜视仪。漆黑的夜晚，猫能清楚地观察老鼠的一举一动并敏捷地抓住它，其原因在于猫眼的视网膜上具有圆 锥细胞和圆柱细胞，圆锥细胞能感受白昼普通光的光强和颜色，圆柱细胞能感受夜间的光觉。一般只能在白天活动的动物如鸟、鸡等，它们的视网膜中常常只有圆锥 细胞；而另一些只能在夜间活动的动物如猫头鹰，其视网膜上只有圆柱细胞。此外，猫眼还有一个特点，在它感受弱光时，瞳孔能够随着光的不同强度而自动调整。所以，阳光很强时，你会看到猫眯着它的双眼，瞳孔已缩小成直线般的细缝，保证只让少量的光线进入瞳孔内。而在光线十分微弱的晚上，瞳孔又能放大呈圆形，以 便保证在黑暗中也能看清楚各种物体。军事科学家们便模仿猫眼的奥妙研制出了大有用处的微光夜视仪。这就是军事仿生学。世界上有许多军事发明，也都是科学家在探 索动物奥秘中得到启迪而设计、发明的。例如：蝴蝶与卫星控温系统。位于太空的人造地球卫星，在受到阳光的强烈照射时，卫星表面温度会高达2000度；而在 阴影区域，卫星表面温度会下降至零下200℃左右，很容易烤坏或冻坏各种仪器仪表，这曾使航天科学家伤透了脑筋。后来，科学工作者从蝴蝶身上受到启迪，原 来在蝴蝶体表生长着一层细小的鳞片，有着调节体温的作用。每当阳光直射、气温上升时鳞片自动张开，以调整阳光照射的角度，从而减少对热能的吸收；而当外界气温下降时，鳞片自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把温度控制在正常范围内。科学家为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。

仿生设计在军事上的成功应用，推动了军事科技的发展。在当今信息时代，人们对设计的要求和过去不同，既注意功能的优良特性，又追求形态的清新、淳朴，同时注重个性[3]。而仿生设计本身就是人们在长期向大自然学习的过程中，经过积累经验，选择和改进其功能、形态，从而来创造更优良的人造物。所以，运用仿生性思维进行军事方面设计，不仅创造功能完备、结构精巧、用材合理、美妙绝伦的军事化及军需化物品，而且以生命的象征，让设计回归自然，增进人类与自然和谐统一。

仿生设计在军事上的应用有着巨大的潜力和发展前景，随着科学的高速发展和人们对自然界认识的不断提高，将会有更多的仿生发明应用于军事科技领域。两个领 域的结合将使军事研究向着更为科学和完美的方向发展，为军事研究开辟新的空间；同时，仿生设计也拥有了更广泛的用武之地，为其自身进一步发展壮大奠定了基础。

3.2仿生学在新能源上的应用

2008年8月Angewandte Chemie杂志报道了澳大利亚莫纳什大学的利昂·斯皮西亚、罗宾·布里姆布来可比和安妮特·可罗，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的格哈德·斯伟格斯和美国普林斯顿大学的查尔斯·迪斯莫克斯共同开发了由一层涂层和维持植物光合作用的基本化学物质——锰组成的系统。该系统可模拟植物的光合作用，为利用阳光将水分解成氢和氧开辟了一条新途径。此项技术突破有望革新制氢工艺，从而利用太阳光大规模生产清洁的绿色能源——氢气。光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是赖以生存的关键，而在面临能源和环境瓶颈的今天，这一过程中的能量转换也为人类提供了极其重要的启示。由于自然光谱的吸收率等原因，光合作用在多数植物中效率非常低，通常均低于0.5%。在人工设计的系统中，研发人员借鉴其光反应与电子传递的机制，并提高通量转化的效率，使其适于太阳能的转化利用。事实上，在上述模拟光合作用的研究取得突破前，微生物制氢的已经成为了研究热点。自然界已发现有类似甲烷菌的制氢菌，但其菌种繁育不如甲烷菌那样简单。若能建立合适的菌种群落，制造氢气也会像制造沼气一样得到大规模应用。

模拟光合作用制氢或者微生物制氢过程正是仿生学“向自然学习”的思想典型。20世纪40年代以来，工程技术领域中出现了调节理论，人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比，认识到二者包含自动调节系统。此后，科学研究和生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来，成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁，奠定了生物与机器在控制与通信方面进行类比的科学理论基础。之后，斯蒂尔提出了仿生学的研究理念。自上个世纪末以来，人们认识到大约35亿年的生命演化与协同进化过程优化了生物体宏观与微观结构，形态与功能具有无可比拟的优越性，仿生学也因此显示出巨大的生命力。

从研究模式上看，仿生学作为模仿生物建造技术装置的科学，是一门新兴的边缘科学，研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和设备，创造新技术。模拟光合作用制氢过程的例子很好地诠释了这一点。在植物的光合作用中，锰参与几种酶系统。由于锰 可以在正二价和正四价两种化合价之间转换，所以主要在氧化还原和电子转移中发挥作用。这一思想为斯皮西亚等人的研究提供了启发。他们在确定锰簇是植物利用水、二氧化碳和阳光制造碳水化合物和氧气的中心枢纽后，开发出这种人造锰簇，并利用这些分子的能力将水分解成氢和氧。研究者将一层质子导体――Nafion薄膜覆盖在一个电极上，形成一层仅几微米厚的聚合体膜，这层聚合体膜充当锰簇的载体。锰在正常情况下不溶解于水，但可以和Nafion薄膜小孔中的催化剂结合，形成不易分解的稳定结构，当水到达此催化剂时，在阳光的照射下便发生氧化反应。

在能源和环境领域，这一技术显示了仿生技术的巨大应用潜力和价值。初步测试表明，此催化剂连续使用3天之后还有活性，由此分解出来的氢气和氧气可以在燃料电池中结合成水，产生电力供住宅和电动车全天24小时使用，且不排放碳而是排放水。虽然此系统的效率还有待提高，但研究者可以不断地从自然界中学习，使之更为高效，从而使氢这一能效高且没有碳排放的绿色清洁能源为未来社会所用。

生物体的电子传递过程在能源仿生技术上的另一重点研究领域是生物发光。生物发光和光合作用都是“电子传递”现象，而从某个角度上看，生物发光可以看作是光合作用的逆反应。光合作用是绿色植物吸取环境中的二氧化碳和水分，在叶绿体中，利用太阳光能合成碳水化合物，同时放出氧气。光能从水分子上释放电子，并把电子加到二氧化碳上，产生碳水化合物，这是一个还原过程。光合作用把光能转变成化学能，而生物发光是电子从荧光素分子上脱下来和氧化合，形成水，产生光。生物发光是将化学能转变成光能。生物光作为冷光源，具有效能高、效率大、不发热、不产生其它辐射、不会燃烧、不产生磁场等特点，对于手术室、实验室、易燃物品库房、矿井以及水下作业等，都是一种安全可靠的理想照明光源。通过模仿发光生物把一种形式的能量转换成另一种形式的能量，制造冷光板使其不需要复杂的电路和电力，就能白天吸收太阳光，晚上再将光能释放。人们先是从发光生物中分离出纯荧光素，后来又分离出荧光酶。现在已能人工合成荧光素，这就使人类模仿生物发光，创造一种新的高效光源——冷光源成为可能。然而，人们对于萤火虫等发光机制的研究仍然有待深入。如果将光合作用和生物发光机制在仿生学框架下同时加以研究，就有可能在能量利用的电子传递现象中取得进展，从而实现能源利用更为巨大的进步。

从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力，在能源技术上的应用潜力也极其巨大，有助于破解人们所面临的能源瓶颈问题，同时解决石化能源等所带来的环境问题。

3.3仿生学在医学的应用

医学仿生学包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外，还在研究建筑仿生、农业仿生等。美国科学家宣布，他们将活细胞和硅化电路相结合，创造出他们表示可使医学技术革命化的“仿生学晶片”。伯克利的加州大学研究人员宣布，他们成功地把人类的组织细胞装置在电脑晶片的小室内。带领这项研究的一位教授鲁宾斯基说：“这是以硅为基本成份的晶片，跟任何电脑或电子装置使用的晶片类同。我相信它是真正的仿生学晶片。” 研究人员表示，这是人类活细胞首次被电脑讯号控制。科学家透过指挥微小的装置打开或关闭细胞，希望有一天能命令癌细胞自行打开，容许有害的力量侵入，从而自我毁灭。

医学仿生学——已制成的有原子动力心脏，人工肾，能做出六个基本动作的假手，仿生学是一门综合科学，需要生物学、生理学、心理学、生物物理学、生物化学、控制论、数学、电子学、通讯、航空、航海、医学等等许多科学工作者进行合作，去解决各自需要解决的问题。仿生学是一门新生的科学，前途广阔，不久的将来将在生产、生活各个领域里得到广泛的应用。目前医学仿生学研究的重点是“感觉器官的模拟”、“神经元和神经网络的模拟”。在仿生高分子，我认为比较具有前沿研究的，一个是在医用材料里面，比如说仿生骨的研究，已经很多进入临床状态，四川大学李玉宝教授做的仿生的羟基磷酸钙人造骨，作为脊椎骨治疗腰椎盘突出取得比较好的成绩。仿生医学的研究对解决目前器官供需的严重不平衡应该有所帮助。4.结束语

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”，道出了自然界是蕴含着无尽设计宝藏的天机。在现今科学 技术飞速发展的时代，学习和利用生物系统的优异结构和奇妙的功能，已经成为技术革新和技术革命的一个新方向。未来仿生“电子眼”、仿生“电子神经系统”的诞生，将是仿生学划时代的贡献。所有这些都预示着仿生科技前途似锦，而且仿生科技的探索永无止境。

另一方面，大自然向人类展示着精妙绝伦的生命形态和绚丽多姿的悦人色彩，同时，大自然还无声地阐释了自然界的生存哲学——和谐与共生。这种和谐的设计哲学呼吁人类社会与大自然之间的高度和谐统一，共生的设计哲学则呼吁着人与机器、生态自然与人造自然之间合理的建构。因此，设计师要学会师法自然的仿生性设计思维，创造人、自然、机器和谐共生的对话平台[4]。仿生设计的应用有着巨大的潜力和发展前景，随着科学的高速发展和人们对自然界认识的不断提高，将会有更多的仿生发明应用科技领域。参考文献

[1]于帆，陈嬿.仿生造型设计.华中科技大学出版社，2005.[2]智一君惕.仿生学与现代化.湖南教育出版社，1985.[3]王建成.简明军事科技发展史.国防工业出版社，2005.[4]许书民.设计概论.上海科学普及出版社，2005.

第四篇：仿生学论文：浅谈昆虫与仿生学

结课论文

作者： 学号： 学院： 专业： TEL： EMAIL: 指导老师： 题目：浅谈昆虫与仿生学

浅谈昆虫与仿生学

xxx（华南农业大学经济管理学院xxx，2xxxxx）

摘 要：在生物界中昆虫经历了长期的进化过程，发展出了许多与其所处生存环境相适应的器官系统，它们结构独特、功能奇异，因此，昆虫一直是仿生中最重要的对象之一。本文就昆虫仿生的仅展及热点，如：昆虫的形态仿生、结构仿生、感觉器官仿生、运动功能的仿生及其他特异能力的仿生进行介绍。

关键词：昆虫，仿生，功能

仿生学(bionics)是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。无论是在初期抑或是现在，仿生学主要以昆虫为对象的仿生研究一直是国内外的研究热点。目前,有关昆虫仿生研究的主要方向有：昆虫的形态仿生、结构和功能的仿生、感觉器官的仿生、运动功能的仿生及其他特异能力的仿生等。[1]

一、昆虫形态的仿生

昆虫形态千差万别。形态仿生是早期仿生的主要内容，主要应用于军事和航空航天领域，例如：模仿蝴蝶色彩和花纹的军事伪装设施；模仿蜻蜒翅膀上的翅痣在飞机的两翼加上平衡重锤，解决飞机因高速飞行而引起振动的棘手问题；模仿蝴蝶翅面上的鳞片随阳光照射方向自动变换角度而调节体温的原理，成功实现对人造卫星由于位置不断变化而引起温度骤然变化的控制。另外，一些昆虫巢穴的形态结构也是仿生研究的内容。在一些大型建筑中，经常模仿蜜蜂巢穴的六角形的架构设计，使建筑物具有高强度力学支撑结构，既坚固、美观，又节省建材。

二、昆虫结构与功能的仿生

由于生存环境的关系，一些昆虫在进化过程中形成了非常独特的体表微细结构，这些结构为仿生学家所关注。例如：大凤蝶的翅膀颜色是黄、蓝色，但看起来却是闪闪发光的绿色。原因乃是布满在翅膀上的微型小坑对光线的反射，人眼无法将从坑底反射的黄色光与周围两次反射的兰色光区分开来，从而感觉到的是绿色。研究如何模仿蝴蝶翅膀表面细微结构开发新型防伪技术(如防伪纸币或信用卡)已成为该领域重要的课题。

另外，人们注意到一些甲虫的体表很少黏附土壤(尽管它们常年生活在土壤和粪堆中)。坦克的履带和汽车的轮胎以及其他地面作业机械容易黏附泥土，既降低功效又缩短使用寿命。通过研究土壤昆虫(如蜣螂)的体表微观构造，发现体表的非光滑结构、体液和负性电位有利于减黏脱附，利用这些特性，进行仿生研究，解决地面机械的土壤黏附问题,开发出对土壤的黏附大为减少的仿生犁和仿生推土机铲等。[2]

三、昆虫感觉器官的仿生

在嗅觉方面，很多昆虫具有高度灵敏的嗅觉。昆虫触角上分布有不同类型的嗅觉感受器，感受器的类型不同决定了昆虫对不同化学物质的分辨率。不同的昆虫嗅觉灵敏度有差异,触角的结构以及相应的传导网络是其重要的决定因素。除了高灵敏度以外，昆虫的嗅觉感受器还具有高分辨率和高度特异性的特点。目前，各国都在加紧研制实用的仿昆虫触角的嗅觉感受器检测装置。有的直接将昆虫触角与场效应管相连组成气味物质检测系统；有的则仿昆虫嗅觉感受器排列组合研制复传感器(传感器阵列)。德国和法国科学家研究嗅觉感受器并将其用于机器人的嗅觉导航系统。美国加州大学圣地亚哥分校的的研究人员则通过研究蝗虫触角叶接收气味信号的特点，提出一种新的网络模型，其核心是神经元网络之间可以相互连接形成一个系统而使他们能识别比传统网络更多的信号。

就听觉系统而言，声源定位能力是最显著的属性之一，对有些昆虫来说，这种能力是生死攸关的。例如，昆虫(蛾类)“反捕猎”行为，可以聪明地闪避蝙蝠的追捕；神经解剖学研究表明，昆虫(蛾类)鼓膜耳仅有2个听觉感受器细胞，但能非常灵敏地侦听出蝙蝠的超声信号。因此，模仿昆虫听觉结构，研究其对声发射、接收、听信息加工及运动调控的感觉神经生物学与神经行为学原理，可望开发先进的“反声纳”装置。[3]

在视觉方面，尽管昆虫复眼结构简单，但其功能却是人和哺乳动物的单眼所不及。例如：螳螂能在0105s内一跃而起，吞下飞行中的小虫。在如此短的时间内，它需要准确测出小虫大小、飞行方向和速度，而螳螂仅靠其1对大复眼和颈部的一个本体感受器即可实现。此外,昆虫复眼还能感知偏振光、紫外光等。根据这些现象和原理，已经进行了很多成功的仿生应用，如：一次可拍摄1329张照片的蝇眼照相机；仿昆虫复眼的先进的相控阵雷达；仿昆虫复眼研制成功的空对地速度计以及偏振光导航仪。实际上，昆虫的复眼本身是一个精巧的导航控制系统，根据多年的研究发现，昆虫(特别是家蝇)具有快速、准确地处理视觉信息的能力，能实时计算出前面飞行物的方位与速度，同时发出指令控制并校正自己的飞行方向和速度，以便跟踪和拦截目标。对昆虫复眼这一定向导航系统的研究已得到广泛重视。目前，各国都在加紧昆虫视觉仿生研究，试图模仿昆虫复眼成像机理以及昆虫视觉信息处理过程，研制新型靶标自动制导系统。

在昆虫感觉器官仿生(尤其是视觉仿生)方面，国内外都给予了高度关注，目前有2个热点：一是试图研制出对化学物质高度敏感的探测仪器；二是研究昆虫复眼电子模型以及听觉和嗅觉感受器电子模型，并将昆虫的这类特异的感觉原理用于机器人导航系统，以提高机器人的自主功能水平。

四、昆虫运动功能的仿生

昆虫的运动功能奇特，形式多样，有的蠕动、有的跳动、有的飞行。昆虫独特的飞行机制一直为仿生学家所关注，如：昆虫的翅与飞行、昆虫飞行过程中的信号接收与传递、昆虫的神经组织结构及控制机理等。

上世纪末,人们提出了微型飞行器(microairvehicle,MAV)概念[4]。“微型机械飞行虫”(micromechanicalflyingInsect,MFI)或“虫型飞机”(entomopter)就是MAV的一种。由于其体积小,有很好的隐蔽性和机动性，最适于在室内或野外小范围内进行侦察;也可以攻击载人飞行器及其它目标。将MFI用于气象数据收集、环境研究等方面，可大大减少费用。美国NASA甚至计划10年后将虫型飞机用于火星探测。MFI的发展，在未来国家安全和国家经济建设等方面将起至关重要的作用，正在世界范围内引起极大的关注。美国国防部国防高级研究计划署(DARPA)从1992年就开始这种飞行器的论证工作，1995年组建了可行性研究小组，1997年拨款3500万美元制订一个为期4年的研制计划，开展了一系列的研究，近年来取得重要进展。然而，对于MFI或“虫型飞机”的研究，若采用传统的气动布局和飞行方式，可能会产生升力不足、稳定性差和控制困难等一系列问题。而微小昆虫则是大自然创造的“微型飞行器”，经过上亿年的进化和环境适应，在形态、运动方式以及利用“新型”空气动力学原理等方面,达到了近乎完美的程度。这是各国发展MFI技术加以仿生借鉴的核心。实际上,昆虫飞行功能研究(尤其是MFI研究)已经成为昆虫仿生领域最热烈的前沿方向之一。[5]

除了虫型飞机外，昆虫运动功能仿生的另一个方向是制造虫型机器人，模仿昆虫在陆地行走的腿足部结构和运动原理，研制具有昆虫足样行走能力的机器人或虫样蠕动的微型机车。这类机器人可被用于行进到崎岖不平的山路或其它非平坦地带(如：地震后墙壁倒塌的废墟中)执行特殊的任务。

五、昆虫其他特异能力的仿生

昆虫的独特自卫武器的仿生：有些甲虫在遇到敌害自卫时可喷出致命液体。美国军事专家受甲虫喷射原理的启发研制出了先进的二元化武器。另外，一些发达国家正在利用这种甲虫自卫武器原理研制二元化汽油：2个油箱分储不能独立燃烧的汽油中间体，进入发动机前才混合。或将普通汽油混入某种流体，进入发动机前再用特殊装置将其分离还原成普通汽油。

昆虫发光的仿生：一些昆虫(如：萤火虫)可将化学能直接转变成光能,，且转化效率几乎100%，而普通电灯的发光效率只有6%。模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源使发光效率提高十几倍，大大节约了能量。此外，冷光源无论在军事上还是民用上都具有非常广阔的用途。仿昆虫化学能转换为电能和机械能也是昆虫特异能力仿生的一个重要方向，这在虫型飞机的能量供应上有非常重要的用途。

昆虫群体协作性的仿生：一些社会性昆虫，如：蚂蚁、蜜蜂等具有其特有的社会群体协作性，研究它们的这些群体习性，有的提出所谓“蚂蚁算法”,有的将其原理用于研究MAV和多个机器人之间的协同工作。

综上所述，昆虫种群庞大、种类多样、外形迥异、功能奇特，是极其重要的仿生资源。目前，国际上昆虫仿生的热点主要集中在仿昆虫飞行器研制虫型机器人或虫型飞机、仿昆虫触角感受器开发生物传感器、仿昆虫视觉及其控制机理进行机器人导航、仿昆虫表面微结构研制新型脱黏附和防伪技术、仿昆虫感觉系统研制声纳Π反声纳装置等。我国在这些方面虽然都有所涉及，但尚不够深入，整体水平也有待提高。今后需要大力开展昆虫仿生资源研究，面对数以百万计的昆虫种类及其复杂精妙的结构，昆虫仿生必然有所选择，常见的昆虫易被作为仿生对象，但不太常见功能更为奇特的昆虫(如：在极端环境下生活的昆虫)更是值得开发的资源。与此同时,要进一步开拓仿生研究的新领域，尤其要注重昆虫特异能力(如：特异的感觉能力、信息处理能力)的仿生。只有通过多学科的交叉，结合现代生物学、工程学、微电子学等学科的研究技术和方法，加强对昆虫器官组织和细胞的生物学特性、功能及其机理的基础研究，深入理解昆虫各器官系统的生理学、生物化学、生物信息学等生物过程及其相关功能，才能在比较高的层次上更加有效地进行昆虫仿生。

参考文献：

[1]仿生学-百度百科http://baike.baidu.com/view/803.htm [2]程红,孙久荣,李建桥,任露泉.昆虫学报,2002,45(2):175～181 [3]肖占中.世界军事,1996,(11):64.[4]微型飞行器:像昆虫那样飞,辽宁日报,刘洪宇,2011-01-14 [5]微型飞行器-百度百科 http://baike.baidu.com/view/263652.htm

第五篇：绪论 探索生物的奥秘

绪论 探索生物的奥秘

教学目标

知识目标

1.使学生初步了解生物，生物与人类的关系，有关生物学的科学成就。

2.使学生初步了解生物学的内容和学习生物学的意义

3.了解学习生物学的基本方法。

能力目标

1.通过观察图片或实物，对比生物与非生物的区别，培养学生的观察、对比、判断、归纳的思维能力。

2.通过学生分组讨论，向全班同学介绍生物科学的发展及巨大成就，培养学生收集资料的能力及语言表达能力和思维能力。

情感目标

1.通过介绍我国生物科学研究的成就，启发学生的求知欲和建设祖国的责任感，并使之成为学生学习生物学的动力。

2.通过学习科学研究的基本方法，提高学生们的科学素质。

3.通过学生活动,促进新同学相识，培养协作精神。

教学建议

知识体系图解 教材分析

这一节是全册教材的绪论课，分别讲述为什么要学习生物科学知识，初中生物课的内容和学习方法两部分内容，使学生对生物学有一个初步的认识。生物是义务教育初中阶段必修的一门基础科学，也是初一学生进入中学阶段接触的第一门实验科学。这一节课也是整个中学阶段学习生物知识的绪论课，将直

接影响学生在今后对生物科学知识的学习。

教法建议

通过生物教学，除了要使学生了解并获得生物学基础知识外；还要对学生进行思想教育，形成基本的生物学观点；培养学生的能力和发展智力；并掌握一定的科学方法、生物学技能，以适应社会发展的需要。

要完成上述任务，必须通过认真学习生物学的重要意义，去激发学生对生物科学的求知欲和学习兴趣。教师要极为重视这一节课的教学，精心准备、组织安排好，这将对激发学习兴趣起着决定性作用，也为学生今后积极主动地以科学的方法去学好生物学打下良好的基础。因此对本节课的教学作如下建议：

1．结合生物学教学特点，从学生升入中学开始，就激发他们对生物学的学习兴趣。具体做法是：

（1）提前布置学生收集有关生物的照片、图片，课前进行展示，激发学

生学习生物的兴趣。

（2）课上，让学生介绍他们身边生物的趣闻。

2．对于生物学研究的主要内容，学习生物学的意义和学习生物学的基本方法，教师可以组织学生讨论，在学生发表个人见解或小组意见的基础上用学生的话加以归纳。教师在讨论中注意引导学生从自己周围的生物现象入手，从生活实例入手，可以使生物课密切联系实际。教师还要引导学生将兴趣向探究规律及原理方面发展。

3．学习生物学的意义，可以让学生列举自己从报刊、杂志、广播等各种传媒中获得的信息，特别是与学生的生活实际相联系的事例，加以说明。以感受生物学的地位和作用。

4．教材中有些内容在一个课时内完不成，有的可以让学生自己阅读，有的可以贯穿在以后的教学过程中。

教学设计方案

课题：探索生物的奥秘

重点：为什么要学习生物科学知识？（生物与人类的关系）

难点：学会一些科学研究的基本方法，尤其是要了解实验法的基本步骤。

教育过程：

引言：（从学生展示的生物图片作为切入点）大家展示了这么丰富多彩的的生物图片，可见，生物是与我们的生活是息息相关的。我们生活中的衣、食、住、行都离不开生物，同时，生物科学的知识也是日新月异，趣味无穷。

（可采取学生分组讨论的形式，并明确各组讨论的主题）

（一）为什么要学习生物科学知识？

1．什么是生物，它具有哪些特征？

(通过讨论方式，师生一起总结出科学的结论)

自然界中，凡是有生命的物体都叫生物。

同学们列举身边的生物，并说出生物与非生物的区别。

2．生物学的发展史。

补充资料：

近代生物学发展史上的几件大事：

①17世纪文艺复兴时期，英国医生哈维开创了近代实验生物学,建立了血液循环学说。

②18世纪瑞典植物学家林奈于1735年出版了《自然系统》一书，建立了新的动物、植物的分类系统，创立了生物命名法——双名法。

③1665年美国物理学家虎克用其自制的显微镜，发现了软木薄片的细胞壁，从而发现了细胞，将人们对生物的认识引入到细胞这个微观领域中。

④1683年荷兰人列文虎克用其自制的显微镜观察污水、牙垢等，发现了细菌和原生动物，成为微生物学的创始人。

⑤19世纪30年代德国植物学家施莱登和动物学家施旺创立了细胞学说。

⑥ 1859年英国博物学家达尔文出版了《物种起源》这一名著，提出了生物进化理论。

⑦ 1865年奥地利人孟德尔经过8年的豌豆杂交实验，发表了题为《植物杂交实验》的论文，提出了两个遗传的基本规律。

当代生物学的重大成果和发展趋势：

①DNA的双螺旋结构。

1953年4月，美国的沃森和英国的克里克公布了他们在前人工作的基础上的研究结果，建立了DNA双螺旋结构模型。

②人类基因组的研究。

科学家估计，人类约有10万个基因，编码序列约为1亿个碱基对。人体基因DNA全序列分析，即基因组研究。研究内容是：分析测定30亿个核苷酸的排列顺序，破译每个核苷酸序列中包含的遗传信息，搞清每个遗传信息的生物学功能。世界上已有一些国家先后立项

对此进行研究，我国也将人体基因组的研究列入国家研究项目。科学家预测，人类基因组研究有巨大的理论意义和应用价值，将是生物学发展史上的又一个里程碑。

③生态学的研究。

生态学是生物学中古老的分支学科。生态学创立于1869年，是德国进化论者海克尔创立的。本世纪30年代，生态学初具规模。50年代以后，数学被引入生态学的研究，生态学发展为定量的科学，近几十年来，人口剧增、粮食短缺、环境恶化、资源危机，困扰人类的重大问题都离不开生态学的研究，生态学则显得越来越重要了。1998年我国长江发生特大水灾，损失巨大，更加引起我国对生态学研究的重视。

3．生活和生产实践中需要生物学知识。（讨论）

4．我国在生物研究科学中取得的成就。（参考课本）

5．世界面临的重大问题与生物科

学的密切关系。（粮食、人口、污染、资源）

（二）初中生物课的内容和学习方法

1．生物课的内容(这一部分内容可由学生通过图片、影像资料介绍)

2．什么是观察法？

3．什么是调查法？（直接调查和间接调查）

4．什么是实验法？它的基本步骤有哪些？

（发现问题、提出假设、通过实验验证假设、得出结论）

（三）教师总结

手段：以学生讨论为主

设计思想

本节课是绪论课，是学生共同学习的开始，所以注意创设良好的学习氛围，鼓励学生积极参与。这一课是以课小学生收集资料，课上学生讨论为主线，再加以老师画龙点睛的总结，采用设题――分组讨论—－代表发言—－教师

总结的模式。

板书设计：

探索生物的奥秘

一、为什么要学习生物科学知识？

1．什么是生物，它具有哪些特征？

2．生物学的发展史。

3．生活和生产实践中需要生物学知识。

4．我国在生物研究科学中取得的成就。

5．世界面临的重大问题与生物科学的密切关系。

二、初中生物课的内容和学习方法

1．生物课的内容

2．什么是观察法？

3．什么是调查法？

什么是实验法？它的基本步骤有哪些？ 探究活动

观察光对鼠妇生活的影响

如果你翻动花园、庭院中的花盆或石块。，常常会看到一些身体略扁、长椭圆形、灰褐色或黑色的小动物在爬动，这就是鼠妇又叫潮虫。当你搬开花盆或石块，鼠妇很快就爬走了。为什么呢？是因为环境变明亮了吗？

提出问题

光会影响鼠妇的生活吗

作出假设

鼠妇适于生活在阴暗的环境中，光会影响鼠妇的生活。

作出假设的依据是：在花盆、石块下等阴暗的地方看到了鼠妇，而在明亮的地方没有看到。当把花盆、石块搬开后，鼠妇很快就爬走了。

制定计划

这个假设是否正确呢？你也可能会说，把花盆搬开后鼠妇爬走，不一定是光的影响，因为搬动花盆本身就是对鼠妇的外来刺激。看来要检验假设是否正确，还需要通过实验进行探究。

材料用具：每个小组10只鼠妇，湿土，铁盘（或塑料盘、纸盒），纸板，玻璃板。

实验装置：在铁盘内放上一层湿土，以横轴中线为界，一侧盖上纸板，另一侧盖上玻璃板。这样在盘内就形成了阴暗和明亮两种环境。

方法步骤：

1．全班分成6－8个小组进行实验。

2．将鼠妇放入实验装置，两侧的中央放同样数目的鼠妇,静置2分钟。

3．每分钟统计一次明亮处和阴暗处的鼠妇数目,统计10次。

实施计划

按照上述实验方案做实验。实验过程中要仔细观察，认真记录。你可以设计一个与下表类似的表格；记录实验数据。

不同时间、不同环境下的鼠妇 [1] [2] 下一页