校本课程仿生学.docx
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校本课程仿生学
生物校本课程系列
仿生学与生物武器
浙江省衢州第一中学生物组
2004年12月
学校名称:
浙江省衢州第一中学
课程名称:
仿生学与生物武器
课程类型:
拓展型
适用年级:
高一、高二年级
课程实施者:
王海芳
课程目标:
1.从学生的兴趣爱好出发,开发适合学生水平,符合学生特点的拓展型校本课程。
2.通过介绍仿生学的概念、仿生之源和仿生学的实际应用及发展趋势,激发学生学习生物、探索生命科学奥秘的兴趣。
并在学习过程中用发展的眼光看待问题、分析问题,不墨守陈规,不拘泥于原有知识的限制而用于开拓,推陈出新。
3.通过介绍生物武器的相关知识,使学生了解生物武器的特点和使用历史,激发学生的爱国主义精神,培养学生居安思危的忧患意识。
课时安排:
每周2课时
课程实施:
一、教学组织形式:
小班化教学。
二、实施步骤:
本课程分为两个单元。
第一单元:
仿生学
第二单元:
生物武器
三、评估方法
1.书面测试。
试题要努力创设引起学生兴趣和联系实际的情景,加强试题的综合性、探究性和开放性。
本部分占总成绩的70%。
2.出勤率和课堂参与态度占总成绩的30%。
I仿生学
自古以来,用莲花的“出污泥而不染”来形容圣洁。
那么,是莲花真有一颗明净的心?
还是在莲花身上有着不为人知的秘密?
让仿生学来告诉你,只要你有和莲花一样的“肌肤”,你一样可以“出污泥而不染”,冰清玉洁……
第一节、怎样仿生
一、仿生的概念
仿生学是近期发展起来的生物学和技术学相结合的交叉学科。
仿生的英文名字是Bionics。
人们发现,一些关于植物和动物的相类似的功能,实际上是超越了人类自身的在此方面的技术设计方案的。
植物和动物在几百万年的自然进化当中不仅完全适应自然而且其程度接近完美。
仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。
这个思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁,并且对解决技术难题提供了帮助。
通过再现生物学的原理,人类不仅找到了技术上的解决方案,而且同时该方案也完全适应了自然的需要。
仿生学的目的就是分析生物过程和结构以及它们的分析用于未来的设计。
仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。
人类所从事的技术就是使得达到最优化和互相间的协调。
而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好机会。
在我们人类的技术世界中模拟自然中的东西并不是一个新鲜的思想,自从传说中的Ikarus带着用鸟的羽毛做成的翅膀飞向空中,而最后因为太阳的热度掉到地上起,人类一直就沉迷于此。
那么仿生学的确切定义是什么呢?
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。
它涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域。
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。
二、仿生的发明史
达芬奇(LeonardodaVinci,意大利文艺复兴时期的伟大画家、雕刻家和建筑学家)被认为是现代仿生学之父。
在大约公元1500年,在鸟翅模型之后,他画了一系列的无法实现的飞行设备草图。
大约400年之后,奥托(OttoLilienthal)成功了,他根据鹳的翅膀制造的滑翔机成功的在Brandenburger村飞行了250米,而且他也取得了“滑翔机之父”的称号。
直到上个世纪中期,有许多研究者都在不断尝试把自然界的形态和规则用于技术上。
但是,仅仅在60年代初一种科学的综合分类学科才由它产生。
植物学家WilliamBarthlott和他的同事NestaEhler在70年代中期发现纯粹的自清洁效应,也被叫做“莲花效应(Lotuseffect)”。
他们把一批多样的植物叶片放在一个特殊的显微镜下时,开始并没有什么特殊的发现。
这两个科学家的研究围绕着这样一个问题:
能否根据叶子表面纹理的不同来检测这组植物中扭曲的茎。
植物学的例行任务,就是在每一个研究之前观察某些植物时先要把植物清洗干净,这是研究者们不用思考而首先要做的。
但是很快生物学家就发现一个非常荒谬的现象:
就是只有那些表面很光滑的叶子才需要清洗,而其它的那些表面在显微镜下看起来很粗糙的叶子反而是干净的。
对他们来说更值得注意的是:
某些特殊的叶子甚至可以完全抵制水。
在那时,很清楚地是自清洁效果是和可润湿性相联系的。
这种效果特别明显得表现在莲属坚果莲中:
从显微镜下看发现莲叶子上有小的茸毛和小的蜡质覆盖在叶子上,水滴下来就象从热的炉盘上滴下来一样。
Barthlott解释说:
在光滑表面,水会在污垢上蔓延。
在粗糙表面,水滴粘不牢,形成球状,在可以到达的污垢粒子上滚动并且带着污垢粒子滚动。
1977年,生物学家们在一段短的旁注中描述了这种现象。
看起来这段旁注是很琐碎的,只是为了引起更多的注意。
仅仅在1989年,WilliamBarthlott,其时正在波恩大学做教授,重新注意到了这个旧的发现并和他的研究生ChristophNeinhuis一起详细的研究了这个现象。
这两个人不仅成功的破译了“莲花效应”对生物学的意义,而且同时把它的不被脏物污染的原理应用于人造表面。
1996年Barthlott和Neinhuis用一个带有新衣料的白盘子实现了他们的程序,同时注册了专利。
他们在一个白盘子上撒上煤灰和颜料的混合物并且滴上一些水。
很快,这个盘子就干净了。
作为对比,一个擦的特别亮的清漆膜也撒上煤灰盒颜料的混合物,但是即使在长时间的漂洗之后,煤灰仍然存在,而且还有另一个脏的灰层,对清漆膜来说,只用水是不能清洗干净的。
莲花效应的历史,从它的发现到应用,典型的来自于一个研究规则“技术学习自然”:
仿生学。
在如今对仿生学的理解普遍认为是“各种技术手段转化,建筑使用,规划步骤以及生物系统的设计哲学”的基础上。
世界著名的动物学家WernerNachtigall进一步简化了这个概念,他这样来概括仿生学的实质:
“把从自然界学来的知识作为对独立技术形式的建议”。
在几百万年的优化中接近完美的自然发明是化学家、机械师和建筑师所期望的研究对象。
三、仿生学的重要作用
车轮曾被认为是人类历史上最伟大的发明之一。
但是这仅仅是圆周的功劳,绕轴旋转,作为一种渐进运动,如此长久的影响了人类生活,这被认为是非自然的发明。
但是,这个发明真的使我们超越了自然吗?
只要看一看使用的那些车轮的应用范围就会发现答案是否定的。
车轮要求的是平滑而且没有障碍的路或者平滑的轨道,而对泥浆、砂土、冰和雪则是毫无用处的。
大自然设计了腿作为运动器官,而往往腿是比车轮更优越的。
而仿生学正是利用现代的科技手段来模仿自然造物的神奇手法。
因此,仿生学在科学领域中具有着特殊的重要意义。
小从模仿生物的形态,大到生物生理的机制,都可以作为人类模仿的对象。
仿生机器人研究了运动设备的方法论和控制论,例如,研究了昆虫的运动机制,使用这次实现去建造运动的机器。
蚱蜢有六条长腿。
可能将来的运动机器看起来就象一个庞大的昆虫。
蚱蜢需要很少的能量,而且保持了能量的均衡,它产生的废物完全进入了自然循环。
它们是完全无污染的并且比现在的机械产品更加经济。
四、仿生材料
最新科学研究指出,生物体都是由少数很简单的物质构成的,诸如糖、蛋白质和水之类。
生物体的不同部分,从柔韧的皮肤、肌肉、须毛,到坚硬的骨骼、鳞角、甲爪,材料性能如此多样、如此优异,关键在于从原子排列成分子、及从分子组合成纤维、晶体等“半成品”,在结构上的千差万别,就是这么几种很简单的“原材料”,由于结构的奇巧精致,形成了各种优越奇特的性能。
譬如鲍鱼的食物只是海水中的坐土,也就是碳化钙,而研究人员在电子显微镜下观察发现正是由于这一层层的碳化钙才使鲍鱼壳具有了极为坚硬的外壳。
极有规律排列的碳化钙靠化学键结合起来,决定了鲍鱼壳的坚硬性,而由于这层碳化钙能在有机蛋白质上滑动,所以鲍鱼外壳虽然硬但并不脆,很有韧性,能在变形变态之时也不破裂。
破解生物体构造的这些奥秘,最直接的目的就是研制新型的“仿生材料”。
研究人员模仿鲍鱼壳的微观结构,将铝分子充满在碳化硼分子之间,已初步研制成功新型的陶瓷材料,除了既坚硬又柔软以外,还可以感测并适应周围环境的变化,如果飞机机翼材料具有这种性能,遭到损害时能够感知并自行修复。
具有和生物机体相同弹性的材料,伸缩自如,能成功地用来制作人工动脉。
从上世纪90年代开始,美国就已经开始投入很大力量从事仿生材料研究工作,并已取得许多重要成果。
美国著名的杜邦化学工业公司的科学家,已经开发成功利用人造基因制备的具有蜘蛛丝特性(包括结构、强度、化学性能)的蛋白质分子。
他们取出蜘蛛的产丝腺体,查看他们制造蜘蛛丝的蛋白质代码,在破译的基础上制成人工合成基因。
将这种人造基因移植至酵母或细菌中,便生长出一种球状材料。
将这种蛋白质溶解在一种溶剂中,利用类似于蜘蛛吐丝的纺织技术制成纤维。
这种新型纤维比尼龙和现有其它产品强度都高,更具弹性和耐磨性,而且质量也很轻,所以在飞机、人造卫星等航空航天领域大有用武之地。
加拿大魁北克的科学家,将这种人工合成的蜘蛛蛋白质基因植入山羊的乳腺细胞中。
不久,基因被改变的山羊产出的奶中就含有蜘蛛丝的蛋白质了。
加拿大Nexia生物技术公司总裁杰夫特纳认为,这种蛋白质能够制造出轻得令人难以置信的织物,其强度可挡住子弹,还可降解,这种材料被称之为“生物钢”。
生物化学家们认为,“生物钢”有广阔的应用前景,它在任何方面都优于石油化工产品。
总之,破解生物体构成之谜,研制仿生材料的路还很漫长,目前人类只不过刚刚起步前行,但是仿生材料的前途似锦,却是绝无疑义的。
第二节仿生之源
一、莲花效应
刀刃的表面无法被水珠附着的事实已经被验证而且广为人知。
但是人们往往会忽视这样的表面同样很难被弄脏。
在一个光滑的表面上脏的颗粒只会随着水滴的滴落而移动,他们附着在水滴滚动时产生的粗糙表面上从而被洗刷下来。
这种关系只在最近才被注意到而且用实验得以证实。
因为在亚洲文化中被看作纯洁象征物的莲花的大型类似于盾牌形状的叶片上常常可以见到这种现象,所以人们把它成为“莲花效应”。
如果水滴滚过莲花的叶片,它们将卷起所有的灰尘微粒并将它们带离叶片。
这个“莲花效应”原理如此有效,以至于即使是在被“蹂躏”过的莲花叶片上依然无法使得水珠和灰尘微粒附着。
特殊的表面结构和产生蜡质的功能使得莲花的叶片几乎不受其他自然界现象的影响。
它与人类对自然界影响的反应很不相同,如对环境中化学物质的影响反应等等。
对于目前不得不广为使用的属于表面活性剂的化学物质来说,为了达到保持植物中有效营养成分的目的,它们被全世界的植物代理商广泛使用。
这些活性剂不仅破坏了蜡质晶体的完美结构,使得叶片容易被水润湿。
而且造成这样的后果:
就是植物上的脏物质将无法再被彻底清除,而在不理想的环境中,还将被孢子、真菌或者细菌这些可以感染植物的微生物所侵染。
莲花效应描绘了一个很有效的生物模型系统,用它可以来制作人工的防污表面,因为它基于一个纯物理化学的原理。
有许多的领域和方面需要这种应用,如衣料的外表面、房顶、自动喷漆器等等。
如果可以使得这些领域的自清洁功能得以实现,显然会带来很多好处,而且可以节省清洁花费的费用。
在工业合作中,目前正在努力将莲花效应转化成实际的技术应用。
虽然肯定还需要耗费一些时间,但是肯定迟早会有这种实用的产品走向市场。
二、昆虫与仿生学
昆虫个体小,种类和数量庞大,占现存动物的75%以上,遍布全世界。
它们有各自的生存绝技,有些技能连人类也自叹不如。
人们对自然资源的利用范围越来越广泛,特别是仿生学方面的任何成就,都来自生物的某种特性。
蝴蝶与仿生
五彩的蝴蝶锦色粲然,如重月纹凤蝶、褐脉金斑蝶等,尤其是萤光翼凤蝶,其后翅在阳光下时而金黄,时而翠绿,有时还由紫变蓝。
科学家通过对蝴蝶色彩的研究,为军事防御带来了极大的裨益。
在二战期间,德军包围了列宁格勒,企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。
苏联昆虫学家施万维奇根据当时人们对伪装缺乏认识的情况,提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发现的道理,在军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装。
因此,尽管德军费尽心机,但列宁格勒的军事基地仍安然无惹,为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。
根据同样的原理,后来人们还生产出了迷彩服,大大减少了战斗中的伤亡。
人造卫星在太空中由于位置的不断变化可引起温度骤然变化,有时温差可高达两、三XX,严重影响许多仪器的正常工作。
科学家们受蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变换角度而调节体温的启发,将人造卫星的控温系统制成了叶片正反两面辐射、散热能力相差很大的百叶窗样式,在每扇窗的转动位置安装有对温度敏感的金属丝,随温度变化可调节窗的开合,从而保持了人造卫星内部温度的恒定,解决了航天事业中的一大难题。
甲虫与仿生
屁步甲炮虫自卫时,可喷射出具有恶臭的高温液体“炮弹”,以迷惑、刺激和惊吓敌害。
科学家将其解剖后发现甲虫体内有3个小室,分别储有二元酚溶液、双氧水和生物酶。
二元酚和双氧水流到第三小室与生物酶混合发生化学反应,瞬间就成为100℃的毒液,并迅速射出。
这种原理目前已应用于军事技术中。
二战期间,德国纳粹为了战争的需要,据此机理制造出了一种功率极大且性能安全可靠的新型发动机,安装在飞航式导弹上,使之飞行速度加快,安全稳定,命中率提高,英国伦敦在受其轰炸时损失惨重。
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。
这种武器将两种或多种能产生毒剂的化学物质分装在两个隔开的容器中,炮弹发射后隔膜破裂,两种毒剂中间体在弹体飞行的8—10秒内混合并发生反应,在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌人。
它们易于生产、储存、运输,安全且不易失效。
萤火虫可将化学能直接转变成光能,且转化效率达100%,而普通电灯的发光效率只有6%。
人们模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源可将发光效率提高十几倍,大大节约了能量。
另外,根据甲虫的视动反应机制研制成功的空对地速度计已成功地应用于航空事业中。
蜻蜓与仿生
蜻蜒通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流,并利用气流产生的涡流来使自己上升。
蜻蜒能在很小的推力下翱翔,不但可向前飞行,还能向后和左右两侧飞行,其向前飞行速度可达72km/小时。
此外,蜻蜒的飞行行为简单,仅靠两对翅膀不停地拍打。
科学家据此结构基础研制成功了直升飞机。
飞机在高速飞行时,常会引起剧烈振动,甚至有时会折断机翼而引起飞机失事。
蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飞行时安然无恙,于是人们仿效蜻蜒在飞机的两翼加上了平衡重锤,解决了因高速飞行而引起振动这个令人棘手的问题。
为了研究滑翔飞行和碰撞的空气动力学以及其飞行的效率,一个四叶驱动,用远程水平仪控制的机动机翼(翅膀)模型被研制,并第一次在风洞内测试了各项飞行参数。
第二个模型试图安装一个以更快频率飞行的翅膀,达到每秒18次震动的速度。
有特色的是,这个模型采用了可变可调节前后两对机翼之间相差的装置。
研究的中心和长远目标,是要研究使用“翅膀”驱动的飞机表现,以及与传统的螺旋推动器驱动的飞机效率的比较等等。
苍蝇与仿生
家蝇的特别之处在于它的快速的飞行技术,这使得它很难被人类抓住。
即使在它的后面也很难接近它。
它设想到了每一种情况,非常小心,并能快速移动。
那么,它是怎么做到的呢?
昆虫学家研究发现,苍蝇的后翅退化成一对平衡棒。
当它飞行时,平衡棒以一定的频率进行机械振动,可以调节翅膀的运动方向,是保持苍蝇身体平衡的导航仪。
科学家据此原理研制成一代新型导航仪——振动陀螺仪,大大改进了飞机的飞行性能,可使飞机自动停止危险的滚翻飞行,在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡,即使是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失。
苍蝇的复眼包含4000个可独立成像的单眼,能看清几乎360。
范围内的物体。
在蝇眼的启示下,人们制成了由1329块小透镜组成的一次可拍1329张高分辨率照片的蝇眼照像机,在军事、医学、航空、航天上被广泛应用。
苍蝇的嗅觉特别灵敏并能对数十种气味进行快速分析且可立即作出反应。
科学家根据苍蝇嗅觉器官的结构,把各种化学反应转变成电脉冲的方式,制成了十分灵敏的小型气体分析仪,目前已广泛应用于宇宙飞船、潜艇和矿井等场所来检测气体成分,使科研、生产的安全系数更为准确、可靠。
蜂类与仿生
蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成,每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成,这些结构与近代数学家精确计算出来的——菱形钝角109°28’,锐角70°32’完全相同,是最节省材料的结构,且容量大、极坚固,令许多专家赞叹不止。
人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板,强度大、重量轻、不易传导声和热,是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。
蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方向十分敏感的偏振片,可利用太阳准确定位。
科学家据此原理研制成功了偏振光导航仪,早已广泛用于航海事业中。
其它昆虫与仿生
跳蚤的跳跃本领十分高强,航空专家对此进行了大量研究,英国一飞机制造公司从其垂直起跳的方式受到启发,成功制造出了一种几乎能垂直起落的鹞式飞机。
现代电视技术根据昆虫单复眼的构造特点,造出了大屏幕彩电,又可将一台台小彩电荧光屏组成一个大画面,且可在同一屏幕上任意位置框出某几个特定的小画面,既可播映相同的画面,又可播映不同的画面。
科学家根据昆虫复眼的结构特点研制成功的多孔径光学系统装置,更易于搜索到目标,已在国外一些重要武器系统中应用。
根据某些水生昆虫的组成复眼的单眼之间相互抑制的原理,制成的侧抑制电子模型,用于各类摄影系统,拍出的照片可增强图像边缘反差和突出轮廓,还可用来提高雷达的显示灵敏度,也可用于文字和图片识别系统的预处理工作。
美国利用昆虫复眼加工信息及定向导航原理,研制了具有很大实用价值的仿昆虫复眼寻的末制导导引头的工程模型。
日本利用昆虫形态及特性开发研制了六足机器人等工学机器和建筑物的新构造方式。
未来展望
昆虫在亿万年的进化过程中,随着环境的变迁而逐渐进化,都在不同程度地发展着各自的生存本领。
随着社会的发展,人们对昆虫的各种生命活动掌握得越来越多,越来越意识到昆虫对人类的重要性,再加上信息技术特别是计算机新一代生物电子技术在昆虫学上的应用,模拟昆虫的感应能力而研制的检测物质种类和浓度的生物传感器,参照昆虫神经结构开发的能够模仿大脑活动的计算机等等一系列的生物技术工程,将会由科学家的设想变为现实,并进入各个领域,昆虫将会为人类做出更大的贡献。
第三节实际应用
一、医学与仿生
仿生皮肤
每年有数以百万计的人被烧伤,治疗的方法中需要植皮,这是一个既漫长又容易受损的治疗过程,因为病人需要面对两大难题,一是没有合适的移植组织,二是生理上能否接受移植的皮肤。
医生从病人身上取得好些健全细胞,然后再在实验室将这些细胞进行大量繁殖,为了组成组织,提供一个这些细胞需要的架构来让它们繁殖,直至它们变成一个立体细胞。
整个的繁殖皮肤的过程,用了一种叫做透明质酸的物质。
透明质酸是在人类组织中可找着的一种多糖,尤其是在皮肤。
我们稍微改良它的化学成分,并改变它成为复杂的生物原料,这提供了一个理想的骨架,来激增“成织维细胞”,以产生新一代人造皮肤。
这种方法更可用来重建好像人类耳朵这样复杂的结构。
由于所提取的物质是来自本身皮肤的,所以绝对合乎自然的准则,从病人身体上抽出细胞,一经接种到骨架之上,便会认定它们既有的自然环境,并开始繁殖。
由一个只有一平方厘米大小的活组织检查样本,可以在两周内生殖出足够覆盖整个成人身体的皮肤,简直可以称为细胞工厂。
大致工作流程为:
1、首先要从病人身上取出皮肤样本,分割出真皮和表皮,并从中取出某些细胞放在实验室里进行繁殖;
2、稍后这些细胞便被放置到不同的支架之上,其中体积较厚和富有弹性的是从真皮中抽取出来的细胞,而另外一些体积较薄的是从表皮中抽取出来的细胞,这些细胞即时开始繁殖;
3、然后,已繁殖好的人造皮肤,包装妥当后送回到医院;
4、进行移植手术,医生将真皮放在适当的移植位置。
由这个时候开始,这些细胞继续繁殖,逐步地复原这块真皮,以求建立一个完整的血管网络;
5、然后再将这块含有表皮细胞的薄膜放到适当的位置上,利用激光去将这片含有表皮细胞的薄膜贴在真皮之上,这两片皮层在一个月后会自动消失,只留下来修复完好的皮肤。
仿生肌肉
目前,由于多种新材料的问世,如形状记忆合金、形状记忆树脂、高分子凝胶的应用发展,使人的肌肉仿生在功能与力量上接近了常人,可以说,未来人工肌肉必有广泛的前景。
人类的肌肉是由称为肌动蛋白与肌凝蛋白的纤维所构成的,只要分解微量的化学物质(ATP,三磷酸腺苷)就能产生巨大的能量,是一种能源效率相当高的驱动装置。
若将肌肉的结构应用在机器人上是种高难度的挑战。
人工肌肉以收缩动作来发挥动力,其功能跟人类的肌肉一样,只要改变人工肌肉的气压,手臂就会伸缩,全部重量仅60至200克,却能发挥2000倍的张力。
由于使用人工肌肉的关系,重量变得出乎想象的轻。
以喷漆机器人“SOFTBOY”手臂为例,它的重量约30公斤,仅为使用马达、皮带、链条或油压汽缸之手臂的1/10。
目前,日本工业技术院计划把对肌肉活动的研究提升至分子的水平,希望通过对分子的研究促使对人工肌肉活动的研究。
“若能通过对分子的研究,进而了解肌肉的结构,做出人工肌肉的话,就可以全新的原理做出驱动装置。
”仿生肌肉不仅可用于残疾人假肢,也可装在机器人上。
国际上某些研究机构已经开发出一种老人看护用床边用餐辅助手臂,装有以合成纤维被覆橡胶管的人工肌肉。
在高龄化社会正式来临之前,看护设施、护士严重不足的今天,这种看护手臂正好可助一臂之力。
仿生眼
随着计算机技术的不断提高,越来越多的残疾人的生活因此而得到改善。
现在,科学家正在探索运用最新的芯片技术设计一种供盲人使用的仿生眼。
视网膜疾病,如黄斑退化,是致盲的一大原因。
一般来说,患者的角膜、晶体、视神经都是完好的,阻挡视觉信号进入大脑的是受损的视网膜感光细胞。
因此,如果能够人工“架桥”,将完好的部分连接起来,就可以使患者恢复一定的光感和视力。
目前正在研究之中的一种人工眼采用微电子技术,在三毫米见方的芯片上放置四至五千个微型太阳能电池。
当光线通过角膜、晶体,达到视网膜时,这些微型太阳能电池将其强度转换成不同的电信号,通过视神经传送给视觉中枢。
现在人工眼还只能传送黑白图像,并且只限于动物实验的阶段。
不过,研究人员相信随着太阳能电池体积的不断减小,人工眼的功效也会迅速提高,最终使盲人重见光明。
此外,美国麻省理工学院的一个研究小组正在发展一种人工眼雏形,利用体外的输入工具和体内的芯片相结合,给患者提供更精密的图像。
具体来说,一个微型的摄像机拍摄图像,将其编码,通过激光传送给移植体内的芯片。
然后,人造的光传感器将图像转换成电子信号用以刺激视神经。
仿生眼皮
一些患者由于癌症或其它意外,有时会失去单眼的眼球甚至眼皮。
对这些患者进行外科整形,难度往往很大。
虽然可为患者配备人造眼球,但现有人造眼皮一般难以做到随另一只正常眼睛的眨动而运动。
这不仅影响到外科整形后的眼部效果,有时甚至会因此给患者造成一定心理阴影。
研究人员最近研制的仿生上眼皮,不仅能随正常眼睛的眨动而同步开合,而且美容效果也不错。
仿生眼皮由具有弹性的乳胶薄膜制成,可与人造眼球配合使用。
仿生眼皮通过细微的聚酰胺线与一微型马达相连,驱动微型马达的电池则安放于人造眼球后部的微型丙烯酸胶囊之中。
当另一只正常眼睛眨动时,其肌肉运动所发出信号可启动微型马达工作。
仿生芯片控制人体细胞
仿生芯片也称细胞芯片,是由健康的人体细胞与一个电子集成电路芯片经特殊方法结合起来的微型装置,它比头发丝还要细微。
它的原理是当细胞面临一定的电压时,细胞膜微孔就会张开,具有渗透性。
通过计算机控制微型装置中的芯片,即可达到控制该健康细胞活动的目的。
由于细胞芯片装置能够精确地控制细胞膜微孔开启与关闭,从而能够借此更好地掌握原本比较难以把握的基因疗法。
具体的说,可以在根本不影响周围细胞的情况下,对目标基因或细胞进行基因导入、蛋白质提取等研究。
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- 校本 课程 仿生学