糯米txt论坛☆+100仿生学-第8部分

快捷操作: 按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页 按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页 按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部! 如果本书没有阅读完，想下次继续接着阅读，可使用上方 "收藏到我的浏览器" 功能 和 "加入书签" 功能！

谌闶呛芎竦闹静悖缓苡械浴Ｓ捎谡庵止乖欤皇购ｋ嘣谒杏斡臼保黄し裟芩炒铀难沽Χǘ蛔枇π。荒Σ亮σ残。黄浜剿倬涂臁Ｈ嗣悄７潞ｋ嗟钠し艄乖欤挥孟鸾褐瞥扇嗽旌ｋ嗥ぁ髂ぃ蛔霸谇彼希皇雇牧骷跎倭�50％；大大提高了潜水艇航行的速度。
随着航空知识和对飞行生物有关知识的增加；人们在长期的飞行实践中；对飞机的机身、机翼和发动机进行了不断的改进；并取得了较高水平。
目前超音速飞机的时速已达到三千六百多公里；它已经接近声音传播速度的三倍；军用歼击机已能飞到30；000米以上的高空；爬升的速度也能达到200米／秒；军用轰炸机的航程可达I2；000公里以上。飞机载重能力也有了较大提高；大型运输机虽然自重已达250吨以上；还可以运载80多吨物资。
尽管如此；动物在千万年的自然淘汰和进化过程中所掌握的飞行本领；仍值得人类学习和借鉴。
现代飞机的起飞和降落都需要很长的跑道；即使是直升机也要像篮球场一样大小的空地；作为起飞和降落的基础。但飞行动物均不需任何空地和跑道；能在刹那间腾空而起远走高飞。
目前飞机的燃料消耗非常大；一架〃波音747〃飞机在运输50吨货物时；要消耗100吨轻油；是所载货物重量的两倍。但鸟类在长途飞行中却能充分利用空气的浮力；有时滑翔；有时振翅飞行；非常节省动力、如果按照鸟类动力消耗的情况来计算；目前的轻便飞机在飞行32公里之后仅需0。5升的汽油；但实际上要消耗四升。
因此；对飞行生物飞行本领的研究还需要仿生学家做出进一步的努力；从它们身上可以发现一些尚未被人类掌握的空气动力学规律；这对于我们研制及改进飞器；是非常有益的。
21世纪的机器人技术
机器人这一名词最早出现于19世纪；但直到本世纪50年代后期；机器人才走出了科学幻想；进入了科学技术领域。那时；在市场上出现了两种机器人；一种取名为〃万能自动机械〃；一种取名为〃通用搬运机械〃；并构成了今天机器人发展的基型。
一般说来；可以从两个角度来对机器人进行定义。从工程的角度出发；认为它属于一种自动机械；具有对环境的通用性和实用性；操作程序简便。
而且可以实现独立的随意的运动。若从仿生学的角度看；则认为它是具有近似人类相当部分功能的机械；它能执行与人类似的动作；且具有类似人的某种智能；如记忆、再现、逻辑运算、学习、判断、感知等。
机器人由硬件和软件两大部分组成。为了使机器人能够从事复杂的工作；执行与人相似的一些动作；必须要使它的机构和功能都具有很大的灵活性。同时；还要有能对其运动器官进行巧妙控制的软件；两者互相配合；协调运行。
从50年代以来；机器人技术已有了很大的进步；按照其功能和类型的发
28
展；大体上可把它划分为以下三个时期：第一代机器人；是使用存贮和程序控制的自动机器；在60年代初问世；即目前能够在部门实用的重复型机器人；常称为工业机器人。它的动作包括示教、存贮、再现和操作四个步骤。它可以通过示教输入操作程序；在存贮装置内存贮一系列的操作内容；并利用存贮内容的再现；自动地重复进行工作的一种通用自动搬运机械。
它存在的问题包括：（1）传感器与反馈问题。它一般没有触觉及反馈系统；不能用触觉去发现物体放置的位置与姿态；所以不能做出灵巧的动作。
（2）视觉问题。由于它没有眼睛；不能辨别物体的种类；不能看出零件安装位置；也不能进行视觉检查。
（3）适应能力问题。由于它只按事先存贮的程序动作；不能随环境和作业对象的变化而自动更改作业内容；几乎不能把复杂的装配作业编成程序。
（4）运动自由度问题。一般来说；这类机器人的运动自由度小；手的柔软性差；没有移动的脚。
这种机器人的最大优点在于能把人类从危险、恶劣、单调的工作环境中解放出来；做到工业生产的自动化与省力化；目前仍然得到广泛的应用。
第二代机器人与第一代的根本区别在于其智能性。它具有感觉识别又具有某些思维功能；并由这些功能控制动作；是具有与人类相类似智能的自动机械。其发展主要开始于70年代；主要用在各种对人有害的环境中作业；它能在操作人员操纵下进行工作；或按照人的指令在未知环境中从事高水平的作业。一般把前者称为近距离操纵型机器人；后者称为远距离操纵型机器人。
假如说在60年代主要用示教重复型机器人来做〃放〃与〃拿〃工作；那么到了70年代；开始用智能机器人进行〃寻找〃与〃发现〃对象物；今后的十年将是机器人大发展的十年；智能机器人的时代已经到来。
目前世界上已有几万台机器人；其品种和功能多种多样；应用范围相当广泛；可归纳为：（1）危险环境条件替代作业。原子能生产、宇宙开发、空间飞行、海洋开发、军事工程、救火等领域。
（2）社会福利。假肢、高级作业程序及语言控制的假肢、医疗机器人、家用机器人等。
（3）生产自动化领域。工业机器人；装配、检验、系统管理机器人等。
总之；机器人的研究领域相当广泛。可以从仿生学的角度对人和动物肢体的运动学和动力学进行研究；使机器人具有类似生物运动的机构、也可以从生理学的角度对生物体的视觉、触觉和听觉系统进行研究；并作出其物理模型；以便研制机器人的理想信息处理系统；还可以采用电子计算机；进行机器人智能信息处理和肢体运动控制的研究等。
新时代的疾病克星——生物医学工程学
生物医学工程学是一门高度综合性的学科。它运用自然科学和工程技术的原理和方法；从工程角度了解人的生理、病理过程；并从工程角度解决防病治病问题。它涉及的范围很广；包括数学、物理学、化学、生物学等基础学科；也包括声、光、磁、电子、机械、化工等工程学科；而它应用于医学又遍及基础医学、临床医学和预防医学的各个学科。
29
生物电学
生物电学是研究生物和人体的电学特征——生物电活动规律的科学。生物电学研究是深入认识人体生理活动规律和病理、药理机制的基础之一；同时也为医学的临床诊断和治疗不断研究出新的方法和技术。
对人体和生物电活动的研究已有很长历史。当前；在各种学科协作配合下；一方面对生物电产生机制和活动规律的研究已深入到生物大分子的水平；另一方面；在临床医学应用上正发展着更多的新技术和新仪器。
人体电活动现象及其微观来源人体要维持正常的生命活动；就需要在体内及与周围环境不断进行物质的交换、能量的转化及信息的传递；这一切过程都离不开生物电活动。举一个例子；一个路上的行人；看到一辆汽车迎面驶来；就急忙躲避；这一简单动作就包含了一系列复杂的生物电活动。首先；由汽车反射的光线通过眼球进入视网膜；光引起了视细胞上蛋白质分子构像变化；把光能转换成电能；使视细胞膜发生周期性的同位变化；形成可传播的电信号——动作电位。经过视觉神经把汽车的开头位置、运动状态等各种信息输入到中枢神经；在大脑中经过亿万个细胞的电活动；对所输入的信息进行分析、综合、判断；作出需要躲避的决定；然后；把动作指令以发放序列动作电位的方式经运动神经传送到腿部；通过神经——肌肉接头；由动作电位引起肌纤维的收缩运动；并使许多肌肉发生协调动作；从而实现了躲避汽车的宏观行为。
人体内充满了电荷；但大部分不能像金属中的自由电子那样在导体中快速运动；而是以离子、离子基因和电偶极子的形式存在。例如；组成蛋白质的20种氨基酸中；有13种氨基酸在水中能产生离子基因或表现出电偶极子特性；遗传物质DNA大分子也存在离子基因和偶极子。正是靠着这些电的相互作用；才能使生物大分子保持一定的空间构像；行使特殊的生命功能。例如；遗传密码的复制、生物大分子的合成、新陈代谢过程中酶和底物的诱导——契合作用等；都依赖于离子基因和偶极子的电的相互作用。目前；对这种相互作用的具体细节和规律尚了解不多。
在一些生命活动中；存在着瞬时的电子输运过程。便如；人体细胞内合成ATP以储存能量的过程中、出现电子沿着分子链传输的现象。在外界能量（如辐射）作用和体内能量转化过程中；都能瞬时产生自由电子和质子（氢离子）；它们在水溶液和大分子之间运动；完成某些功能或损害正常的生命活动。
各种无机离子如K〃、N〃、Ce一、Ca〃〃Mg〃〃Cu〃〃Fe〃〃等；在人体内大量存在；参与各种各样的生命活动。它们有的被束缚于一些生物大分子上；成为大分子的活性中心。还有许多种离于分散在体液、血液和细胞内、外液中；它们一方面保持着人体碱度的平衡；保证细胞有正常的生存环境；同时执行着调节生命活动的使命。另外K〃、Na〃、Ce〃、Ca〃〃等离子是心脏、神经系统和骨骼肌、平滑肌等组织和器官电活动的基础；由于这些离子在细胞膜内外分布不平衡；导致细胞膜两侧的正、负电荷不相等；使膜呈现出外正内负的电位差。在各种刺激作用下；膜对离子的通透性会发生瞬时变化；使不同的离子发生跨膜输运；由于输运的时间、数量和方向不同；造成细胞膜内外电位差发生脉冲式的变化；即产生动作电位。
人体内的水分子利用其电偶极子的特性；影响着许多生物大分子的结构和功能；例如；蛋白质和酶在水溶液中；⑤过与水分子的电的和其他类型的
30
力的相互作用；形成特定的空间构像；表现出专一的生物活性；一旦脱水；原来的空间构像被破坏而变成了〃死〃物质。水也和溶液中的离子发生电的相互作用；使离子外包围着若干层的水分子；称水合0用。这些离子直接参与某种生命活动时；有的需要这些水5子同时存在；有的则需要摆脱掉水分子的电的影响。
综上所述；人体各种电特性和电活动的来源；主要是d生物大分子、离子、水和少量瞬态的自由电子的电学特什回其运动产生的；对它们的特性和功能的研究；是当前有关学科的重要前沿课题。
人体器官电活动图由兴奋性细胞组成的人体组织和器官；如脑、心脏、骨骼肌和平滑肌、视网膜等；在生命活动中；由于细胞动作电位不断地发生和传播从而形成复杂的电流回路和电场分布。我们可以在这些组织和器官所在部位的体表测量出一定的电位变化；为了解该组织和器官的生理和病理提供重要的信息。下面分别说明一些组织和器官电活动图产生的原理、测量方法及在临床医学上的应用。
心脏有节奏的收缩扩张；受位于右心房的特殊肌细胞的自发兴奋的电信号控制；即窦房结以大约72次／秒的频率进行自发专极化活动；所产生的动作电位通过神经传导到两个心房；使心房肌细胞专极化引起心房收缩把血液注入心室；接着动作电位传播到房室结；由希式束和蒲肯野把动作电位送到两个心室；使心室肌专极化发生收缩运动；推动血液进入体循环和肺循环；并按此顺序周而复始。同时；窦房结的起搏频率还受植物神经系统的调控；根据身体内和外部的刺激作出反应；使起搏频率加快或减慢。
1876年玛瑞（Marey）最早发现心脏收缩时伴有电反应；这种电反应的复杂形式不同于骨骼肌电反应形式；引起了大家的注意。心脏在跳动时甚至在皮肤表面上也能产生1～2毫伏的电压。1903年爱因索文（Einthoven）发明了弦线电流计；促进了心肌动作电流的深入研究。借助弦线电流计可以记录整体内心脏电活动；并在临床上迅速获得广泛的应用。爱因索文为测定心脏动作电流确定了三种标准导程：即为右手——左手；为右手——左脚；为左手——左脚。
三种导程记录出的心脏电活动由许多波组成；按各波先后出现的顺序分别命名为P波、Q波、R波、S波、T波。这一系列的电位变化称为心电图（缩写为ECG）。其中P波代表左、右心房肌兴奋产生和体表电位变化；由于兴奋中窦房结向心房各处扩布时电势方向不同；互相抵消甚多；故波形小而圆钝。P～R间期或P～Q间期代表心房开始兴奋到心室开始兴奋所需时间间隔；一般约为0。12～0。2秒左右。QRS波群代表左、右心室肌兴奋传布过程中的体表电位变化；波群的时程代表肌兴奋传布所需的时间；约为0。06～0。l秒。在兴奋由心房传到房室结再经房室束下传的一段时间内；心电图记录不到电位变化；只有当室间隔左侧开始专极化并向其右和上方传布时；可记录到Q波。随后；兴奋继续向心尖部分传布；并从心室壁内膜向外膜传布；对应的电势向量由心房指向心尖；可记录到向上的高R波。最后兴奋传到左心室后侧底部与室间隔底部时；电势向量指向心底；记录到向下的S波。
S～T段正常时接近一等电位线；这段时间反映心室各部分均处于兴奋状�