仿生学研究的最新成果论文

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。

科学家通过对大自然和动物界里发生的许多奇迹的仔细观察,建立了一门新兴的学科——仿生学.仿生学是集动物学、物理学、化学、心理学和工程技术相结合的一门独立的边缘科学.通过模拟动物的功能,以改进现有的和创立崭新的机械、建筑结构和新材料、新仪器和工艺研究,创造出许多适用于生产、学习和人们生活的先进技术. 飞机的出现毫无疑问是来自人们对飞禽鸟类的直接模仿,现代飞机的垂直起降,空中定悬后掉头等诸多方面功能的实现也深受飞鸟和蚊虫的启发. 船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿,生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线、抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索. 响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理,研制开发出来的现代化武器. 仿生学家们从蚂蚁、蜜蜂等动物利用偏振光定向的本领中得到启发,制成了用于航海和航空的偏光天文罗盘.使用这种罗盘,即使飞机在磁罗盘失灵的南、北极上空,依然能准确地定向飞行. 海豚游泳速度很快,超过现代潜艇的航速,海豚游泳快的秘密在哪里?仿生学家发现海豚的皮肤外面的表皮薄而富有弹性,里面的真皮像海绵一样有许多突起,突起之间充满了液体.这种皮肤能吸收和消除阻碍前进的水流漩涡,使水流从它表面顺利通过,因而游得快 .仿生学家模仿海豚的皮肤,用富有弹性的有机材料制成一种多层的潜水艇外壳,潜水艇穿上这层人造“皮肤”,航行时阻力可减少 一半,航速提高了1倍. 变色龙浑身能变换六七种颜色.变色龙的表皮上有一个变幻无穷的“色彩仓库”,贮藏着黄、绿、蓝、黑等各种色素细胞,一旦周围的光线、温度和湿度发生了变化,变色龙就随之改变体色.科学家仿照变色龙,制成了一种既能自动改变颜色,又始终与环境保持一致 的军装.这种军装用一种对光线变化很敏感的化学纤维织成的布料制成,士兵穿上这种军装,可以放心地从白色的沙滩上登陆,在森林 里军装是深绿色,在草地时又变成麻黄色. 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、三百度,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. 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. 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.科学家研究发现,萤火虫的发光器位于腹部.这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成.发光层拥有几千个发光细胞,它们都含有荧光素和荧光酶两种物质.在荧光酶的作用下,荧光素在细胞内水分的参与下,与氧化合便发出荧光.科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素、荧光酶,后来用化学方法人工合成了荧光素.由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯. 现在有一种水底机器人,是仿造螃蟹做的,它的用处是排除水中的水雷.

论文提纲包括

完整的论文提纲应该包括哪些方面的内容呢?不清楚的同学可以参考一下以下内容。

论文题目：要求准确、简练、醒目、新颖。

目录：目录是论文中主要段落的简表。(短篇论文不必列目录)

摘要：是文章主要内容的摘录，要求短、精、完整。字数少可几十字，多不超过三百字为宜。

关键词或主题词：关键词是从论文的题名、提要和正文中选取出来的，是对表述论文的中心内容有实质意义的词汇。关键词是用作机系统标引论文内容特征的词语，便于信息系统汇集，以供读者检索。 每篇论文一般选取3-8个词汇作为关键词，另起一行，排在“提要”的左下方。

论文正文：

引言：引言又称前言、序言和导言，用在论文的开头。 引言一般要概括地写出作者意图，说明选题的目的和意义, 并指出论文写作的范围。引言要短小精悍、紧扣主题。

论文正文：正文是论文的主体，正文应包括论点、论据、 论证过程和结论。主体部分包括以下内容：

提出-论点;

分析问题-论据和论证;

解决问题-论证与步骤;

结论。

一篇论文的参考文献是将论文在和写作中可参考或引证的主要文献资料，列于论文的末尾。参考文献应另起一页，标注方式按《GB7714-87文后参考文献著录规则》进行。

题目：仿生设计在包装容器造型设计中的应用

大自然是最伟大的创造者，向自然学习是个古老而时新的话题。仿生学使人类社会与自然之间协调与统一，成为人类生产活动与自然的交汇点。它迎合了现代人的价值观和审美趣向，正逐渐成为设计活动中新的亮点。仿生学涉及范围宽广，研究内容多样，本论文主要对包装容器造型的形态仿生设计进行研究。

论文先从形态仿生设计的成果——现有的采用形态仿生设计手法的包装容器造型入手进行研究，从造型表现形式和情感传达两方面分析：根据具象与抽象、整体与局部、动态与静态的'分类分析总结形态仿生的表现形式;根据创意联想、回归自然和传达产品信息等分析总结形态仿生的情感传达。从而探寻形态仿生应用于包装容器造型设计的一般方法和意义。

论文重点对水形态在女性化妆品包装容器造型设计中的应用进行研究。以与女性有着神秘互渗关系的水形态为原型，从形态与文化两方面进行解读。在对化妆品包装容器的造型设计分析的基础上提取水的形态要素，对其应用于女性化妆品包装容器造型设计中的实例进行解析，进一步探讨形态仿生在包装容器造型设计中的表现方法。论文运用了实例分析、综合归纳的方法，系统地总结了形态仿生应用于包装容器造型设计的方法和规律，力求拓宽包装容器造型设计的思路，为仿生学在包装容器造型设计中的应用提供更具指导意义的可操作性方法。

摘要4-5

ABSTRACT5-9

第一章 绪论9-15

1.1 社会背景9-10

1.2 选题意义与研究目的10-11

1.2.1 选题意义10-11

1.2.2 研究目的11

1.3 国内外研究现状及水平11-13

1.4 研究思路和基本方法13-14

1.4.1 研究思路13

1.4.2 研究方法13-14

1.5 研究内容14-15

第二章 仿生设计与包装容器造型设计阐述15-30

2.1 仿生设计概念15-16

2.2 形态仿生设计16

2.3 形态仿生设计表现形式16-23

2.3.1 具象仿生与抽象仿生17-20

2.3.2 整体仿生与局部仿生20-22

2.3.3 静态仿生与动态仿生22-23

2.4 形态仿生对包装容器造型设计的影响力23-30

2.4.1 创意联想24-25

2.4.2 回归自然25-27

2.4.3 传达产品信息27-30

第三章 水形态在女性化妆品包装容器造型设计中的应用研究30-53

3.1 水形态30-37

3.1.1 水的文化解读30-35

3.1.2 水的形态解读35-37

3.2 女性化妆品包装容器造型37-43

3.2.1 女性化妆品包装容器造型的设计定位37-38

3.2.2 女性化妆品包装容器造型设计表现38-43

3.3. 水形态中在女性化妆品包装容器造型设计的运用43-53

3.3.1 水形态在女性化妆品包装容器造型的融合表现43-44

3.3.2 水形态在女性化妆品包装容器造型设计中的魅力表现44-53

结语53-55

参考文献55-57

攻读学位期间主要的研究成果57-58

致谢58