能量仿生 - 山東大學課程中心.pptx

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能量仿生模仿生物系统对能量的转化和利用的方式，来构建人类新的能量利用系统的一种科学方法。

它打破了人类与自然界能量传递的界限，将各种不同的能量联系起来。

6,神奇的仿生工程,生物能特点：

可再生广泛存在无污染,生物能发电斯坦福大学的科学家共同设计的环保灯具,3.1.1何谓能量仿生,7,神奇的仿生工程,3.1能量仿生简介,能量仿生的分类,能量仿生的发展过程,能量仿生的概念,8,3.1.2,3.1.1,3.1.3能量仿生的方法,3.1.4,神奇的仿生工程,动物学能量仿生植物学能量仿生微生物学能量仿生人体学能量仿生,3.1.2能量仿生分类,No.1,9,按仿生对象分：

神奇的仿生工程,获得能源的能量仿生获得技术的能量仿生,3.1.2能量仿生分类,No.2按应用方向分：

10,神奇的仿生工程,3.1.2能量仿生分类,No.3按仿生机理分：

生物电仿生生物光仿生利用太阳能的仿生化学能转换的仿生生物节能的仿生,11,神奇的仿生工程,3.1能量仿生简介,能量仿生的分类,能量仿生的发展过程,能量仿生的概念,3.1.2,12,3.1.1,3.1.3能量仿生的方法,3.1.4,神奇的仿生工程,能量仿生的研究方法与步骤：

生物的结构、行为,生物模型,数学模型技术模型技术装置,3.1.3能量仿生方法,13,神奇的仿生工程,3.1能量仿生简介,能量仿生的分类,能量仿生的发展过程,能量仿生的概念,14,3.1.2,3.1.1,3.1.3能量仿生的方法,3.1.4,神奇的仿生工程,3.1.4能量仿生发展历程,19世纪初期模仿电鱼发电器官发明干电池20世纪中期生物电、生物光领域发展迅速，取得很多成就21世纪仿生光解水兴起、航空航天领域应用前景广阔Whataboutthefuture?

能源之路,15,神奇的仿生工程,第三章能量仿生,仿生3.2生物电仿生,16,神奇的仿生工程,3.2生物电仿生,生物电基本概念,鱼类发电器官仿生,人体动作电位仿生,微生物膜电位仿生,17,3.2.1,3.2.2,3.2.3,3.2.4,神奇的仿生工程,生物电的概念生物电生物的器官、组织和细胞在生命活动过程中发生的电位变化。

包括:

（1）细胞膜电位心电脑电极性细胞电位,3.2.1生物电基本概念,18,神奇的仿生工程,橘子电灯刘谦魔术,沙雷菌的“天线”放电现象,3.2.1生物电基本概念,神奇的仿生工程,20,3.2.1生物电基本概念,

（1）细胞膜电位定义细胞膜内外之间的电势差，包括静息电位和动作电位。

静息电位未受刺激时，细胞膜两侧存在的电位差。

动作电位受刺激时，产生的可扩布的电位变化过程。

神奇的仿生工程,21,3.2.1生物电基本概念,

（2）心电定义心脏起搏点、心房、心室相继兴奋时伴随着生物电的变化。

心电图,神奇的仿生工程,22,3.2.1生物电基本概念,（3）脑电定义各种生理机能对应着大脑皮层中的电活动。

脑电图,神奇的仿生工程,3.2.1生物电基本概念,（4）极性细胞电位极性细胞细胞之间存在电位差的细胞。

极性细胞电位极性细胞之间的电位差。

特点：

极性细胞排列方向不一致时，不产生电位差；极性细胞的排列方向一致时，产生电位差。

一定的生理过程，对应着一定的电反应。

2）生物电具有特殊的单位生物分子，如：

蛋白质、乙酰胆碱等。

3）生物电在移动中是变速的4）生物电具有多频谱、多层次的广泛混频,神奇的仿生工程,24,3.2.1生物电基本概念,生物电的特点1）生物电具有规律性2）生物电具有特殊的单位生物分子生物电在移动中是变速的生物电具有多频谱、多层次的广泛混频,神奇的仿生工程,3.2.1生物电基本概念,25,生物电仿生生物原型：

电鱼原型：

电鳗、电鳐、电鲶等鱼类的发电器官人体动作电位原型：

神经系统控制肌肉的活动的方式微生物膜电位原型：

微生物分解有机物，细胞膜之间产生电流,神奇的仿生工程,3.2.1生物电基本概念,通过学习生物电现象,得到什么启发？

生物电现象生理学揭秘人体生物电,26,神奇的仿生工程,3.2生物电仿生,生物电基本概念,鱼类发电器官仿生,人体动作电位仿生,微生物膜电位仿生,27,3.2.1,3.2.2,3.2.3,3.2.4,神奇的仿生工程,3.2.2鱼类发电器官的仿生,仿生原型电鱼发电器官电器官由“肌电板”（肌肉特化形成的）串接而成。

电位大小取决于细胞偶极子矢量组成数量得多少。

电鳗电器官电压可高达200866V,电鳗电晕鳄鱼电鳗电压测试,28,神奇的仿生工程,3.2.2鱼类发电器官的仿生,A电鳐B电鳗C电鲇,电鱼发电器官结构：

电鳗的发电器呈菱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中电鳐的发电器形似扁平的肾脏，排列在身体中线两侧，共有200万块电板,电鲶的发电器成椭圆形，位于皮肤与肌肉之间，约有500万块电板。

29,神奇的仿生工程,3.2.2鱼类发电器官的仿生,原型的生理特点电器官中的极性细胞排列方向一致时，呈现出一定的极性与,电位差。

类似于串联电位。

电鱼电器官的物理学模型,30,神奇的仿生工程,3.2.2鱼类发电器官的仿生,仿生应用技术在盐溶液中，将电位不同的金属板通过导线连接起来，构造电位差，形成电流，对外部供电。

31,神奇的仿生工程,3.2.2鱼类发电器官的仿生,应用实例：

1799年，伏特以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏特电池。

伏特电池原理图,32,神奇的仿生工程,3.2.2鱼类发电器官的仿生,19世纪末，人们在伏特电池的基础上，不断改进，发明了干电池。

干电池结构,33,神奇的仿生工程,3.2生物电仿生,生物电基本概念,鱼类发电器官仿生,人体动作电位仿生,微生物膜电位仿生,34,3.2.1,3.2.2,3.2.3,3.2.4,神奇的仿生工程,3.2.3人体动作电位仿生,仿生原型人体动作电位人体中每个神经细胞都是一个电路单元,具有机能：

接受刺激传递信息处理综合信息,人脑中的动作电位,35,神奇的仿生工程,3.2.3人体动作电位仿生,原型的生理特点由脑传到脊髓,再到肌肉组织,引起肌肉收缩；同时又起到反馈的作用。

生物电脉冲示图,36,神奇的仿生工程,3.2.3人体动作电位仿生,仿生应用技术从中枢神经系统引出电脉冲，传递给微处理器，经处理后，再传递给肌肉组织，控制器官运动或反馈。

如：

人造器官、电理疗等。

37,神奇的仿生工程,应用实例人工呼吸器人工视觉人造手心脏起搏器自动麻醉机全息生物电检测仪,3.2.3人体动作电位仿生,神奇的仿生工程,3.2.3人体动作电位仿生,实例

（1）人工呼吸器用呼吸神经信号控制的抢救器械。

39,人工呼吸器,神奇的仿生工程,3.2.3人体动作电位仿生,实例

（2）人工视觉小型电视摄像机，替失明的眼球。

原理：

把外景物成像并转换,40,成电信号，传递给大脑视觉神经系统，形成视觉。

人工视觉示意图,神奇的仿生工程,3.2.3人体动作电位仿生,实例（3）人造手用肌电控制微型电动机带动机械部件完成的转动手腕、屈伸手指等,动作。

人造手,41,神奇的仿生工程,3.2.3人体动作电位仿生,实例（4）心脏起搏器替代心脏的起搏点，使心脏有节律地跳动起来。

42,心脏起搏器,神奇的仿生工程,3.2.3人体动作电位仿生,心脏起搏器的原理由电池和电路组成的脉冲发生器，能定时发放一定频率的脉冲电流，控制心脏的跳动。

43,心脏起搏器示意图,神奇的仿生工程,3.2.3人体动作电位仿生,实例（5）自动麻醉机用病人的脑电进行控制，能够恰到好处地自动供,44,给或撤除麻醉药物。

自动麻醉机,2全息生物电检测仪又称亚健康测仪,适合于一台电脑安装，多种检测系统使用，用户可根据不同的疾病，选择不同的检测系统进行检测。

如：

心脑血管电脑检测，检测胃肠疾病，风湿病等。

神奇的仿生工程,3.2.3人体动作电位仿生,实例（6）全息生物电检测仪采用生物电信息波提取法，在人体表面进行检测。

无创伤、无毒副作用。

全息生物电检测仪,45,神奇的仿生工程,3.2生物电仿生,生物电基本概念,鱼类发电器官仿生,人体动作电位仿生,微生物膜电位仿生,46,3.2.1,3.2.2,3.2.3,3.2.4,神奇的仿生工程,3.2.4微生物膜电位仿生,仿生原型微生物膜电位微生物分解有机物，细胞膜之间存在电荷移动现象。

细胞膜电荷移动,47,神奇的仿生工程,3.2.4微生物膜电位仿生,原型生理特点微生物细胞释放出电子，产生膜电位差，形成电流。

48,神奇的仿生工程,3.2.4微生物膜电位仿生,仿生技术应用利用微生物分解有机物放电的特点，用特殊的装置引出细微的电流，形成供电装置或离子检测装置。

49,神奇的仿生工程,3.2.4微生物膜电位仿生,仿生应用实例微生物电池酶燃料电池免疫传感器电化学传感器,2这些氧化还原反应彼此影响，互相依存，形成网络，进行生物的能量代谢。

如：

微生物电池，酶电池，太阳能生物电池等。

3微生物电池由阳极室和阴极室组成。

有一个质子交换膜将两极室分开。

基本反应类型分为四步:

1）在微生物的作用下，燃料发生氧化反应，同时释放出电子。

2）介体捕获电子并将其运送至阳极。

3）电子经外电路抵达阴极，质子通过质子交换膜由阳极室进入阴极室。

4）氧气在阳极接收电子，发生氧化还原反应。

4酶电池通常使用葡萄糖作为反应原料。

反应原理如下：

葡萄糖在葡萄糖氧化酶（GOx）和辅酶的作用下失去电子被氧化成葡萄糖酸，电子由介体运送至阳极，在经外电路到阴极。

双氧水得到电子，并在做过的氧化酶的作用下还原成水。

阳极反应：

葡萄糖葡萄糖酸+2H+2e-阴极反应：

H2O2+2H+2e-2H2O生物电池工作时，是将燃料的化学能转化为容生物电池工作时，是将燃料的化学能转化为容易进行电化学反应的形式。

有如下两种方法:

一是用酶氧化燃料，所得的酶反应生成物再进行电极反应的方式（电子传递系统不配对的体系）。

二是用具有辅酶的酶来氧化燃料，使在燃料氧化过程中结合而还原的辅酶再在电极上进行氧化的方式（电子传递系统配结的体系）。

现在普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型。

应生成物再进行电极反应的方式（电子传递系统不配对的体系）。

二是用具有辅酶的酶来氧化燃料，使在燃料氧化过程中结合而还原的辅酶再在电极上进行氧化的方式（电子传递系统配结的体系）。

现在普遍使用的以葡萄糖为燃料的酶电池是模仿线粒体的反应机构而制成的，线粒体是以葡萄糖为燃料的酶电池的理想模型。

神奇的仿生工程,3.2.4微生物膜电位仿生,实例

（1）微生物电池微生物分解糖产生电能的新型电池。

输出功率50毫瓦。

51,微生物电池,神奇的仿生工程,3.2.4微生物膜电位仿生,实例

（2）酶燃料电池酶与介体一起溶解在底物（燃料）中或固定在电极上形成的电池。

酶燃料电池,52,神奇的仿生工程,3.2.4微生物膜电位仿生,酶燃料电池的基本结构模型,53,神奇的仿生工程,3.2.4微生物膜电位仿生,实例（3）免疫传感器一类能检测抗原或抗体的传感器。

54,免疫传感器原理图,1.生物微量元素的测定及其在生物、医学及生物无机化学中的应用这方面的工作大家比较熟悉，如电极法测定pH、po2、pco2、K+、Na+、Cl-、Ca2+等，已成为临床检验中的常规手段。

许多重要的微量元素，如Se、Mo、Co、重金属等，用极谱催化波法和溶出伏安法进行测定，已达到了很高的灵敏度。

2.生物体中氨基