電子生物

1. 生物電子學的研究內容

生物電子學的基礎理論的建立和研究：生物電子學作為一門新興的交叉學科,它應該藉助於生物學的理論和技術,綜合應用電子學有關工程技術的理論和方法,以形成自身特點和系統的基礎理論,但目前對其進行的系統研究尚不夠,它的一些基礎理論、實驗方法和應用技術需要不斷建立和進一步完善,許多現象和效應的機理尚需深人研究 。
生物信息的採集技術和檢測系統：生物信息檢測主要是對帶有生物結構和特徵信息的生物量、化學量和物理量的檢測;是對根據生物分子卓越識別能力而設計的生物感測器及其檢測系統的研究 。
生物信息檢測提供了進行生物電子學其它領域研究的基本條件 。早期檢測的物理量主要是微弱的生物電信號 ,如心電信號 、肌電信號 、腦電信號和胃電信號等 。近期已發展到運用超導(Superconctor)儀器檢測生物體內的更微弱的磁信號 , 包括心磁信號、腦磁信號等 。除此之外，生物信息採集和檢測還可以檢測生物體內發出的熱波 、光信號和聲波振動。
目前，基於分子生物學與微電子學技術的結合產生的生物晶元 ,已成為目前國際上研究的一個熱點，該晶元得以實現基因分子信息大量快速 、規模化 、低成本獲得，與此同時利用無線通訊技術 ,把生物感測器植入體內進行實時監控等技術也已成為現實。
生物信息系統的建模與模擬：生物信息系統的建模與模擬可以使已獲得的知識抽象化,揭示出規律性,減少某些昂貴的、費時的實驗操作,推動生命科學研究中的定量化和模型化,並為各種信息處理方法和信息系統提供新的、有價值的思路和方案 。對於生物系統的建模與模擬，從工程角度為各種信息處理方法和系統的研製提供了強有力的依據和工具，有助於信息科學的發展。
場與環境對生物物質的作用與應用：隨著社會和科學技術的迅速發展,研究輻射場(電、磁、聲、光、熱、射線)與環境(各種污染)對人或生物體中生物物質作用的微觀過程、作用機理和產生的結果十分迫切,這對解釋各種場生物效應和機理、了解生命過程、開發診斷儀器、提高治療效果、增強防輻射能力都非常重要 。
近年來，相關研究發現，可用電場和不同材料基片來控制細胞的增殖和分裂 ,在體外構造生物神經元 。當腫瘤細胞增殖時 , 細胞膜的電位較低 ,若對腫瘤細胞加上適當的正電位 ,則可顯著抑制它們的生長。而且已經發現用特定空間分布和頻率的電場可以分離細胞。這些新發現無疑是很有價值的 ,但都需要對其機理作進一步的深入了解 。
分子電子學與納米生物學：分子與生物分子電子學,通常稱為分子電子學(Molecular Electronics),它的一個重要目標是研製出由分子器件構造的並行分布式仿生智能信息處理系統,要為新一代信息處理系統開辟一條新的途徑 。

生物醫學信息學：現代信息技術,特別是計算機技術和網路技術為生物醫學信息學的研究提供了一個快捷的手段構建了一個技術平台;運用信息理論和技術處理和解決生物信息學、醫學信息學中所提出的相關問題 。
生物醫學信號種類繁多, 其主要特點是信號的隨機性和雜訊背景都比較強, 信號的統計特性隨時間而變 ,而且還是非先驗性的 。生物醫學信息學進行信號處理的研究是指應用並發展信息處理的基本理論,根據生物醫學信號的特點 ,對所採集到的生物醫學信號進行分析 、辨認 、解釋、分類、顯示、存貯和傳輸 , 其研究目的一是對生物體系結構與功能的研究 , 二是協助對疾病的診斷和治療 。
生物晶元與微全分析系統：生物晶元是現代生物技術與電子技術相結合的產物,它的意義不僅在於擴大現有常規電子元器件的功能、種類和使用范圍,而且會使電子工業與生物醫學科技經歷一次巨大的變革 。
生物醫學儀器：生物醫學儀器的研究主要包含生物醫學檢測診斷儀器、生物醫學治療儀器和生物醫學監護、管理儀器以及現代生物電子學分析儀器 。
有別於傳統的額生物醫學，現代生物醫學的發展將會在越來越大的程度上依賴於生物醫學儀器和工程。無論從人的健康保障還是從市場經濟利益考慮 ，醫學治療 、診斷 、監護 、模擬和管理方面儀器設備的研究和生產是十分重要的,。這種利用工程技術解決生物醫學的手段特別是在計算機輔助診斷系統方面發展十分迅速。

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3. 什麼東西是受到動物的啟發而發明的

一、電魚與伏特電池

自然界中有許多生物都能產生電，僅僅是魚類就有500餘種 。人們將這些能放電的魚，統稱為「電魚」。

各種電魚放電的本領各不相同。放電能力最強的是電鰩、電鯰和電鰻。中等大小的電鰩能產生70伏左右的電壓，而非洲電鰩能產生的電壓高達220伏；非洲電鯰能產生350伏的電壓。

電鰻能產生500伏的電壓，有一種南美洲電鰻竟能產生高達880伏的電壓，稱得上電擊冠軍,據說它能擊斃像馬那樣的大動物。

經過對電魚的解剖研究， 終於發現在電魚體內有一種奇特的發電器官。這些發電器是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細胞構成的。由於電魚的種類不同，所以發電器的形狀、位置、電板數都不一樣。

電鰻的發電器呈棱形，位於尾部脊椎兩側的肌肉中；電鰩的發電器形似扁平的腎臟，排列在身體中線兩側，共有200萬塊電板。

電鯰的發電器起源於某種腺體，位於皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板。單個電板產生的電壓很微弱，但由於電板很多，產生的電壓就很大了。

二、螢火蟲到人工冷光

在自然界中，有許多生物都能發光，如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等，而且這些動物發出的光都不產生熱，所以又被稱為「冷光」。

在眾多的發光動物中，螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1 500種，它們發出的冷光的顏色有黃綠色、橙色，光的亮度也各不相同。

螢火蟲發出冷光不僅具有很高的發光效率，而且發出的冷光一般都很柔和，很適合人類的眼睛，光的強度也比較高。因此，生物光是一種人類理想的光。

科學家研究發現，螢火蟲的發光器位於腹部。這個發光器由發光層、透明層和反射層三部分組成。發光層擁有幾千個發光細胞，它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。

在熒光酶的作用下，熒光素在細胞內水分的參與下，與氧化合便發出熒光。螢火蟲的發光，實質上是把化學能轉變成光能的過程。

三、蒼蠅到氣體分析器

蒼蠅是聲名狼藉的「逐臭之夫」，凡是腥臭污穢的地方，都有它們的蹤跡。蒼蠅的嗅覺特別靈敏，遠在幾千米外的氣味也能嗅到。

但是蒼蠅並沒有「鼻子」，它靠什麼來充當嗅覺的呢? 原來，蒼蠅的「鼻子」——嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上。

每個「鼻子」只有一個「鼻孔」與外界相通，內含上百個嗅覺神經細胞。若有氣味進入「鼻孔」，這些神經立即把氣味刺激轉變成神經電脈沖，送往大腦。

大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈沖的不同，就可區別出不同氣味的物質。因此，蒼蠅的觸角像是一台靈敏的氣體分析儀。

仿生學家由此得到啟發，根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能，仿製成功一種十分奇特的小型氣體分析儀。這種儀器的「探頭」不是金屬，而是活的蒼蠅。

就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經上，將引導出來的神經電信號經電子線路放大後，送給分析器；分析器一經發現氣味物質的信號，便能發出警報。這種儀器已經被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內氣體的成分。

這種小型氣體分析儀，也可測量潛水艇和礦井裡的有害氣體。利用這種原理，還可用來改進計算機的輸入裝置和有關氣體色層分析儀的結構原理中。

四、蝙蝠和雷達

擅長夜晚飛行的蝙蝠擁有獨特的回聲定位，通過發出高音頻聲音並能根據回聲判斷物體的方位及距離，這種能力可幫助蝙蝠准確判斷獵物所在位置，並有效地繞開樹、建築物等。

依據這一理論，蝙蝠的回聲定位功能在近距離飛行中可以游刃有餘，但對於遠距離飛行而言，視力非常差的蝙蝠似乎無計可施了。

霍蘭德的這項研究推翻了這種錯誤觀點，他指出蝙蝠具有磁性感官能力，在飛行數千英里之遠仍能准確判斷方向，蝙蝠的這種能力與某些鳥類有相同之處，除依據磁場，它們還都使用日落作為方向標識器。

這將有助於調整動物體內的「指南針」，並有效地區分磁場北向和真實北向之間的差別。

霍蘭德說，「通過這項研究進一步增強了我們對蝙蝠深入研究的興趣，原本我們認為蝙蝠只有最遠飛行幾英里，但實際看來，它們與候鳥具有相同之處，可以飛行至數千英里。」

在研究實驗中，霍蘭德帶領研究小組在大褐蝙蝠身體上裝配了微型無線電發射器，然後從它們棲息地向北12英里處釋放。

在蝙蝠返回棲息地的過程中，研究小組通過小型飛機在蝙蝠上空進行監控。一些未受人造磁場干擾的蝙蝠基於日落磁場識別能力向南飛行，很輕易地就找到了自己的老家。

然而在此之前，研究小組釋放了兩組蝙蝠，分別處於地球磁場北極順時針90°和逆時針90°的人造磁場環境中。處於逆時針90°磁場飛行的蝙蝠一直向西飛行。

另一組受順時針90°磁場的干擾，卻一直向東飛行，但這些差點迷失方向的蝙蝠通過日落作為方向標識器，最終意識到飛行方向錯誤，改變飛行方向順利地返回棲息地。

科學家們已知道自然界的動物主要分為兩種類型磁性感官定位：一種是簡單的「指南針」感官功能，這是基於體內磁鐵礦顆粒與外界環境發生的反應；另一種則是某些鳥類能根據處於地球磁場不同位置所「看到」的磁場光強度，來准確判斷飛行方向。

五、甲蟲和防彈武器

氣步甲炮蟲自衛時，可噴射出具有惡臭的高溫液體 「炮彈」，以迷惑、刺激和驚嚇敵害。

科學家將其解剖後發現甲蟲體內有3個小室，分別儲有二元酚溶液、雙氧水和生物酶。二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶 混合發生化學反應，瞬間就成為100℃的毒液，並迅速射出。

這種原理已應用於軍事技術中。二戰期間，德國納粹為了戰爭的需要，據此機理製造出了一種功率極大且性能安全可靠的新型發動機，安裝在飛航式導彈上，使之飛行速度加快，安全穩定，命中率提高，英國倫敦在受其轟炸時損失慘重。

美國軍事專家受甲蟲噴 射原理的啟發研製出了先進的二元化武器。這種武器將兩種或多種能產生毒劑的化學物質分裝在兩個隔開的容器中，炮彈發射後隔膜破裂。

兩種毒劑中間體在彈體飛行的8—10秒內混合並發生反應，在到達目標的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人。它們易於生產、儲存、運輸，安全且不易失效。

4. 什麼是生物電子和生物電子工程

生物電子和生物電子工程是是生物學與電子信息科學相互交叉滲透所形成的一門新興學科，生物電子學的發展充分體現了上述兩個學科的相互依賴和和相互促進的關系。
生物電子學研究包含兩個方面：1、研究生物體系的電子學問題，包括生物分子的電子學特性、生物系統中信息存貯和信息傳遞，由此發展基於生物信息處理原理的新型計算技術；
2、應用電子信息科學的理論和技術解決生物學問題，包括生物信息獲取、生物信息分析，也包括結合納米技術發展生物醫學檢測技術及輔助治療技術，開發微型檢測儀器。