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电子生物

发布时间: 2024-10-27 09:28:52

1. 生物电子学的研究内容

生物电子学的基础理论的建立和研究:生物电子学作为一门新兴的交叉学科,它应该借助于生物学的理论和技术,综合应用电子学有关工程技术的理论和方法,以形成自身特点和系统的基础理论,但目前对其进行的系统研究尚不够,它的一些基础理论、实验方法和应用技术需要不断建立和进一步完善,许多现象和效应的机理尚需深人研究 。
生物信息的采集技术和检测系统:生物信息检测主要是对带有生物结构和特征信息的生物量、化学量和物理量的检测;是对根据生物分子卓越识别能力而设计的生物传感器及其检测系统的研究 。
生物信息检测提供了进行生物电子学其它领域研究的基本条件 。早期检测的物理量主要是微弱的生物电信号 ,如心电信号 、肌电信号 、脑电信号和胃电信号等 。近期已发展到运用超导(Superconctor)仪器检测生物体内的更微弱的磁信号 , 包括心磁信号、脑磁信号等 。除此之外,生物信息采集和检测还可以检测生物体内发出的热波 、光信号和声波振动。
目前,基于分子生物学与微电子学技术的结合产生的生物芯片 ,已成为目前国际上研究的一个热点,该芯片得以实现基因分子信息大量快速 、规模化 、低成本获得,与此同时利用无线通讯技术 ,把生物传感器植入体内进行实时监控等技术也已成为现实。
生物信息系统的建模与仿真:生物信息系统的建模与仿真可以使已获得的知识抽象化,揭示出规律性,减少某些昂贵的、费时的实验操作,推动生命科学研究中的定量化和模型化,并为各种信息处理方法和信息系统提供新的、有价值的思路和方案 。对于生物系统的建模与仿真,从工程角度为各种信息处理方法和系统的研制提供了强有力的依据和工具,有助于信息科学的发展。
场与环境对生物物质的作用与应用:随着社会和科学技术的迅速发展,研究辐射场(电、磁、声、光、热、射线)与环境(各种污染)对人或生物体中生物物质作用的微观过程、作用机理和产生的结果十分迫切,这对解释各种场生物效应和机理、了解生命过程、开发诊断仪器、提高治疗效果、增强防辐射能力都非常重要 。
近年来,相关研究发现,可用电场和不同材料基片来控制细胞的增殖和分裂 ,在体外构造生物神经元 。当肿瘤细胞增殖时 , 细胞膜的电位较低 ,若对肿瘤细胞加上适当的正电位 ,则可显著抑制它们的生长。而且已经发现用特定空间分布和频率的电场可以分离细胞。这些新发现无疑是很有价值的 ,但都需要对其机理作进一步的深入了解 。
分子电子学与纳米生物学:分子与生物分子电子学,通常称为分子电子学(Molecular Electronics),它的一个重要目标是研制出由分子器件构造的并行分布式仿生智能信息处理系统,要为新一代信息处理系统开辟一条新的途径 。

生物医学信息学:现代信息技术,特别是计算机技术和网络技术为生物医学信息学的研究提供了一个快捷的手段构建了一个技术平台;运用信息理论和技术处理和解决生物信息学、医学信息学中所提出的相关问题 。
生物医学信号种类繁多, 其主要特点是信号的随机性和噪声背景都比较强, 信号的统计特性随时间而变 ,而且还是非先验性的 。生物医学信息学进行信号处理的研究是指应用并发展信息处理的基本理论,根据生物医学信号的特点 ,对所采集到的生物医学信号进行分析 、辨认 、解释、分类、显示、存贮和传输 , 其研究目的一是对生物体系结构与功能的研究 , 二是协助对疾病的诊断和治疗 。
生物芯片与微全分析系统:生物芯片是现代生物技术与电子技术相结合的产物,它的意义不仅在于扩大现有常规电子元器件的功能、种类和使用范围,而且会使电子工业与生物医学科技经历一次巨大的变革 。
生物医学仪器:生物医学仪器的研究主要包含生物医学检测诊断仪器、生物医学治疗仪器和生物医学监护、管理仪器以及现代生物电子学分析仪器 。
有别于传统的额生物医学,现代生物医学的发展将会在越来越大的程度上依赖于生物医学仪器和工程。无论从人的健康保障还是从市场经济利益考虑 ,医学治疗 、诊断 、监护 、模拟和管理方面仪器设备的研究和生产是十分重要的,。这种利用工程技术解决生物医学的手段特别是在计算机辅助诊断系统方面发展十分迅速。

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3. 什么东西是受到动物的启发而发明的

一、电鱼与伏特电池

自然界中有许多生物都能产生电,仅仅是鱼类就有500余种 。人们将这些能放电的鱼,统称为“电鱼”。

各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏;非洲电鲶能产生350伏的电压。

电鳗能产生500伏的电压,有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压,称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动物。

经过对电鱼的解剖研究, 终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的。由于电鱼的种类不同,所以发电器的形状、位置、电板数都不一样。

电鳗的发电器呈棱形,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。

电鲶的发电器起源于某种腺体,位于皮肤与肌肉之间,约有500万块电板。单个电板产生的电压很微弱,但由于电板很多,产生的电压就很大了。

二、萤火虫到人工冷光

在自然界中,有许多生物都能发光,如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等,而且这些动物发出的光都不产生热,所以又被称为“冷光”。

在众多的发光动物中,萤火虫是其中的一类。萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色,光的亮度也各不相同。

萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率,而且发出的冷光一般都很柔和,很适合人类的眼睛,光的强度也比较高。因此,生物光是一种人类理想的光。

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。萤火虫的发光,实质上是把化学能转变成光能的过程。

三、苍蝇到气体分析器

苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”,凡是腥臭污秽的地方,都有它们的踪迹。苍蝇的嗅觉特别灵敏,远在几千米外的气味也能嗅到。

但是苍蝇并没有“鼻子”,它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来,苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。

每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通,内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”,这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲,送往大脑。

大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同,就可区别出不同气味的物质。因此,苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。

仿生学家由此得到启发,根据苍蝇嗅觉器的结构和功能,仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属,而是活的苍蝇。

就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上,将引导出来的神经电信号经电子线路放大后,送给分析器;分析器一经发现气味物质的信号,便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里,用来检测舱内气体的成分。

这种小型气体分析仪,也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理,还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。

四、蝙蝠和雷达

擅长夜晚飞行的蝙蝠拥有独特的回声定位,通过发出高音频声音并能根据回声判断物体的方位及距离,这种能力可帮助蝙蝠准确判断猎物所在位置,并有效地绕开树、建筑物等。

依据这一理论,蝙蝠的回声定位功能在近距离飞行中可以游刃有余,但对于远距离飞行而言,视力非常差的蝙蝠似乎无计可施了。

霍兰德的这项研究推翻了这种错误观点,他指出蝙蝠具有磁性感官能力,在飞行数千英里之远仍能准确判断方向,蝙蝠的这种能力与某些鸟类有相同之处,除依据磁场,它们还都使用日落作为方向标识器。

这将有助于调整动物体内的“指南针”,并有效地区分磁场北向和真实北向之间的差别。

霍兰德说,“通过这项研究进一步增强了我们对蝙蝠深入研究的兴趣,原本我们认为蝙蝠只有最远飞行几英里,但实际看来,它们与候鸟具有相同之处,可以飞行至数千英里。”

在研究实验中,霍兰德带领研究小组在大褐蝙蝠身体上装配了微型无线电发射器,然后从它们栖息地向北12英里处释放。

在蝙蝠返回栖息地的过程中,研究小组通过小型飞机在蝙蝠上空进行监控。一些未受人造磁场干扰的蝙蝠基于日落磁场识别能力向南飞行,很轻易地就找到了自己的老家。

然而在此之前,研究小组释放了两组蝙蝠,分别处于地球磁场北极顺时针90°和逆时针90°的人造磁场环境中。处于逆时针90°磁场飞行的蝙蝠一直向西飞行。

另一组受顺时针90°磁场的干扰,却一直向东飞行,但这些差点迷失方向的蝙蝠通过日落作为方向标识器,最终意识到飞行方向错误,改变飞行方向顺利地返回栖息地。

科学家们已知道自然界的动物主要分为两种类型磁性感官定位:一种是简单的“指南针”感官功能,这是基于体内磁铁矿颗粒与外界环境发生的反应;另一种则是某些鸟类能根据处于地球磁场不同位置所“看到”的磁场光强度,来准确判断飞行方向。

五、甲虫和防弹武器

气步甲炮虫自卫时,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。

4. 什么是生物电子和生物电子工程

生物电子和生物电子工程是是生物学与电子信息科学相互交叉渗透所形成的一门新兴学科,生物电子学的发展充分体现了上述两个学科的相互依赖和和相互促进的关系。
生物电子学研究包含两个方面:1、研究生物体系的电子学问题,包括生物分子的电子学特性、生物系统中信息存贮和信息传递,由此发展基于生物信息处理原理的新型计算技术;
2、应用电子信息科学的理论和技术解决生物学问题,包括生物信息获取、生物信息分析,也包括结合纳米技术发展生物医学检测技术及辅助治疗技术,开发微型检测仪器。

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