耦合仿生学

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页数:305
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出版时间:2011-11
价格:75.00元
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isbn号码:9787030303783
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  • 仿生学
  • 科普
  • 影响的物理科学
  • 仿生学
  • 耦合
  • 系统建模
  • 复杂系统
  • 交叉学科
  • 生物启发
  • 工程应用
  • 控制理论
  • 优化算法
  • 创新设计
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具体描述

生物界普遍存在的生物耦合现象是多元耦合仿生的重要生物学基础,它为仿生学,尤其是工程仿生学带来新的研究理念和思维。《耦合仿生学》从系统生物学、应用生物学和仿生学的角度,系统地阐述了生物耦合的作用机制、特征规律、耦合仿生设计与制造的基础理论和关键技术及其最新研究进展。

全书共分12章,除系统介绍和阐释了生物耦合的基本构成与主要特征、耦合原理与作用规律、生成机制与功能实现模式外,还重点阐述了基于生物耦合分析的生物建模和仿生建模、仿生耦合设计及仿生耦合功能产品的制造,此外还介绍了耦合仿生的效能评价。书中详述了大量实例,以方便读者借鉴。

《耦合仿生学》可作为仿生学、应用生物学、系统生物学、生物工程、生物医学工程、机械工程、材料工程和农业工程等学科专业的教师、本科生、研究生的教学或科学研究的参考书,也可供相关学科专业的科研人员、技术人员和设计人员参考。本书由任露泉,梁云虹著。

书名:共生之弦:生命系统的复杂性与涌现 简介: 在广袤的生命图景中,我们常常被个体生物的精妙构造所震撼,但真正的奇迹往往隐藏在“关系”之中。生命并非孤立的奇点,而是由无数相互交织、动态演化的网络构成。《共生之弦:生命系统的复杂性与涌现》旨在深入探索生命系统中普遍存在的相互依赖性、信息传递与协同作用,揭示这些互动如何驱动着宏观生命现象的产生。 本书跳脱出传统生物学对个体或物种的孤立研究范式,将视野投向了连接生物体及其环境的“界面”——生态位构建、微生物群落、细胞间信号网络,乃至生物圈自身的稳定机制。我们相信,理解生命的本质,必须理解其内在的“耦合”逻辑,即不同层级、不同尺度的组件如何通过反馈回路、信息交换和物质循环,形成超越各部分之和的整体行为。 第一部分:微观互动:从细胞到群落 本书的开篇聚焦于生命最基础的层面——细胞与分子间的相互作用。我们探讨了细胞如何通过细胞外基质、膜受体和细胞骨架的动态重组,感知外部环境并作出协调一致的反应。这里的关键在于“动态平衡”与“自组织”:细胞不是被动接受指令的机器,而是主动参与信息处理和结构构建的实体。我们将深入分析细胞信号转导网络中的非线性动力学,例如振荡、开关行为和多稳态现象,这些都是系统复杂性的早期体现。 随后,我们将视线扩展至微生物群落。微生物群落被誉为地球上最古老、最有效的“生物工程系统”。我们不仅描述了群落的结构多样性,更着重分析其功能实现机制:群体感应(Quorum Sensing)如何调控集体行为,代谢物交换如何构建起复杂的食物链与能量流网络。例如,肠道菌群与宿主免疫系统之间的“交流暗语”,揭示了共生关系如何通过调控分子信号,影响宿主的生理状态和行为模式。这种跨界别的、相互塑造的互动,是生命系统稳定性的基石。 第二部分:结构涌现:形态发生与生态演化 在宏观层面,形态的形成与生态系统的演化是复杂性耦合的集中体现。形态发生(Morphogenesis)并非简单的基因表达蓝图的线性展开,而是基因、物理力学(如张力、剪切力)和化学梯度场相互作用的产物。本书将引入发育生物学中的“场论”概念,阐述这些相互关联的因素如何引导细胞迁移、组织边界的形成,最终涌现出高度有序的器官结构。这种自下而上的构建过程,要求组件之间存在持续、低延迟的反馈机制。 更进一步,我们探讨了生态系统层面的耦合。一个森林生态系统并非一堆随机堆砌的植物和动物,而是一个由捕食者-猎物关系、物种竞争与合作构成的动态网络。本书将分析物种多样性如何通过功能冗余和互补性,增强整个系统的抵抗力与恢复力(韧性)。我们将考察关键物种(Keystone Species)的角色,它们如同网络中的“枢纽节点”,其状态的微小变化能引发整个群落结构的剧烈重组。生态系统的稳定性,正是源于这种动态平衡下的高度耦合结构。 第三部分:信息与适应:跨尺度连接的机制 生命系统的核心挑战在于如何在信息传递的噪音和不确定性中保持功能和适应性。本书的第三部分聚焦于信息处理与学习机制在不同尺度上的体现。 在分子层面,我们分析了DNA修复与基因调控回路中的冗余设计和误差校正机制,这些设计是系统应对分子层面随机性的工程学体现。 在行为层面,我们研究了动物群集行为(如鸟群迁徙、鱼群洄游)中,个体简单规则如何通过邻域互动,产生高度协调的集体运动。这种集体智能(Swarm Intelligence)的产生,依赖于信息在群体中的快速扩散与平均化。 更具挑战性的是跨尺度的信息传递。例如,气候变化对珊瑚礁生态系统的影响,就是一个涉及物理化学(海水酸化)、生物化学(钙化率下降)和行为生态学(物种分布迁移)的复杂耦合问题。理解这些跨尺度效应,要求我们建立能够处理多时间尺度和空间尺度差异的建模工具。 结论:面向未来的系统思维 《共生之弦》最终的目的,是提供一种系统性的思维框架,用以理解生命面对外部扰动时的韧性与演化潜力。生命系统之所以能够持续存在并繁衍,并非因为它们是“完美”的,而是因为它们拥有将局部失败转化为系统适应性的“耦合”能力。 本书不仅是对现有生命科学知识的梳理,更是一次思维上的挑战——鼓励读者超越线性的因果链条,去拥抱生命世界中普遍存在的循环、反馈与相互依赖性。通过对这些复杂机制的深入理解,我们能更好地应对生物多样性危机、理解人类自身健康与疾病的深层机制,并有望从自然的“共生智慧”中汲取灵感,构建更具韧性和可持续性的未来技术和社会结构。它是一本面向生物学家、工程师、物理学家以及所有对生命涌现之美怀有好奇心的人士的导读。

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读后感

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用户评价

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《耦合仿生学》这本书,给我带来的最大收获,就是对“高效”二字的全新理解。作者通过“耦合”这一概念,向我们展示了自然界是如何在有限的资源和环境下,实现惊人的效率。书中对生物能量传输的探讨,让我茅塞顿开。例如,某些海洋生物体内存在着复杂的生物发光系统,其发光效率的提升,并非单一的发光物质起作用,而是涉及到发光细胞的排列、保护层的结构、以及光线反射的优化等多个要素的“耦合”。这种多方面的协同,使得它们能够在黑暗的深海中,高效地发出和接收信号。

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我一直认为,科学著作最能打动人的,是那种能让你“恍然大悟”的时刻,《耦合仿生学》这本书正是如此。作者以“耦合”为线索,将生物界的各种现象,从宏观到微观,都呈现出一种内在的逻辑和关联。读到关于植物授粉机制的章节,我才真正理解,花朵的颜色、气味、形状,以及昆虫的飞行轨迹、触角感知,这些看似独立的元素,是如何通过一种复杂的“耦合”关系,来达到高效授粉的目的。这种对自然界“生态系统”和“互动机制”的深入挖掘,让我对生命的演化和适应有了全新的认识。

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坦白说,《耦合仿生学》这本书给我带来的震撼,远超我的预期。我原以为这会是一本偏向学术、充满专业术语的读物,但事实是,作者以一种极具感染力和启发性的方式,将复杂的仿生学原理娓娓道来。他不仅仅局限于介绍单个生物的模仿对象,更强调的是不同生物系统之间的“耦合”关系,以及这种耦合如何优化整体性能。例如,书中对鸟类飞行和鱼类游动的对比分析,不仅仅是两种运动方式的描述,而是深入探讨了它们各自所面临的环境挑战,以及各自发展出的“耦合”策略来应对。从鸟类翅膀羽毛的微观结构与空气流动的耦合,到鱼类鳞片与水的摩擦力耦合,每一个细节都充满了智慧。

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读完《耦合仿生学》,我发现自己对“创新”的定义都发生了改变。过去我总觉得创新是凭空产生的,而这本书让我明白,很多伟大的创新,其实隐藏在自然界最基本、最精妙的“耦合”关系之中。作者在书中花了大量篇幅,探讨了动物的感官系统与运动系统的“耦合”。比如,壁虎的脚垫与墙壁表面微观结构的“耦合”,使得它能够轻松地在各种光滑表面攀爬。这不仅仅是吸附力的研究,更是对材料科学、力学原理以及生物微观结构如何协同作用的深刻解读。这种从自然界“学习”并“耦合”的思路,对未来科技发展具有极其重要的指导意义。

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我很少会因为一本书而改变看待世界的方式,《耦合仿生学》做到了。作者的笔触,不仅仅是在描绘自然界的奇迹,更是在引导我们去思考“什么是真正的效率”。他通过“耦合”这一核心概念,将看似独立的生物现象串联起来,展现了一种更为宏观和系统性的理解。书中对植物根系分布与土壤养分吸收的“耦合”研究,就让我大开眼界。我之前只知道植物需要根系,但从未想过,根系的发达程度、分支的密度,以及根毛的形态,竟然是与土壤的孔隙度、水分含量、养分分布等因素“耦合”在一起的,而且这种耦合是动态调整的,以达到最优的吸收效果。

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这本书《耦合仿生学》不仅仅是一本科普读物,更像是一本“智慧的启示录”。作者以“耦合”为核心,将看似分散的生物学知识,编织成一张逻辑严谨的网络。我特别喜欢书中关于动物伪装和防御机制的分析。例如,一些变色龙能够快速改变体色,这不仅仅是色素细胞的简单变化,更是皮肤的微观结构、光线的反射、以及神经系统的快速响应等多方面的“耦合”作用。这种精妙的协同,使得它们能够与周围环境融为一体,有效躲避捕食者。这种对自然界“策略”的深刻解读,让我受益匪浅。

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《耦合仿生学》这本书,让我深刻体会到“整体大于部分之和”的真谛。作者在书中反复强调的“耦合”概念,并非仅仅是简单的叠加,而是不同元素之间复杂而动态的相互作用,从而产生出远超个体能力的整体效能。我尤其被书中关于蜂巢结构的分析所吸引。蜂巢的六边形设计,不仅仅是为了节省材料,更是为了实现整个结构的力学稳定性和空间利用率的最佳“耦合”。每一个六边形之间的连接,都经过了精密的计算,这种整体的“耦合”设计,使得蜂巢能够承受巨大的重量,并高效地存储蜂蜜。

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这本书《耦合仿生学》真是一次意想不到的脑力探险!刚拿到书的时候,我被它的名字吸引住了,总觉得“耦合”和“仿生学”这两个词放在一起,会碰撞出怎样的火花?翻开扉页,作者以一种极其引人入胜的语言,将原本可能枯燥的科学概念,描绘得如同科幻小说般充满想象力。他不仅仅是在介绍生物体的结构和功能,更是深入探讨了这些自然界精妙设计的“内在逻辑”和“相互关联性”。比如,书中对蜻蜓翅膀与空气动力学的研究,不是简单地描述其扑翼机制,而是详细分析了其微观结构如何协同工作,实现近乎完美的飞行效率,甚至还联系到了现代无人机设计上的借鉴思路,这种跨学科的思考方式,让人耳目一新。

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我强烈推荐《耦合仿生学》给所有对自然界以及科技发展感兴趣的朋友。这本书的独特之处在于,它不仅仅是简单地“模仿”自然,而是深入理解自然界“如何运作”的“内在机制”。作者提出的“耦合”理念,在我看来,就是理解这些机制的关键。书中关于介形虫的案例,让我印象深刻。这种微小的甲壳类生物,其壳的开合方式,以及内部的肌肉结构,竟然与外部水流的压力变化存在着精妙的“耦合”。这种耦合使得它们在感知水流变化的同时,能够高效地开关外壳,保护自己。这种对微观世界的细致洞察,以及将其上升到“耦合”这一普遍规律的提炼,实在令人赞叹。

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我一直对自然界的“巧合”和“设计”感到好奇,《耦合仿生学》这本书,就像一把钥匙,为我打开了理解这一切的全新视角。作者并非仅仅罗列各种生物的奇特之处,而是着重于揭示它们是如何通过“耦合”——即不同部分、不同机制之间的紧密协作与相互影响——来实现非凡的生存能力和效率的。读到关于海星触手运动的章节,我才了解到,它们看似笨拙的移动方式,背后却是一套极其复杂的液压系统和神经控制网络的“耦合”运作。这种精妙的协同,使得它们能够在崎岖的海底地形中灵活穿梭,捕捉猎物。书中对这些生物机制的深入剖析,让我对“设计”这个词有了更深刻的理解,它不是单一的完美,而是多个要素协同作用的艺术。

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