仿生学的发展(第一讲)

基于蜘蛛喷丝头的挤出技术
蜘蛛丝的理化性质与蚕丝相比，具有 非常明显的优势，在力学强度方面，蜘蛛丝 纤维与强度最高的碳纤维及高强纤维等强度 相接近，但它的韧性明显优于高强纤维。
Self-cleaning surface based on the surface of the lotus leaf.(Barthlott & Neinhuis 1999)
第一章 从模仿到创造 ——仿生学的发展
第一节 仿生学的起源
远古时代 人类处于农牧（渔）时代，人类 的祖先模仿蜘蛛网编网捕鱼；受果实 和瓢虫滚动的启发发明轮子……
生存——自卫——竞争
仿生学的发展
工业时代 人们模仿植物和动物结构，创造 新的建筑结构； 模仿鸟的飞翔发明飞机； 模仿人与动物发明机器人； 模仿海豚发明潜艇……
（1）生 物： 动物（150多万种）、植物（40多万种）、微 生物 （10万种） 个体、组、群 整体、部分；组织、器官、系统
有利 （2）模 拟： 有益 于人类需求的，对人类社会有好处的 有用 范围：静、动 层次：点、线、面、体、组、群

形 形 结 材
体（形状、构形） 态（形貌） 构 料
近代几个对人类生活具有重要意义的仿生学成果
Drag reduction based on dermal riblets on shark skin.(Bechet et al. 1997)
基于鲨鱼真皮肋间肌的减阻
鲨鱼皮表面形态
仿鲨鱼皮泳装
Tough ceramics based on mother-of-pearl.(Jackson et al 1997)

过 行 功 其
程 为 能 它

形体（形状、构形）
人造的物体：（刻、画、照、摄、录…）、象形文字
雕 刻
绘 画
象形文字
体表：流线形
剑
鱼
海
豚

形态（形貌）
人造花朵：艺术、塑、刻、雕…
人造盆景
人造刻花
雕 塑
表面形态：非光滑、纹理

结 构 几何：欧氏几何（平面、立体、1，2，3维）、非欧几 何（拓扑、分形、统计） 物理：异相耦合、同相结构
仿生学标志
仿生学的定义
仿生学可以定义为：研究生物系统的结构、性状、原理、 行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作 原理和系统构成的技术科学。 仿生学需要生命科学、物质科学、信息科学、脑与认知科 学、工程技术、数学与力学以及系统科学的交叉。 仿生学的应用可涉及所有技术领域和大多数应用领域。
基于珍珠母的硬质陶瓷
在结构仿生方面最引人注目的是软 体动物的贝壳珍珠层层状结构的仿生。 海洋贝类是由绝大部分的碳酸钙和极少 量的有机质 (一般少于5%)所构成的有 机—无机复合材料，贝壳珍珠层的硬度 是普通文石的2倍，韧性是后者的1000 倍。
Flight mechanisms based on insect flight.(Ellington 1999)
蜂
群

功 能
物理：机械、力、声、电、磁、（脱附、减阻、耐磨、降噪） 化学：物化（自洁)、防腐、节能 自适应：自繁殖、自生长、自学习、自修复 生物学：新陈代谢、光合作用、固氮
荷叶自洁外墙漆
牛的新陈代谢
植物的光合作用
（3）创造人工制品：
开发仿生技术 创造性地设计与 制造仿生产品 营造仿生系统 建造仿生工程
奇异的仿生学
刘燕 教授
吉林大学生物与农业工程学院 吉林大学工程仿生教育部重点实验室
奇异的仿生学 前言
课程内容
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 第九章 第十章 从模仿到创造——仿生学的发展 从灵感到制造的创新过程——仿生学研究方法 适者生存——军事仿生 自然到人工——天然生物及其仿生材料 从鸟巢到“鸟巢”——仿生建筑初探 运动与美——仿生学与文体 舞动的精灵——昆虫仿生 科幻离现实有多远？—— 奇妙的人造器官/组织 生物社会组织的启示——管理仿生 精妙的微观世界——分子仿生


学习自然，运用规律——发明与创造
科学与技术创新的动力与源泉
科学与技术固然性质与目标不同，但它们仍有共同 和相关之处：

都源于人的创新欲望； 都源于对自然和社会的认知和学习； 科学与技术互为条件，互相促进； 都受到社会需求、社会环境、社会文化的制约和推动。
人的创造欲是科技创新的根本动力，自然和社会 是我们认知和创新服务的对象，也是我们学习的最好老 师。
狭义理解—模拟生物制造人工技术制品

创新地设计与制造仿生技术产品：用人工使原材料成为
可供使Baidu Nhomakorabea的物品。
第四节 仿生学与科技创新的关系
科学与技术创新的动力与源泉

科学：反映现实世界的客观规律的知识体系。

科学研究的动力与源泉来自于： 求知欲、好奇心（事实）； 事物变化规律的探索（规则）； 新方法、新工具与新问题。
科学的目的是求知和求真。
科学与技术创新的动力与源泉
技术的目的在于满足需求和市场的竞争。 其动力与源泉来自：

源于人们实践经验累积与创造欲望； 源于科学发现引发的技术创新，创造的新工艺、新方法、新产品、 新体系； 源于对自然界生物结构、功能、行为以及相互作用的学习与模 仿； 源于需求与市场竞争的推动。
建立在荷叶表面的自清洁表面
仿生学的前沿
仿生学的前沿也伴随着科技发展与经济社会的发展而 发展； 仿生学有无止境的前沿!
仿生学未来
1、近四十亿年进化，“物竞天择”的生物世界是技术创 新不可替代、取之不竭的知识宝库和学习泉源； 2、仿生科学有无止境的前沿，正向着微观、系统、智能、 精细、洁净方向发展；
生物学、物理学、生物化学、控制论工程等学科相互关
联、相互渗透，使仿生学上升到新的层次。
仿生学的定义
仿生学一词最早是在1960年由美国人斯蒂尔取自拉丁 文“bios”（生命方式）和词尾“nic”（具有……性质 的）合成的，他认为：仿生学是研究模仿生物系统方式， 或是以具有生物系统特征的方式，或是以类似于生物系统 方式的系统科学。 一般认为，1960年全美召开的第一届仿生学讨论会 是仿生学诞生的标志。
人类进化只有五百万年的历史， 而生命进化已经历了近四十亿年的历史。
谢谢各位！
仿生学的含义
仿生学广义的理解是：仿生学这门学科研究生物系统各种各样 的特征（包括物质、能量、信息等），作为模拟对象逐步改善现代 技术设备并创造新的工艺技术。
仿生学狭义的理解是：仿生学是研究生物接收、传递、加工信
息的方法及其机制。作为模拟对象，设计各种各样自控机的科学。
广义理解—模拟生物（自然）创造人工制品
观察——灵感——模仿
仿生学的发展
信息时代 模仿人的运算发明计算机； 模仿生物的信息传感……
分析——启示——设计
仿生学的发展
知识时代 人们模仿生命的微观结构与功能; 模仿生命的遗传与发育; 模仿人脑的认知; 模仿生命的协同进化; ……………
模仿——制造——创新
第二节 仿生学的诞生
自然科学的迅速发展，模仿生物创造出来的新仪器、新设 备也日益增多。例如：雷达、响尾蛇导弹、电子计算机等。

材 料 组成（成分）、组织、结构（宏观、介观、微观）

过 程
短：反应（快速）、动作（体育、武术）
食虫草
跳 高
武
术
长：生长（向日葵）
向日葵
生物进化 地球进化
行 为
多类：a.摄食、躲避、防护；b.社会、个体； c.信息、交流 主要以运动：有位移运动、无位移运动
鱼鹰捕食
海豹躲在浮游生物群中
基于昆虫飞行的飞行机制
微型飞行器由于其体积小，有很好的 隐蔽性和机动性，最适于在室内或野外小 范围内进行侦察；也可以攻击载人飞行器 及其它目标。将MFI用于气象数据收集、 环境研究等方面，可大大减少费用。
Extrusion technology based on the spinneret of the spider(Knight & Vollrath 1999)