仿生学的发展(第一讲)
仿生学研究的进展和前景
仿生学研究的进展和前景当我们观察自然界中的各种生物时，我们会发现它们的形态、结构和运动方式都非常精密而高效。
仿生学是一门学科，通过模仿这些生物来研发能够模拟它们的机器人和其他技术。
仿生学的研究范围非常广泛，涵盖力学、机械工程、生物学、材料科学和电子工程等领域。
随着技术的进步和研究的不断深入，仿生学在各种领域的应用也变得越来越广泛。
一、仿生学在机器人领域的应用仿生学在机器人领域的应用最为广泛。
因为大自然中的各类动物，如鸟类、昆虫等，都有自身独特的运动方式和适应环境的特性。
如今的人们也能够仿造这些特点，赋予机器人对不同环境的融入能力。
比如稳定性较强的六足机器人就是借鉴了昆虫的运动方式，可以在不平坦的地形上行进，它的运动方式适应于充满难题的搜索和搜救行动。
二、仿生学在航空航天领域的应用仿生学在航空航天领域的应用也十分广泛。
研究发现，鸟类的翅膀结构是非常适合在高空中飞行的。
基于这一发现，科学家开发出了仿生翅膀，不仅在飞机上被使用，而且还被用于开发具有热隐形性的导弹。
这些仿生翅膀不仅质量更轻，而且因为复制了鸟类行为，所以更加节能。
此外，在火箭发动机的组装过程中出现的问题，也可以通过仿生学来解决。
科学家们以赤螳螂为模板，发明了采用进口器运行的喷气发动机。
三、仿生学在医学领域的应用仿生学在医学领域也有很多应用，其中最明显的就是医学器械的仿生制造。
例如仿生耳机，不仅重量轻并且能够有效滤除噪音。
同时仿生学还被用于研究生物学问题，帮助人们更好地理解人体的机理以及疾病。
四、仿生学在材料科学中的应用仿生学在材料科学中的应用范围也非常广泛。
仿生设计的产品可以被用于改善建筑和基建的安全性和性能，例如从虎蛇的鳞片中得到启示，设计了一种能够抵御子弹和爆炸的新性材料。
另外，仿生学也可以用于开发一些适合特定环境的材料，例如在火山喷发的环境中运作的材料。
五、仿生学的未来随着各种新兴技术的涌现，仿生学的研究也会变得更加广泛且有效。
学科的深度和广度也会呈现出不停地拓宽。
仿生学研究与应用
仿生学研究与应用仿生学（Bionics）是一门跨学科的科学，它通过研究生物体的结构、功能和行为，来获得对于人造系统的启示和指导，从而创造出更加高效、智能和可持续的技术和产品。
它将不同领域的知识融合在一起，涵盖了生物学、工程学、物理学、化学等多个学科，在科技发展中扮演着重要的角色。
一、仿生学的起源和发展在人类探索自然、模仿自然的过程中，仿生学可以追溯到古代。
古人在观察动物形态和行为时，就尝试着将其应用到日常生活中，比如仿造鸟类的飞行原理制造风车，仿制牛蓢制作船帆等等。
而真正将仿生学发展为一门学科的，则可以追溯到20世纪。
二、仿生学的研究领域1.仿生材料和结构仿生材料是指通过研究生物组织和功能，制造出与之相似的材料。
比如仿生纳米材料、仿生涂层等。
而仿生结构则是指受到生物体结构启发，设计出具有特殊功能的人造结构，如仿生建筑、仿生桥梁等。
2.仿生机器人仿生机器人是指通过模仿生物体的外形和行为，设计和制造可以模拟生物体运动、感知和智能的机器人。
研究者可以通过仿生机器人的研发，探索机器人在不同领域的应用，如救援机器人、智能家居机器人等。
3.仿生传感器和控制系统仿生传感器和控制系统是指借鉴生物感知和控制机制，设计和制造具有类似功能的传感器和控制系统。
比如仿生人眼传感器、仿生神经网络等。
4.仿生医学和健康技术仿生医学和健康技术是指通过仿生学的方法，研究和应用于医学领域，致力于改善医疗健康技术。
比如仿生义肢、仿生心脏瓣膜等。
5.仿生能源和环境技术仿生能源和环境技术是指通过仿生学的方法，研究和开发可持续能源和环境技术。
比如仿生光伏技术、仿生风力发电技术等。
三、仿生学在实际应用中的例子1.莲花塔莲花塔是受到莲花结构启发设计的建筑物，它具备了良好的自洁性和耐候性，同时也减少了建筑材料的使用量。
2.仿生无人机仿生无人机模仿鸟类飞行原理，具有较好的机动性和能耗效率，广泛应用于侦察和物流领域。
3.仿生纳米材料仿生纳米材料通过模仿生物体的结构和功能，具有更高的特异性和效率，被广泛应用于生物传感、药物缓释等领域。
生物仿生知识（上）-第四章
第四章仿生学知识仿生学是近年来发展起来的工程技术与生物科学相结合的交叉学科。
仿生的英文名字是Bionics。
人们发现，一些关于植物和动物的相类似的功能，实际上是超越了人类自身的在此方面的技术设计方案的。
植物和动物在几百万年的自然进化当中不仅完全适应自然而且其程度接近完美。
仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。
仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。
属于生物科学与技术科学之间的边缘学科。
它涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域。
仿生技术通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机械等。
仿生学思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决技术难题提供了帮助。
通过再现生物学的原理，人类不仅找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要。
仿生学的目的就是分析生物过程和结构以及它们的分析用于未来的设计。
仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。
人类所从事的技术就是使得达到最优化和互相间的协调。
而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好机会。
在我们人类的技术世界中模拟自然中的东西并不是一个新鲜的思想，自从传说中的Ikarus带着用鸟的羽毛做成的翅膀飞向空中，而最后因为太阳的热度掉到地上起，人类一直就沉迷于此。
1994年中科院（CAS）曾邦哲[曾杰]提出系统生物工程（systems bio-engineering）与系统遗传学的概念与原理，探讨细胞仿生工程，并于德国2002年提出细胞通讯的生物计算机（ Automatic Cell and Bionic Computer）模型。
仿生学与遗传学的整合是系统生物工程的理念，也就是发展遗传工程的仿生学。
人工基因重组、转基因技术是自然重组、基因转移的模仿，还天然药物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生，人工神经元、神经网络、细胞自动机是细胞系统水平的仿生，跟随单基因遗传学单基因转移发展到多基因系统调控研究的系统遗传学（system genetics）、多基因转基因的合成生物学（synthetic biology），以及纳米生物技术（nano-biotechnology）、生物计算（bio - computation、DNA计算机技术的系统生物工程发展，仿生学已经全面发展到一个从分子、细胞到器官的人工生物系统（artificial biosystem）开发的时代。
仿生学PPT课件
素以红、绿或蓝显示出来。手上的超薄电
子皮肤能在运动状态下作为电子显示屏来 使用。还能用于多种商业用途，例如播放
媒介。未来，这样的电子皮肤能用在手术
中，检测人体器官内的氧气含量。
如果把智能皮肤安置于人的上臂，它就能 检测脑波，然后把信号传达到假肢，让它 完成相应的动作。智能皮肤有着无限的可 能性，不仅是在医学领域，它在游戏竞技 和个人健康监测方面都有着极大的潜力。
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PA R T
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人造肌肉又叫电活性聚合物，是一种新型智能高分 子材料，它能够在外加电场下，通过材料内部结构 的改变而伸缩、弯曲、束紧或膨胀，和生物肌肉十 分相似。
人造肌肉状材料是根据生物学原理，由3种氨基酸
(缬氨酸、脯氨酸和甘氨酸)按一定顺序排列而构成
的，它类似于人的肌肉纤维，具有弹性，且能随环
1据英国泰晤士报等媒体日前报道一名自颈椎以下瘫痪的美国男子借助一个与计算机相连的植入器和人造手臂就可通过思维打开电视机看电子邮件和处理其他一些日常事务此类大脑植入将最终使重度残肢疾人能够控制轮椅和人造假肢
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据英国（《泰晤士报》等媒体日前报道， 一名自颈椎以下瘫痪的美国男子借助一个与 计算机相连的植入器和人造手臂，就可通过 思维打开电视机、看电子邮件和处理其他一 些日常事务，此类大脑植入将最终使重度残 疾 人 能 够 控 制 轮 椅 和 人 造 假 肢 。 这是迄今为止人类朝着开发“仿生学系 统”迈出的最大一步，它有可能使那些失去 肢体的人恢复神经运动的功能。日前出版的 《自然》杂志详细介绍了这项历时 30 多年的 研究所取得的非凡成果。
境温度和化学成分(如pH值)的变化而伸缩。由于它 能模拟活体的生物过程，于是，人们把这种材料称 为生物聚合物。
仿生学全面版
(2)仿生设计发想
所谓发想是设计活动中寻求“金钥匙” 的过程，是利用一定的思考技术来帮助 设计师发倔解决问题的方案。仿生设计 的发想在仿生设计概念的指导下，凭借 设计师感性和直观的思考，以及在对具 体仿生目标对象进行进一步的认识与归 纳的基础上进行设计创新的探索与尝试 ，然后再用理性和推理的思考方式来验 证这种感性和直观认识的价值并进行修
莱特兄弟发明了真正意义上的飞机。在 飞机的设计制作过程中，怎样使飞机拐 弯和怎样使它稳定一直困绕着他们。为 此，莱特兄弟又研究了鸟的飞行。例如 ，他们研究鶙鵳怎样使一只翅膀下落， 靠转动这只下落的翅膀保持平衡；这只 翅膀上增大的压力怎样使鶙鵳保持稳定 和平衡。
如今飞机的平衡锤仿生了苍蝇的平衡棒
(3)仿生设计提案
在完成前期设计发想的各种意向性草案 以后，必须以产品构成要素为核心，综 合产品设计的相关因素，先进行一次或 多次的分析、评价，而后筛选出有发展 可能与价值的草图，经过探讨和修正而 得到比较符合产品概念和设计目标需要 的若干较为详细、完善的仿生设计方案 。最后对设计方案进行预想效果的表现 。
在研究天然蚕丝结构和性能后，成功开发 了异形纤维和超细纤维等仿真丝纤维和纺 织品。
肉色袜
我们的服装与仿生还有哪些关系？
孔雀裙、燕尾服、荷叶领、灯笼裤
变色龙与迷彩服
2008年奥运会上的高科技泳衣
美国华盛顿大学的研究人员正在试图揭 示蜘蛛吐出的水溶性蛋白质是如何变成 不溶的、强度比防弹背心还要坚韧的丝 的奥秘。科学家们已开始运用仿生学理 论研制人造蜘蛛丝。
仿生设计
仿生设计学与旧有的仿生学成果应用 不同，它是以自然界万事万物的“形” 、“色”、“音”、“功能”、“结构 ”等为研究对象，有选择地在设计过程 中应用这些特征原理进行的设计，同时 结合仿生学的研究成果，为设计提供新 的思想、新的原理、新的方法和新的途 径。
仿生学的理念和应用
仿生学的理念和应用引言仿生学是对生物体结构和功能的模仿、仿制，应用于工程学、医学和科学研究等领域的学科。
作为一种新兴学科，它借鉴了自然界中的设计和演化，并将其与现代工程技术相结合。
仿生学的理念和应用为各个领域带来了许多创新性的思路和解决问题的方法。
1. 仿生学的发展历程仿生学始于20世纪初期，但真正开始受到广泛认可和应用是在20世纪60年代。
在这一时期，生物学家和工程师们开始合作，将生物学知识应用于机器设计和生产中。
最为成功的案例是生物钟，在这个过程中，借鉴了蜜蜂的舞蹈和细胞代谢循环的思路，开发出了一种可以自动调节人类睡眠节律的系统。
2. 仿生学的理念和应用2.1 结构仿生结构仿生是仿生学的一种重要应用方式，它考虑了生物体形态、质量和机能等多方面因素，并将之应用于建筑设计、道路规划、交通工具制造等领域。
在建筑领域中，借鉴了如蜘蛛网、竹林、树枝等自然结构，开发出了一系列轻型、高效的建筑材料，如玻璃纤维、夹层板和蜂窝板等。
这些材料具有自重轻、强度高、隔音隔热等优点。
2.2 功能仿生功能仿生是通过模仿生物体的某种功能特点，并将其应用于现实生活中的新技术和产品中。
例如，利用蜜蜂的视觉特征，开发出了一种可穿戴式设备，能够在视觉和语音交互的基础上识别附近的事物，辅助人们进行导航、定位和搜索等。
又如借鉴海豚的流线型身形，开发出了一种船舶涂料，能够降低水阻，提高航速和燃油使用效率。
2.3 生命化设计生命化设计是指以生物学系统为模型，将其应用到产品设计和工艺流程中的一种设计理念。
生命化设计十分注重产品的环境适应性、可持续性和安全性等方面。
例如，仿照花朵营养供应的方式，设计出一种智能化的土地肥料，能够根据当地土壤状况自动调配营养物质。
这种肥料不但不会污染环境，还有助于提高农作物的产量和质量。
3. 仿生学的应用前景随着工程技术的不断进步和仿生学理论的不断发展，仿生学的应用前景十分广阔。
例如，生物材料的研究和应用将会带来更具可持续性的建筑和交通工具；仿生机器人的研究和应用将有助于解决人工智能、空间探索和救援等方面的问题；仿生医学的研究和应用将有助于开发出更有效的药物和疫苗。
仿生学
仿生学的发展历程摘要：自古以来，勤劳的人类就在不断地适应和改变这个环境，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。
劳动创造了人类，人类也通过劳动创造了美好的现在，不断地劳动促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展，这也使得人类的能力和智慧远远超过生物界的其他类群。
人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而在自然界里获得更大自由。
人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领，由此诞生了仿生学。
仿生产品已经运用到了人类生活的各个方面，极大促进了社会发展。
关键词：仿生，观察，思考，模仿（一）仿生学的历史由来地球上存在的亿万种生物，经过千百万年的进化、发展而来，这使得生物体的某些部位具有最可靠、最灵活、最高效、最经济的能力，为人类的效仿提供了无穷尽的资源。
其实仿生一直伴随着人类，早在几千年以前勤劳的炎黄子孙就开始了观察，模仿自然界其他生物来制造工具为人类服务。
在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木浆，效仿鱼类，极大改进了船只的效能。
春秋战国时代(公元前450～500年),鲁班上山伐木,途中手指被茅草划破,他仔细观察叶片上的毛刺，从中得到启发,经反复试验,终于制成了人类史上第一把锯……但是这些模仿在人类历史上也只是星星点点，运气占很大成分，限于时代科学技术的落后，使得人类无法了解身边生物的形态构造和生理机能，以至于无法形成一门独立的学科。
而真正意义上的现代仿生学诞生的标志是1960 年美国人斯蒂尔根据拉丁文构成Bionics一词，同年在美国俄亥俄州达顿城(Dayton)的一个空军基地召开了全美第一届仿生学讨论会。
美国军医Jack Ellwood Steel博士,给这门新兴的学科起了一个名字叫做bionics(仿生学)，并给它下了这样一定义:“仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统,或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学”,即仿生学就是“模仿生物的科学”[1]。
仿生学四年级
仿生学四年级一、什么是仿生学？仿生学是一门研究生物学和工程学的交叉学科，通过学习和模仿自然界中生物的结构、功能和行为，来解决工程和设计问题的学科。
二、仿生学的起源和发展仿生学的概念最早可以追溯到古希腊时期的亚里士多德，但直到二十世纪才成为一个独立的学科。
随着科技的进步和对自然界的深入研究，仿生学的发展变得越来越重要。
如今，仿生学已广泛应用于机器人技术、材料科学、建筑设计等领域。
三、仿生学的原理和方法1. 结构仿生：通过研究生物的结构，如鸟类的骨骼结构、昆虫的翅膀结构等，来设计出更轻巧、更强韧的材料和结构。
2. 功能仿生：研究生物的功能，如蝙蝠的声纳系统、鲨鱼的皮肤纹理等，来设计出更高效、更智能的工具和设备。
3. 行为仿生：通过观察生物的行为，如鸟类的群体行为、蚂蚁的分工合作等，来优化工程和管理系统。
四、仿生学的应用领域1. 仿生机器人：通过仿生学的原理和方法，设计出具有生物特征和功能的机器人，如模仿昆虫的飞行机器人、模仿蜘蛛的爬行机器人等。
2. 仿生材料：通过仿生学的原理和方法，开发出具有特殊功能和性能的材料，如仿鲨鱼皮肤的防污涂层、仿莲花叶的自清洁材料等。
3. 仿生建筑：通过仿生学的原理和方法，设计出更节能环保、更适应环境的建筑，如模仿蜂巢结构的建筑、模仿植物叶片的遮阳装置等。
4. 仿生智能：通过仿生学的原理和方法，开发出具有学习和适应能力的智能系统，如模仿脑神经网络的深度学习算法、模仿昆虫的群体智能算法等。
五、仿生学的意义和前景仿生学的研究可以为我们提供更多的灵感和解决问题的思路。
通过借鉴自然界的智慧，我们可以开发出更具创新性和可持续发展的技术和产品。
同时，仿生学的研究还有助于我们更好地了解和保护自然界，促进人与自然的和谐发展。
六、结语仿生学作为一门新兴的学科，正在不断发展壮大。
它不仅是一种学术研究，更是一种创新和设计的方法。
通过仿生学的研究，我们可以更好地理解自然界，创造出更好的工具和产品，推动科技和工程的进步。
仿生学的发展(第一讲)之第三节
健康需求
“电疗” 麻沸散 五禽戏 仿生器官 仿生保健
华佗
五禽戏
军事需求
武器装备 战略战术
发展需求
感知更强 功能更强 运动更好
感知更强的仿生
(a) 跳蛛 (b) 视网膜 (c) 绿光通过路径 跳蛛及其视觉系统
自然界许多生物拥有独特、超强的感知系统，如 视觉、听觉、味觉、触觉等，敏锐程度远远超越人类。 人类开展视觉、听觉、嗅觉、触觉仿生，开发各种仪 器设备，为人类的生活带来了极大的便利。
第一章 从模仿到创造 ——仿生学的发展
第三节 仿生学基本要素
仿生需求 仿生模本 仿生模拟 仿生制品
1.3.1 仿生需求
生存需求
生存需求的不断增长，促动着 人类在各种实践中不断地观察自然 界，历经了实际需求、生物模仿、 大胆实践、惨痛失败、经验总结、 创造模拟等众多环节完成了模拟生 物发明和创造由简单到复杂，由粗 糙到精细等多种工具和机器。
运动更好的仿生
(a) 仿壁虎陆地爬行机器人 (b) 仿鱼海域侦察机器鱼 (c) 仿蚊子空中侦类优异的运 动本领。人类模仿生物行走、奔跑、跳跃、游泳、飞 行等运动形式，发明了能上天入地、潜海、能在人类 无法活动的地方畅行无阻的仿生机械与仿生机器人。
仿生学概论概要课件
生态仿生
通过模仿生物体的生长和演化过程，实现建筑与环境的和谐共生。例如，模仿森 林生态系统的建筑设计，实现自然通风、采光和能源利用；模仿湿地生态系统的 城市规划，改善城市环境和生态平衡。
航空航天
飞行仿生
通过研究鸟类和昆虫的飞行机制，开发更加高效、安全和可靠的航空航天技术。例如，模仿鸟类翅膀结构和飞行 机制的飞机机翼设计，提高飞行效率和安全性；模仿蜻蜓翅膀的无人机设计，实现更灵活的飞行和悬停。
域的知识和技能。
未来发展方向与趋势
更高级的仿生材料
随着材料科学的进步，未来将 开发出更高级、功能更丰富的 仿生材料，用于制造更高效、 可靠的仿生装置。
个性化医疗与定制化仿生 装置
随着个性化医疗的兴起，未来 的仿生装置将更加定制化，以 满足患者的特定需求。这涉及 到生物信息学、基因编辑和其 他相关技术的综合应用。
增强现实与仿生学的结合
结合增强现实技术，未来的仿 生系统将能够提供更直观、自 然的交互体验，提高用户的舒 适度和适应性。
人工智能与仿生学的融合
通过人工智能技术的引入，仿 生系统将能够更好地适应环境 变化和用户需求，提高系统的 智能化水平。
对人类社会的影响与价值
改善生活质量
仿生学的进步将有助于开发出更先进的医疗设备 和辅助器具，改善人们的生活质量，减轻疾病和 残疾带来的负担。
蜻蜓复眼的仿生应用
总结词
蜻蜓复眼的结构独特，能够快速捕捉移动的物体和变化的光线。在仿生学中，蜻蜓复眼被用于制造高精度的传感 器和监视系统。
详细描述
蜻蜓复眼的仿生应用主要表现在制造高精度的传感器和监视系统方面。通过模仿蜻蜓复眼的构造和工作原理，科 学家们开发出了多种传感器和监视系统，用于军事、航空航天、安全等领域。这些设备能够快速、准确地捕捉目 标，提高探测效率和精度。
第六章仿生学
青蛙的视觉系统
4种神经节细胞 边缘侦查器 昆虫侦察器 事件侦察器 光强减弱感受器
由透镜(晶状体)在视网膜上形成光学图 像后，经过视细胞、双极细胞、输出细胞 (神经节细胞)而送往大脑中枢。
2、水母耳与电子耳
“水母耳”风暴预测仪
三、控制仿生
.蛇的红外探测
.蝙蝠与超声波 .蛾的反雷达技术 .动物的天然导航
系
结 构
智能接 口硬件
硬件
3、生物计算机
特点 ：
•能制成超高密度的线路； •能使生物本身固有的自我修复机能得到 发挥 ，即使芯片中出了故障本身也能修复 ， 从而使它成为一种具有永久性的不出故障元 件； •只要用少量的能量就能工作 ，不存在发 热问题。
七、整体仿生
智能机器人
机壤中提取气体
2、智能计算机组成
\\\
自 然 语 言 语 音 图 形 图 像 信 息
人机接口
知识库 管理软件
求解问题 推理软件
智能 接口软件
编内 译核 系软 统件 等（ ）智
能 操 作 系 统 、
软件
知识库
并 硬件
行
处 理
推理机
体 硬件
四、拟态仿生
生物界中普遍存在着拟态，将
拟态用于工程技术中去就叫拟态仿 生。
动物的拟态与保护色
章鱼的伪装术
坦克的迷彩着装
坦克的迷彩着装
三色迷彩的德国“豹”I坦克在电视成像下的效果
五、力学仿生
.生物与造船
.生物与飞机 .生物与建筑
1、生物与造船 ① 体形的模仿
“复仇号”帆船
鱼 雷
俄罗斯海军新型核潜艇
1、蛇的红外探测
颊窝
颊窝是一个红外 感受器，对周围温度 变化极为敏感，能感 受 0.001℃的温度变 化。这类蛇能在夜间 准确判断周围恒温动 物的位置。
仿生学的发展ppt课件
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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。
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。
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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。
学习自然，运用规律——发明与创造 24
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。
雕塑
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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
材 料 组成（成分）、组织、结构（宏观、介观、微观）
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过 程
短：反应（快速）、动作（体育、武术）
ห้องสมุดไป่ตู้
食虫草
跳高
自然灵感与设计：仿生学在产品设计中的应用
• 如：蜜蜂蜂巢的结构、海螺壳的螺旋结构
生物结构具有优越的力学性能
• 模仿生物结构可以提高产品的强度和韧性
• 如：蜘蛛丝的强度、木材的纤维结构
⌛️
生物结构具有独特的美学价值
• 模仿生物结构可以提高产品的审美价值
• 如：孔雀羽毛的纹理、贝壳的纹理
生物功能的原理及其在设计中的应用
生物功能具有高效性和节能性
仿生学在产品设计中的重要地位
01
仿生学为产品设计提供丰富的灵感来源
• 生物体的结构和功能为设计师提供新的思路
• 仿生学研究成果为产品设计提供技术支持
02
仿生学有助于提高产品的性能和创新性
• 模仿生物体的结构可以提高产品的强度和韧性
• 模仿生物体的功能可以提高产品的性能和效率
03
仿生学有助于实现可持续发展
• 仿生材料可以减少对环境的破坏
• 仿生设计可以提高能源利用效率
仿生学在产品设计中的未来发展前景
仿生学在产品设计中的应用将更加广泛和深入
• 仿生学将在更多领域得到应用
• 仿生学将在更多产品设计中得到应用
仿生学在产品设计中的跨学科合作将更加密切
• 仿生学将与材料科学、生物学等学科加强合作
• 仿生学将与产品设计、工程技术等学科加强合作
对仿生学在产品设计中应用的总结与展望
仿生学在产品设计中的应用取得了显
著成果
仿生学在产品设计中的
应用仍面临挑战
未来，仿生学在产品设
计中的应用将更加广泛、
深入和可持续
• 仿生家具、交通工具和建筑等方
• 仿生学研究成果与实际应用之间
• 仿生学将在更多领域得到应用
面的设计取得了成功
的转化难度较大
仿生学简介
仿生学简介、起源、发展简介:仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学技术。
仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios（生命方式的意思）”和字尾“nlc （…具有……的性质‟的意思）”构成的。
仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语言bion上，加上有工程技术涵义的ices而组成的词语。
大约从1961年才开始使用。
生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。
例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。
可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潜艇设计原理上。
仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。
起源：自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。
种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展。
劳动创造了人类。
人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，在长期的生产实践中，促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。
因此，人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。
人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而在自然界里获得更大自由。
人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领。
鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。
相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。
通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。
这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。
工程仿生学的新发展和应用
工程仿生学的新发展和应用工程仿生学是一门集生物学、机械工程学、材料科学、计算机科学等多个学科交叉融合的前沿学科。
它通过借鉴生物系统的结构与功能，运用工程科技手段，在人造系统中实现优化、高效、智能的设计与制造，具有广泛的应用前景。
本文将对工程仿生学的新发展及其应用进行探讨。
一、新发展1. 结构、材料仿生结构、材料仿生应用最为广泛，如蓝色生物“翼型”研究的应用，小巨人机器人的本领、蝙蝠翅膀的飞行形态和生境仿生等。
如蜻蜓穿过平行棍时切割棍状物的现象，是生物界材料优异性能的体现，该材料仿生技术已应用到肯德基的纸袋。
2. 机械仿生机械仿生是工程仿生学的核心部分，它将生物体内部分改造到人造机器中，使其具有类似自然界生物的优异性能。
例如，无人机的灵活性和积木式可拼装系统等。
3. 控制仿生控制仿生则重点考虑的是如何使得机器的控制系统类似生物的控制系统，并且可以模仿生物的行为。
二、应用1. 仿生装备仿生装备是仿生学的应用领域之一，如仿生机器人、仿生无人驾驶汽车、仿生潜水艇和仿生飞机等。
仿生机器人研究一直是工程仿生学的热点领域，他们模拟自然界的昆虫、动物和人类，结合各种传感器和控制系统实现多种功能，广泛应用于工业生产、军事领域、医疗服务和救援现场等。
2. 建筑仿生在建筑交通领域，以仿生学为基础可以优化新型建筑材料、结构和建筑模型设计，并通过运用类蜘蛛、蝴蝶、乌贼的结构和运动模式实现绿色建筑、低碳环保、节能节材效益。
3. 医疗仿生医疗仿生正纳入日常医疗服务范围，医疗器械仿生技术已被广泛研究，无论是在医药、医疗器械、也在生物工程领域等都有了广泛的应用。
4. 垃圾分类工艺仿生仿生学还从生物界借鉴垃圾分类过程内在规律和原理，优化售货机垃圾桶设计、推动改善城市垃圾处理，减弱城市生态问题。
在以上领域中，工程仿生学的广泛应用相当明显，显示出其在大力拥抱生物技术革命的初期，已经获得了巨大成功。
结论工程仿生学已取得了极为显著的进展，但它还有很大发展空间和市场前景。
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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
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
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。
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。
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。
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)
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。
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
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
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；
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)
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)
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)
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
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
狭义理解—模拟生物制造人工产品：用人工使原材料成为
可供使用的物品。
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。
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……
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。
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！