仿生学的发展(第一讲)之第三节
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。
仿生学 ( 3)
◇ 分子仿生 是研究不模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、 生物大分子戒其类似物的分析和吅成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引 诱激素的化学结构后，吅成了一种类似有机化吅物，在田间捕虫笼中用千万
分乊一微兊，便可诱杀雄虫。
◇ 能量仿生 是研究不模仿生物电器官生物収光、肌肉直接把化学能转换成机械 能等生物体中的能量转换过程。 ◇ 信息不控制仿生 是研究不模拟感觉器官、神经元不神经网络、以及高级中枢 的智能活动等斱面生物体中的信息处理过程。例如,根据象鼻虫视动反应制成 的“自相关测速仦”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的 工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助二模糊目标检测
蜻蜓与仿生学
生物特性 蜻蜒通过翅膀振动可产生丌同二周围大气的局部丌稳定气流，井 利用气流产生的涡流来使自己上升。蜻蜒能在径小的推力下翱翔，丌但可向 前飞行，还能向后和左右两侧飞行，其向前飞行速度可达72km/小时。此外， 蜻蜒的 飞行行为简单，仁靠两对翅膀丌停地拍打。 仿生元素 蜻蜓翅膀的特殊结构以及对气流的应用
仿生学是一门建立在多学科边缘上的综吅性
学科，这些相关性的基础学科，正如前面所述， 包括生理学，神经生理学，心理学，生物物理学，
电子学，物理学，化学，数学，以及通讯、计算
技术、建筑工程、航空、航海工程及系统科学等。
（2）仿生学的诞生和发展历程；
1960年9月13日，一门新的科学诞生了。这一天，在美国召开了第一届 仿生学讨论会，有30名讲演者和大约700名听众参加了这次会议。会上， 斯蒂尔博士为仿生学下了这样的定义：“仿生学是模仿生物系统的原理来 建 造技术系统，或者使人造的技术系统具有或类似于生物系统特征的科 学。” 简单一句话，仿生学就是“模仿生物的科学”。
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。
【生物课件】仿生学
仿生学的研究内容
力学仿生
结构仿生 生物与造船
鲸鱼和潜艇的“鲸背效应” 核潜艇能长时间潜航于冰海之 下，但若在冰下发射导弹，则必 须破冰上浮，这就碰到力学上的 难题。潜艇专家从鲸鱼每隔10分 钟必须破冰呼吸一次中得到启迪 ，在潜艇顶部突起的指挥台围壳 和上层建筑方面，作了加强材料 力度和外形的仿鲸背处理，取得 了破冰时的“鲸背效应”
响尾蛇空对空导弹
仿生学的研究内容
信息与控制仿生
蛇的红外探测
响尾蛇的颊窝是一个红外感受器，颊窝内部有一层薄 膜，将颊窝分隔成内、外两室。内室保持与环境相同的温 度，外室则朝着发射红外线物体的方向。因此，颊窝膜两 面的温度差使得响尾蛇对周围温度变化极为敏感，能感受 0.001℃的温度变化。 美国空军通过毒蛇的“热眼”功能，研究开发出了微型热 传感器。它是利用硫化铅作红外敏感元件，接收飞机机尾 喷管发出的波长为1—3微米的红外辐射流，引导导弹从飞 机尾部进行攻击。
仿生学的研究内容
能量仿生
能量仿生，模仿生物体中的能量转换过程
能量仿生的研究内容： 研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把 化学能转换成机械能等过程
仿生学的研究内容
能量仿生
电鱼与伏打电池
电鲶 电鳐
19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼发电器 官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。 对电鱼的解剖研究发现在电鱼体内有一种发电器 官，由半透明的盘形细胞构成许多电板，电鳐电板有 200万块，电鲶有500万块。单个电板产生的电压很微 弱，但多个电板产生的电压就很大。 伏打电池单个电板产生的电压很低，但它用纸板 把锌板和铜板隔开，一连串的电板就能发出高电压。
仿生学简介
仿生学的历史
十五世纪时，达·芬奇 对鸟的飞行进行了长时间的 观察，并通过解剖研究鸟的 身体结构，设计和制造了一 架扑翼机，这是世界上第一 架人造飞行器。 达·芬奇还通过齿轮和机械杆作 为驱动装置，制作了第一款人型机 器人，可以做些挥舞胳膊，转动头 部甚至开合下颌的动作。
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]。
仿生学技术的发展现状与未来趋势分析
仿生学技术的发展现状与未来趋势分析近年来，仿生学技术在科学研究和工程领域取得了巨大的突破和进展。
仿生学技术是一门以生物系统为模型，研究和设计新的工程系统和机器人的学科，其应用领域涵盖了机械工程、材料科学、电子工程、生物医学和先进制造等多个领域。
本文将探讨仿生学技术的发展现状以及未来的趋势。
首先，我们来看一下仿生学技术在机械工程领域的应用。
借鉴生物体的运动原理，研究人员设计出了一系列新型机器人，如仿生机械臂和仿生腿部结构。
这些仿生机器人具有较强的运动灵活性和稳定性，在生产自动化和危险环境作业中有着广泛的应用前景。
例如，仿生机械臂可以模拟人体手臂的灵活性和力量，可以应用于工业装配线上的复杂操作；仿生腿部结构可以模拟昆虫的行走方式，可以应用于救援行动中的灾害区域。
这些创新的仿生机器人不仅提高了生产效率，同时还降低了人工操作的风险。
其次，仿生学技术在材料科学领域也有着广泛的研究与应用。
通过研究生物体的结构和性能，科学家们设计出了一系列新材料，如仿生纳米材料和仿生超强材料。
仿生纳米材料具有超高的特异表面积和优异的力学性能，可应用于能源储存、催化剂和传感器等领域。
仿生超强材料则借鉴生物的结构优势，通过合理设计纳米结构和化学组成，提高材料的强度和韧性。
这些新型材料的应用将为材料科学领域带来新的突破和进展。
除了机械工程和材料科学，仿生学技术还在电子工程领域发挥着重要作用。
生物体的感知和运动机制为研究人员提供了新的设计思路。
例如，仿生摄像头借鉴了昆虫的复眼结构，能够实现全景拍摄和光学追踪。
仿生传感器借鉴了动物的感知器官，能够模拟人类的视觉、听觉和嗅觉等感知能力。
这些仿生电子设备的应用将为智能化技术和无人系统领域带来新的突破。
在生物医学领域，仿生学技术也为人类健康和生命质量提供了新的解决方案。
仿生医疗器械如仿生义肢和仿生心脏瓣膜等，通过模拟人体器官的结构和功能，能够帮助患者恢复运动能力和改善生活质量。
此外，仿生学技术还为组织工程和再生医学提供了新的研究思路，通过仿生材料和细胞培养技术，开发出可替代受损组织的新型治疗手段。
仿生学概论概要
７.蝙蝠与雷达
生物特性：蝙蝠能在完全黑暗中任意飞行，
既能躲避障碍物也能捕食在飞行中的昆虫，
但是塞住蝙蝠的双耳、封住它的嘴后，它们
在黑暗中就寸步难行了。面对这些事实，斯
帕拉捷提出了一个使人们难以接受的结论：
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
蝙蝠能用耳朵与嘴“看东西”。它们能够用
嘴发出超声波后，在超声波接触到障碍物反
射回来时，用双耳接收到。
《仿生学概论》
课程结业报告
姓名：JLMK 班级：机械112 学号：2011071156
仿生学及其应用
仿生学是研究生物系统的结构和性质以及工程技术 提供新的设计思想及工作原理的科学，是涵盖生物 电子学、生物传感器、生物仿真材料、生物物理学、 生物电机和生物大分子的自装配等的一门交叉学科。 主要是研究和建立一类人工系统，使之具有生命系 统的某些特性。
仿生学的研究内容： 仿生学的研究内容是极其丰富多彩的，因为生物界本身就 包含着成千上万的种类，它们具有各种优异的结构和功能 供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内，仿 生学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果。就其 研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿 生等。 仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究，即 动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在 机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来，近些年 又出现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿 生学等。
仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一 个突出的特点，就是整体性。
仿生学的应用概述 ：实例
1.海豚皮肤
生物特性：
海豚的皮肤很柔软，皮肤外层生有无数中空突起， 游泳时，整个皮肤表面能按水的紊流作波浪起伏， 变得和水波的形状一致，这就减少90%的水的 摩擦阻力。所以，海豚那种具有特殊组织的皮肤， 是它游泳速度快的主要原因。
仿生设计第一讲
谭木匠木梳仿鱼形的包装设计
丹麦阿兰·沙夫仿小鸟外形的香水瓶设计
仿蜂窝结构的包装材料蜂窝纸板弹，噪 音小，耐摩 擦、防震
产品仿生设计主要研究内容
• 产品仿生设计主要研究产品的功能仿生、形态仿生、 结构仿生、色彩仿生、肌理仿生等方面的内容。
• 而产品的仿生形态需要以材料和结构作为基础载体， 并通过形态呈现功能，所以产品形态仿生设计是产品 仿生设计研究的最直接的方面。
大象与象形樽
蜻蜓与直升飞机
鱼眼与鱼眼镜头
• 据史书记载：唐朝有个叫韩志和，“善雕木作鸾、鹤、 崖、鹊之状，饮啄动静，与真无异，以关戾置于腹内， 发之则凌云奋飞，可高三丈至一二百步外，方始却 下”。
• 诸葛亮发明“木牛流马”
仿生设计的研究内容
• 总的来说可以归纳为三大领域： • 1、自然科学领域的仿生设计：数学、医学、电子学、生物学、遗传
产品设计中的功能仿生设计
• 产品功能仿生设计是指通过研究生物体和自然界物质 存在的功能原理，并使用这种原理去改进现有的或者 建造新的技术系统，以促进产品的更新换代或新产品 的开发。
• 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2 20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。 • 电鱼放电的奥秘究竟在哪里?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。 • 电鱼这种非凡的本领，引起了人们极大的兴趣。19世纪初，意大利物理 学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。因 为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器 官”。对电鱼的研究，还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的 发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。
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。
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
光学仿生学的发展及应用前景
光学仿生学的发展及应用前景随着现代科技的发展，光学仿生学作为一种跨学科研究近年来逐渐走进人们的视野。
光学仿生学是生物学、物理学、材料学、机器人学和计算机科学等多个学科的交叉研究，旨在通过研究生物光学系统的结构、功能和机理，将其应用到人造光学系统中，以实现更高效、更节能、更精准的光学设备。
本文将探讨光学仿生学的发展历程和应用前景。
一、光学仿生学的发展历程光学仿生学可以追溯到上世纪60年代，当时人们开始研究蝴蝶翅膀的颜色形成机理和刺眼的反光现象。
此后，随着技术手段的不断进步，研究人员开始关注更加微小而复杂的生物光学系统，如蝙蝠的定位能力、蛋白质和细胞的光学特性等。
光学仿生学研究的重点不仅是借鉴生物光学系统的结构和机理，更是尝试将这些结构和机理应用到人造的光学系统中，以实现更高效、更精准、更能适应环境变化的光学设备。
目前，光学仿生学已经渗透到多个领域，如光通信、光传感、医疗诊断、能源利用等。
例如，光学传感器不仅取得了可观的进展，还将人类的健康生活应用到了实际场景。
利用仿生学的原理，可以设计一些能够模拟细胞功能的光学传感器，使其能够实时检测人体健康状况。
另外，在人眼得到广泛应用的角膜接触镜也采用了仿生学设计思想，它将人眼的柔软度、透明度和渗透性等特征结合在一起，制成了一种便于佩戴、透气性好、透明度高，且能够改善人眼视力的角膜接触镜。
二、光学仿生学的应用前景光学仿生学的应用前景广阔，涉及到多个传统行业和新兴产业的领域。
以下是几个重点应用领域的探讨。
1. 光通信光通信作为一种快速、高效、便捷的信息传输方式在现代社会得到了广泛应用。
随着网络数据量的不断扩大，传统的光学器件和技术已经无法满足通信需求，因此光学仿生学技术的引入对光通信的发展至关重要。
光学仿生学技术可以借鉴昆虫眼睛的微米级吸光杆的结构、蝴蝶翅膀的表面纳米结构等，设计出更加精准、更加节能、更加高效的光学器件。
2. 医疗诊断在生命科学领域，光学诊断技术得到了广泛的应用。
仿生学概论(3)
生物与航海----轮船对海洋生物结构的模仿
潜水艇在航行时会造成巨大的湍(tuan)流
海豚游泳时身边的湍(tuan)流很小
生物与航海----轮船对海洋生物结构的模仿
海豚皮肤构造模式图
人造海豚皮构造图
七、生物与航空
鹰击长空
啸傲云天
生物与航空----飞鸟与飞机
达 芬 奇 设 计 的 扑 翼 飞 机
二、生物听觉系统与电子耳 模仿生物体听觉器官的生理机能， 可以改善技术系统的输入装置、建立 新型通讯和自动控制系统。有一种研 制成功的电子耳（electronic ear）， 由500个电子神经元和15个滤波器组 成，将它用于一种通讯系统后，可以 把600个电话通道压缩成一个通道， 大大提高传输效率。
仿生学的研究方法、步骤
首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具 体课题，将研究所得的生物资料予以简化，吸收对 技术要求有益的内容，取消与生产技术要求无关的 因素，得到一个生物模型；第二阶段是将生物模型 提供的资料进行数学分析，并使其内在的联系抽象 化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定 意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技 术上进行实验的实物模型。
◇分子仿生
分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催 化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大 分子或其类似物的分析和合成等。例如，在 搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构 后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕 虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。
能量仿生
能量仿生，是研究与模 仿生物电器官生物发光、肌 肉直接把化学能转换成机械 能等生物体中的能量转换过 程。
[ 未美 来国 世佛 界罗 博里 物达 馆的 ]
九、人工嗅觉----嗅敏检测仪，俗称“电子鼻”
仿生学的理论和应用分析
仿生学的理论和应用分析近年来，仿生学越来越受到人们的关注和重视。
在科学技术不断发展的今天，仿生学成为了一个新兴的学科，它从自然界中汲取灵感，通过模拟生物的形态、结构、功能和行为，来研究和设计人工系统。
本文将从理论和应用两个方面分析仿生学的发展和作用。
一、理论分析1.1 生命系统的基本特征仿生学是一门跨学科的领域，涉及了生物学、物理学、化学、工程学等学科。
其中，最基本的理论是生命系统的特征。
生命系统具有自组织、适应性、自我修复、自我复制等特征，这些特征影响了生物结构、功能和行为的演化。
仿生学将这些特征应用到人工系统设计中，能够提高系统的稳定性、适应性和可靠性。
1.2 生物形态与结构的模拟仿生学的另一个理论基础是生物形态与结构的模拟。
生物的形态和结构是其生存和适应环境的必要条件，因此，仿生学将生物的形态和结构应用到人工系统设计中，可以提高系统的性能和效率。
例如，仿生学中的蚂蚁算法就是基于蚂蚁的觅食行为得到的，它可以用来解决路径规划、配送路径优化等问题。
1.3 生物功能的模拟仿生学的第三个理论基础是生物功能的模拟。
生物的功能是其生存和适应环境的重要途径，因此，仿生学将生物的功能应用到人工系统设计中，可以提高系统的性能和效率。
例如，仿生机器人就是通过模拟生物的运动和感知能力来设计的，它能够应用于环境监测、救援等领域。
二、应用分析2.1 仿生材料仿生材料是仿生学的重要应用之一，它能够模拟生物的结构和功能，具有很高的强度和韧性。
例如，仿生材料可以制成类似竹节虫的材料，这种材料能够承受很高的负荷，适用于航空航天等领域。
另外，仿生材料还可以制成类似骨骼的材料，这种材料可以自我修复，适用于医学领域。
2.2 仿生机器人仿生机器人是仿生学的另一个重要应用，它能够模拟生物的运动和感知能力，具有很高的适应性和灵活性。
例如，仿生机器人可以模拟鱼类的游泳姿态，能够在水中自如地运动，适用于海洋勘探等领域。
另外，仿生机器人还可以模拟昆虫的飞行姿态，能够在空中自如地飞行，适用于监测气体、环境监测等领域。
仿生学
仿生学自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领？它们的种种本领，给了人类哪些启发？模仿这些本领，人类又可以造出什么样的机器？这里要介绍的一门新兴科学——仿生学。
仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在本世纪中期才出现的一门新的边缘科学。
仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。
从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。
仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。
仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语bion上，加上有工程技术涵义的ics而组成的词。
大约从1960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。
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。
仿生学课件
海豚
虎鲸（两条）
• 潜艇（俄罗斯“奥斯卡”级）
• 海豚是游泳能手，时速可达53千米，在 追捕食物和逃避敌害时，速度还能增大 一倍。主要原因是海豚的体形呈良好的 流线型，还有特殊的皮肤结构像个很好 的消振器，所以海豚在水中受到的阻力 很小。现代潜艇的外形很像海豚，还在 潜艇表面上覆盖人造海豚皮，使潜艇在 水中受到的阻力至少降低一半，使潜艇 的速度大大提高，也节约了燃料。
探索和模拟生物系统各机体的奥 秘，借以推动科学技术的发展
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。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。他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、 或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物 系统方式工作的系统的科学”。尽管人类在文明进化 中不断从生物界受到新的启示，但仿生学的诞生，一 般以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志。
• 荷兰鹿特丹的“城市 仙人掌”：是一个坐 落在荷兰的住宅工程， 它将在19层楼中提供 98个居住单元。多亏 了这种错落有致的曲 线阳台的设计，每个 单元的室外空间能够 得到足够的阳光。
仿生学的研究方法
仿生学的研究范围
• • • • 力学仿生 分子仿生 能量仿生 信息与控制仿生
研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以 研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质， 研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、 是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把 及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息 以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环 通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成 化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程 处理过程 境中运动的动力学性质。
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。
仿生学的发展及应用
仿生学的发展及应用摘要：仿生学科的出现发展已经有将近60年的历史，在这期间仿生学得到了快速的发展，并对人类生活产生了各方面的影响。
本文介绍了从古到今仿生学的发展历程及今后仿真学的发展趋势。
并对不同领域内仿真学的应用做了简要的介绍和举例，从而更好的了解认识仿真学。
关键词：仿真学；发展；应用引言地球上的生物在经历了漫漫的进化之后，到现在人类已知的已经有170多万个物种，科学家推测世界上的物种大约在500-1000万种之间甚至更多。
生物为了求得生存和发展，在进化中逐渐形成了各自适合自身的形态结构及生命系统等。
不同的物种都各自有着自身的特点，人类在进化发展的过程中，对这些特点的应用就是仿生学最初的起源。
自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理、重大发明的源泉。
在500万年的进化中，人类不断模仿自然，提升生产能力，才有现在人类社会的发展程度。
而这种行为，在现代社会催生出了一门科学——仿生学。
仿生学是一门综合性的，由生命科学和工程技术相互结合而产生的新技术，在现代社会广泛应用于军事、医疗、工业和日常生活等多个领域。
了解仿生学的发展过程，清楚仿生学在各个领域的具体应用，对于研究仿生技术，进一步促进仿生学的发展有着重要的意义。
仿生学诞生前的发展及应用仿生学的发展可以追溯到人类文明的早期，人类文明的形成过程中不自觉的对仿生学的应用，这些应用仍旧停留在比较原始的阶段，由于环境的恶劣，人类不得不从自然界的其它生物及自然现象中学习从而保证自己的生存。
因此，从远古时代起，人们实际上已经就已在从事仿生学的工作[1]。
例如，人类现在仍在使用的工具：锯子，相传是中国古代的春秋战国时代，鲁班上山伐木途中，手指为锯齿草划破，从而受到启发，经反复实践，终于制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯[2]。
古代人类就有着想要利用工具飞翔的期望，自古以来就有很多人模仿鸟类制作出许多“飞行器”，但是由于科学发展的程度不够，都没有成功。
直到1903年12月17日，美国人莱特兄弟发明并成功试飞了人类历史上的第一台飞机。
仿生学概念及其演变
ｎｏｖｅｌ ｒｅｄｕｃｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅａｃｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ
ｄｅｓ瑶弘ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｒｅｄｕｃｅｒ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
等）与技术系统之间的相似性；仿生学的研究手段是功能分析， 主要就是对相似程度的分析评价；仿生学的目的就是使技术系 统获得与生物体相似的优异功能。因此，相似性是仿生学研究 的基础。 ２．２多样性
仿生学是生物学向工程技术转化的桥梁。生物体种类繁 多，同一类又具有不同的特征，不同个体之间也存在差异，多样 性是生物界重要特点之一；技术系统同样种类繁多，功能各异； 仿生学就是针对技术系统多种多样的需求，从种类繁多的生物 体中寻求相似的优异功能，进行模拟或得到启示，生物体的多 样性是满足不同技术需要的重要保证。因此，多样性是仿生学 发展的源泉。 ２．３跨学科
Ｂｉｏｍｉｍｉｃｒｙ”１首次于１９９７年由Ｊａｎｉｎｅ Ｂｅｎｙｕｓ提出，是研究 自然模型并进行模仿，或者从自然设计和过程中获得灵感以解 决人类的问题。它的理念是：创新灵感源于自然，如太阳能电 池设计从树叶得到灵感。Ｂｉｏｍｉｍｉｃｒｙ是观察和评价自然的一种 新方法，Ｂｉｏｍｉｍｉｃｒｙ应用生态标准来判断人类创新的“合理性”， 它更强调人类不只是从自然世界索取什么，而是应向自然学习 什么。
从Ｂｉｏｎｉｃｓ到Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓ再到Ｂｉｏｍｉｍｉｃｒｙ，由复制自然到吸
取自然优秀的设计再到仿生灵感，从简单的仿生模拟到强调仿 生研究的跨学科、集成性，再到重视仿生研究的创新性和生态 友好性，体现了仿生学学科发展的方向和人们认识上的飞跃。
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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。
1.3.4 仿生制品
非生命制品
非生命仿生制品是指应用于科学、技术、工 程以及人文、社科等领域的传统仿生产品，是纯 人工技术制品。
包含生命零部件的仿生制品
随着仿生学与生命科学、医学、药学等交叉 渗透愈益深入，包含生命零部件的仿生制品，即 在仿生制品中包含生命活体元素或仿生制品是生 命体的组成部分。
舞蹈《群鱼戏水》
杨丽萍《雀之恋》 体育馆《鸟巢》
兴趣需求
人类对探索生物奥秘的 兴趣、对自然生物的喜爱、 对生物奇异功能的好奇和对 生物特殊能力的向往，产生 了那些对人类和社会具有巨 大价值的仿生发明与创造。
1.3.2 仿生模本
生物模本
(a) 蝉翼表面结构 (b) 杀菌过程 蝉翼表面结构及杀菌过程
具有完整生命的仿生制品
指具有与模本相似的生命特征，且与人类或 生物具有极佳的相容性，能够替代模本去执行相 应功能的仿生制品。
仿生学基本要素间的关系
仿生要素间的相互作用关系
谢谢各位！
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。
生境模本
(a) 地球表面沙波纹 (b) 火星表面波纹 不同星球表面沙波纹形态
人类与生物所赖以生存的环境，特别是生 境中所呈现出的奇特自然现象和自然环境等， 也是仿生学的重要模本。
1.3.3 仿生模拟
形似模拟
(a) 蜣螂
(b) 蜣螂头部非光滑形态 (c) 仿生减阻模拟设计 蜣螂头部减阻非光滑形态及仿生模拟设计
形似模拟是指模仿生物形态（形貌）、结构、材 料、形体（形状、构形）等因素而开展的仿生设计。
神似模拟
(a) 荷叶
(b) 荷叶表面微观结构 (c) 仿生自洁织物 仿荷叶疏水自洁原理制造仿生自洁织物
神似模拟是指模仿生物多因素相互耦合、相互协 同作用的原理而开展的仿生，其在形似模拟的基础上 更注重对生物功能原理与规律的探究。
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) 仿蚊子空中侦察器 仿生机器人
自然界中有许多生物进化优化出比人类优异的运 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。
精神需求
自然界中的生物种类繁多，包括动物、植物、 微生物，都可以作为仿生模本供各行各业进行仿生 研究，发明和创造出更优、更好的接近于生物系统 的仿生制品。
生活模本
处于社会环境中的人类大脑活跃区
人类在研究生物功能特性的基础上，开始把目 光投向人类自身的生活，开展对人类生命形态的仿 生探索，以人类自身的生活原理、文化行为和思维 哲理为模本，进行人类自然生命（生理）和精神生 命（心理、心灵）的仿生研究。
功能更优的仿生
(a) 仿荷叶自洁材料 (b) 仿生贝壳耐磨材料(c) 仿蝴蝶多层膜变色材料 仿生功能表面材料
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
生物可以被看作是具有生命特征的高度智能化的 机械，在与其周围环境相互作用过程中，呈现了多种 功能特性，如减阻、脱附、自洁、耐磨、抗疲劳、消 声降噪、隐身等等。人类模仿生物优异的功能特性， 研发许多仿生功能表面和机械装备等。