仿生设计5

性质

仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗 透而结合成的一门模仿生物系统并具有生物 系统特征或类似特征的新兴边缘科学。
仿生学的研究主要包括三个阶段



首先是根据工程技术的目标、任务进行生物相关性 的基础研究或者以生物学的发现与研究成果为启示 和基础筛选出对其他科学技术有意义有价值的内存； 然后对基础研究的成果进行分析、综合，并提炼、 概括出相关理论和概念，揭示内在规律，建立数学 模型； 最后在前两个阶段的基础上进入具体模拟研究、试 验制造的应用研究阶段，最终创造出人工化的成果。
由乌龟想到的？
生命力强 静——寿命（生命在于运动？） 坚硬的外壳 （坦克） 中国人对乌龟的特殊意象？ 忍辱负重？高寿？忍垢偷生 ？

电子蛙眼

青蛙的眼睛很奇怪，他们看活动的东西很敏 锐，对静止的东西视而不见。人们从中得到 启示，发明了电子蛙眼。
保鲜膜
结构仿生
例如：食蝇草与发卡
结构仿生
白蚁冢与建筑仿生 白蚁冢具有良好的通风、保温、保湿功能 锯齿草 与锯（鲁班） 瑞士猎人乔治从苍耳属植物获取灵感发明了 尼龙搭扣。

汽车的骨架
在自然界，发泡材料出色的能量吸收性能发 挥最突出的例子是猫头鹰和大象的头部，虽 然象头只有几公斤，却能轻松移动几百公斤 的重量。 仿制轻骨架组织———发泡金属进一步研究 发现，泡孔组织结构的零部件强度/密度比极 佳。如果向铝模具内充气或把将要发生化学 反应的小颗粒注入铝模具，形成发泡铝的多 孔组织，就能充分吸收能量，缓冲和降噪。

形态仿生
天鹅形的观光船 仙鹤音响
剪子
综合仿生
仿人机器人 肌肉和骨骼 ——现代假肢

飞机的诞生（作为一个案例）

1870年，德国人奥托.利连塔尔制造了第一架 滑翔机。利连塔尔是十九世纪末的一位具有 大无畏冒险精神的人，他望着家乡波美拉尼 亚的鹳用笨拙的翅膀从他房顶上飞过，他坚 信人能飞行。1891年，他开始研制一种弧形 肋状蝙蝠翅膀式的单翼滑翔机，自己还进行 试飞；此后五年，他进行了2000多次滑翔飞 行，并同鸟类进行了对比研究，提供了很有 价值的资料。

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 未来的飞机是个什么样？

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。

功能仿生
水母的顺风耳，仿照水母 耳朵的结构和功能，设计了 水母耳风暴预测仪，能提前 15小时对风暴作出预报，对 航海和渔业的安全都有重要 意义。
(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正。 在这个过程中，奥斯本集体发想法、综摄法、希望 点列举法、假想构成法、设问探求法等感性和个性 的思考与理性和综合的思考一起发挥作用。
仿生设计的基本程式

有些仿生设计是从生物概念开始到产品概念， 有些仿生设计是从产品概念开始到生物概念， 但都遵循如下基本程式：
(1)确定仿生设计概念

根据产品设计目标与产品概念的需求，明确 描述仿生的思维方式和内容方向。具体来说， 是对与产品构成要素相对应的自然生物形态、 功能、结构、美感、意象等特征的方向性确 定与描述，并与产品概念融合形成目标产品 的仿生设计概念，然后在自然生物系统中寻 求搜索与仿生概念相关的仿生目标对象，通 过观察、认知、研究来筛选并确定对仿生设 计有启迪意义的内容。
太阳能 袖珍 房顶是飞机场 翅膀收缩调整 可以振翅 可以俯冲空中停止

汽车与仿生（案例之二）

形态仿生
汽车的功能仿生
螃蟹壳——轻而强 一种内部高压造型技术由此诞生。将金属管 置于模具中，高压状态下将液压液体或气体 注入金属管两端，使金属在2400巴的高压下 形成模具的形状。这一技术保证了零件精准 的尺寸和形状，在充分利用空间、赢得更多 轴力度和硬度的同时减轻了重量。
作业

畅想未来的社会 计算机、飞机、机器人、交通、家居、 医疗、工厂、农业、娱乐……
第四讲 仿生设计
向自然学习
热爱自然、保护自然、自然和谐相处，我们 就会从自然中获得智慧和灵感
仿生学

在20世纪60年代，1960年9月13日，在美国 召开的第一届仿生学研讨会上，斯蒂尔博士 首次提出了仿生学(Bionics)的概念，并定义 仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系 统，或者使人造技术系统具有或类似于生物 系统特征的科学，简而言之，仿生学就是 “模仿生物的科学”。
(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。在这一过程中，设计评价会以各种不同的 形式和不同的方法在各个阶段和层次进行，一般会 采用以下几种方法：语义差别评价法、设问评价法、 标准尺度评价法、综合性评价法等。

小阻力的外形

宝马H2R氢燃料汽车外型和设计的灵感来自 海豚、企鹅的低阻身材。圆鼓的前脸、收起 的尾部，极小的正锋面，成就了其0.21的阻 力系数。同样，尺寸庞大的宝马7系得益于其 流线造型，阻力系数也仅为0.29。
仿生机器人（案例三）

工业机器人——焊接机器人
机器人本体
某种机械手的运动简图
源自文库
仿生学研究的分支
力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息 和控制仿生等 电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学 仿生、人体的仿生、宇宙仿生等 形态仿生、形式美感仿生、功能仿生、 结构仿生、机理仿生、色彩仿生、意象仿生
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。 仿生设计学作为人类社会生产活动与自然界 的锲合点，使人类社会与自然达到了高度的 统一，正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。

可恶的苍蝇给我们的启示？



免疫力（活蝇蛆可接种于伤口之中，起杀菌清创， 促进愈合之作用。 ） 平衡能力（飞行器的平衡） 嗅觉（传感器、捕蝇器） 棘毛的作用（减粘） 超强的生殖能力（苍蝇具有一次交配可终身产卵的 生理特点，一只雌蝇一生可产卵5-6次，每次产卵数 约100-150粒，最多可达300粒左右。一年内可繁殖 10-12代。每只雌蝇能产生2000个后代，则100只雌 蝇只需经过10个世代，繁殖的总蝇数将达到2万亿 亿个）
仿生设计学的研究方法
③ 色彩分析 进行色彩的分析同时，亦要对生物的生活环境进行分析，要 研究为什么是这种色彩？在这一环境下这种色彩有什么功能？ ④ 内部结构分析 研究生物的结构形态，在感性认识的基础上，除去无关因素， 并加以简化，通过分析，找出其在设计中值得借鉴合利用的 地方。 ⑤ 运动规律分析 利用现有的高科技手段，对生物体的运动规律进行研究，找 出其运动的原理，针对性的解决设计工程中的问题。
并联机器人
未来机器人的构想

机器人是仿生的结果，它的发展一刻也离不 开仿生 学习能力、决策能力、感觉能力……

仿生设计学的研究方法

仿生设计学的研究方法主要为“模型分析 法”： 1、创造生物模型和技术模型 ① 从功能出发、研究生物体结构形态——制 造生物模型。 ② 从结构形态出发，达到抽象功能——制造 技术模型
仿生设计学的研究方法
2、可行性分析与研究 ① 功能性分析 找到研究对象的生物原理，通过对生物的感知，形 成对生物体的感性认识。从功能出发，对照生物原 型进行定性的分析。 ② 外部形态分析 对生物体的外部形态分析，可以是抽象的，也可以 是具象的。在此过程中重点考虑的是人机工学、寓 意、材料与加工工艺等方面的问题。
方法
复制不是仿生学的研究目的，对生物系统工 作原理的本质认识、理解和应用是最终目标。 在这个过程中发散性地进行类比、模拟和模 型化是仿生学研究的主要方法，而数学模型 是从生物原型到应用模型的关键。 但是对复杂生物系统的认识往往是一个长期 的研究过程，并依赖于先进科学技术的支持， 需要多学科的交叉、合作，所以仿生学的研 究是一个系统工程，存在相当大的难度。

众所周知的例子
蝙蝠与声纳定位 鸟与飞机 船与鱼 对萤火虫和海蝇地发光原理的研究，获得了 化学能转化为光能的新方法，从而研制出化 学荧光灯等等。

肌理与质感仿生（以纺织仿生为 例）
亚马逊河流域的闪峡蝶因其翅膀的外壳和基 部翅瓣中特有的周期性多层结构，使周身散 发钻蓝的色彩，具有金属般的光泽。受此启 发日本帝人公司开发了光显色纤维。 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