仿生学概念及其演变
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
仿生学涉及丰富多彩的生物学科、技术科学，无论其研究 范围、研究方法，还是研究手段、目标都需要多学科协作。特别 是仿生学向化学仿生、信息仿生、生态仿生发展，跨学科研究已 成为仿生学的最显著特征。因此，跨学科是仿生学研究的核 心。 ２．４复杂性
生物体种类多种多样，生物体尺度大小各异，生物体所处 环境复杂多变，生物材料具有多个层次，尤其是生物体在分子 水平上用简单的ｃ，Ｈ，Ｎ，０四种元素组成复杂多变的生物有 机结构；另一方面，人们的需求多种多样，技术系统功能各异， 使得仿生对象研究复杂性增加，满足仿生目标的仿生活动日趋 复杂，从结构、材料、性能的复杂性转变为计算、控制的复杂性， 复杂性成为仿生学研究的关键。 ２．５智能性
第２４卷第７期 ２ ０ ０ ７年７月
机械设计
ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＭＡＣＨＩＮＥ ＤＥＳＩＧＮ
Ｖ０１．２４ Ｊｕｌ．
Ｎｏ．７ ２００７
仿生学概念及其演变＋
岑海堂１，陈五一２
（１．内蒙古工业大学机械系，内蒙古呼和浩特０１００５１；２．北京航空航天大学机械学院，北京１０００８３）
摘要：仿生学是一门综合性边缘学科。在分析了仿生学概念演变的基础上，论述了仿生学的重要特征，指出了仿生 学的研究方法和步骤，并对仿生学学科组成简要作了介绍。
环境对生 万物方体数功据能的约束作用＇生物体功能之间的耦合关系。
图３进化设计交叉模型 ３．１．４模型试验
仿生这一创新活动必须经过多次反复，才能获得实际工程 应用。由进化设计得到的仿生成果，其方案的可靠性往往须通 过模型实验；此外，选择更优的仿生设计方案，寻求改进设计的 途径，验证仿生方法、理论和选择技术模型的有效性，也须通过
２
机械设计
第２４卷第７期
的显著差别之一，反馈控制是自然赋予生物体最重要的功能。 即使最简单的植物和动物，也能够感知外部环境的变化，进行 信息加工并作出反应。如植物的叶趋向光，根趋向水，空间生 长趋于应力最小。充分理解生物体动态反馈机理并进行工程 模拟，实现智能设计、智能制造和智能产品是未来技术系统发 展的主要趋势，已成为仿生学研究的最本质内容。 ２．６综合性
ｄｅｓ睁ｏｆ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｅ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｐａｎ ｉｎ￡ｈｅ
ｄｏｕｂｌｅ ｃｙｃｌｏｉｄａｌ
ｓｔｅｅｌ ｂａｌｌ ｒｅｄｕｃｅｒ—ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｏｔｈ ｐｒｏｎｌｅ ｃｕｎｒｅ ｏｆ
ｃ栅ｅｄ ｃｙｃｌｏｉｄａｌ ｇｍｏｖｅ — ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎｌｉｎｅ； ａｎ ａｎａＪｙｓｉｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ
Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓ”１首次由美国空军科研处在１９９１年提出，目的 是寻求生物学为材料设计和处理提供帮助。后来，Ｊ．Ｆ．Ｖ．ｖｉｎ— ｃｅｎｔ教授给出一个更好的定义：从自然提取优秀的设计。近２０ 年来，人们从生物体的结构和性能对应关系中得到了很多启 示，已成功地把木、骨、贝壳和韧带等力学性能及其结构应用到 聚合物和复合材料。从Ｂｉｏｎｉｃｓ到Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓ，是对仿生学的进 一步深化，它包括材料科学与工程、分子生物学、生物化学、物 理学等其它学科，其研究内容相当丰富。从生物材料形态和结 构的仿生发展到材料制备的仿生，从生物材料的自愈合和功能 适应性到材料的恢复和延寿及智能材料的研究。
Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ∞ｃｕｎｒｅ ｐ盯ａｍｅｔｅ】ｒｓ ０ｆ ｔ∞ｍ ｐｒｏｍｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｏｕｂ－
ｌｅ ｃｙｃｌｏｉｄａｌ ｓｔ∞ｌ ｂａｌｌ ｒｅｄｕｃｅｒ ＷＵ Ｑｉｎ－ｂａｏ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｄｏｕｂｌｅ ｃｙｃｌｏｉｄ； ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎ； ｒａｄｉｕｓ ｏｆ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
［１］孙桓．机械原理［Ｍ］，北京：人民教育出版社，１９８６． ［２］吴勤保．双摆线钢球减速器的设计及其ｃＡＤ［Ｄ］．咸阳：陕西科技
大学，２００３． ［３］吴勤保．双摆线钢球减速器的结构及运动原理分析［Ｊ］．机械设
计，２００６，２３（６）：４４—４５． ［４］ 吴序堂．齿轮啮合原理［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８６．
３ 仿生学的研究步骤和学科组成
３．１仿生学研究步骤 仿生学研究的重要环节是建立各种“模型”（如图１）。首
先对生物体的某种结构与功能进行仔细研究，合理简化，提出 一个生物模型；对生物模型进行分析、综合、抽象，转化成数学 模型；根据数学模型或直接根据生物模型，应用各种技术手段， 经过反复实验、改进，建立工程技术模型。仿生学的研究步骤 或内容主要可概括为以下几个方面。
图ｌ仿生过程示意图 ３．１．１功能分析
功能分析，就是按照工程要求，运用生物机理研究结果，寻 找与其功能相似的生物体，分析功能组成，功能与结构、环境之 间的联系。生物体在亿万年的进化中，具有多层次、复杂性、多 材料、多功能、多样性、高度集成、智能化、高的环境适应能力。 因而，面对复杂多样的生物体，人们可以从不同层次、不同侧面 进行部分或全局仿生。不同功能，既可在不同生物体完美解 决，也可能在同一生物体上得到体现。功能分析，重点要把握
跨学科要求仿生学研究方法、内容必须具有综合性。通过 综合分析，系统集成，～方面便于全面深入理解生物体多功能、 多材料的优异特性，另一方面技术系统的仿生设计必须综合考 虑其所处环境，多种需求，才能使仿生应用更富有成效。例如 在研究海豚快速游动、灵活转弯的机理时发现，海豚除具有流 线型体型外，其特殊的皮肤结构及其表面分泌的粘液还具有优 良的减小水的阻力的作用。生物体往往具有综合性能，优秀的 仿生成果，往往综合各种功能。因此，综合性是仿生学研究的 重要手段。 ２．７创新性
闯
术装置
功能分析主要目的就是通过功能分解，确定本质功能，考虑附 加功能，从整体上把握功能特性，采用发散思维，归纳综合，最 终确定功能目标。 ３．１．２相似评价
通过功能分析，明确了功能组成，功能与结构、环境之间的 联系。但所确定的功能目标，往往是一组与工程要求相似的功 能目标，另外，即使是单个功能目标，由于生物体功能、结构、环 境密切相关，生物属性与工程属性存在着差异，只有从生物功 能、约束、品质几方面来评价生物体与工程结构的相似程度，才 能选择合适的生物体，保证仿生设计的有效性Ｍ１。功能目标的
仿生学过程是一个分析综合创新的过程。从仿生对象的 确定，仿生功能选择，到仿生数学模型的建立和在技术系统中 的应用，都需要设计人员的创新思维。另外，从仿生学发展来 看，从结构仿生到材料仿生再到仿生灵感，创新成为仿生学的 重要步骤和研究内容。因此，创新性是仿生学发展的灵魂。 ２．８最优化
自然进化的趋向是用最小的消耗来满足最大的功能需求。 功能适应性、环境适应性、智能性处处体现了生物体设计的优 化特征，并且生物体的优化是多学科优化、动态优化、全局优 化。理解生物体的优化方法、过程，实现技术系统结构、性能、 布局等的最优化，是仿生学的最终目标。
嚣 相似评价可按以下７个步骤来进行（如图２）。
４
图２仿生相似评价流程图 如果不能满足以上相似条件，可重新寻找仿生对象或重新 审核原始技术需求，最终满足各项相似要求。 ３．１．３进化设计 确定了功能目标，选择了仿生对象，通过创新思维，提出仿 生构思，即可进行仿生设计。事实上，借鉴生物功能、功能结
构、功能结构参数进行仿生设计，很大程度上依赖于设计者的 经验，且往往需要多次反复。仿生学是利用生物进化结果的科 学，进化设计＂ｏ是在设计领域中采用进化汁算技术的一种方 法，进化设计涉及进化生物学、工程设计和计算机科学（图３）。 生物进化趋势体现了在环境约束条件下功能、结构不断优化的 思想。应用模拟生物进化的遗传算法、进化策略、进化规划等 进化计算方法，通过繁殖、交叉、变异、选择等步骤，在工程约束 条件下，对仿生模型实施进化设计，实现仿生设计的最优化。
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。
关键词：仿生学；仿生学特征；仿生学组成 中图分类号：ＴＰｌ２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—２３５４（２００７）０７—０００ｌ一０２
“生物原型——新技术的关键”已为大量科研实践所证 实…。随着生物学的迅猛发展，尤其是分子生物学的发展，人 们能够从宏观、细观、微观不同层次来研究生物体的功能、结 构、材料，而观测、试验、仿真手段的完善，使仿生学的研究广度 和深度得到进一步的强化。深入分析仿生学概念的演变及其 基础理论，对于深化仿生学研究，进一步促进仿生学的工程应 用具有重要的意义。
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
（下转第６６页）
机 械设 计
第２４卷第７期
（ＤｅｐａＩｔｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ，
参考文献
Ｓｈａｎｘｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ０ｃｃｕｐａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉａｎｙａｎｇ
７１２０００．Ｃｈｉｎａ）
（上接第２页） 模型实验。目前迅猛发展的ＲＰ技术，以其快速、柔性特点，在 设计制造一体化领域发挥着愈来愈重要的作用，已成为仿生研 究的重要手段¨－。
生物智能是自然长期进化的结果，智能性是生物与非生物
基金项目：内蒙古自治区高等学校科研基金资助项目（ＮＪ蝴） ｓ收稿日期：２００６一ｌｌ一３０；修订日期：２００７一０４—１０
作者简介：岑海堂（１９６７一），男，内蒙古卓资人，博士，内蒙古工业大学机械系副教授，主要从事结构仿生建模、快速成形方面的研究。
万方数据
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。
２ 仿生学的学科特征
２．１相似性 仿生学的研究对象就是生物体结构（或材料、过程、特性
１ 仿生学概念的演变
仿生学是一门综合性边缘学科，它是生命科学与工程技术 科学相互渗透，彼此结合而产生的。１９６０年，在美国召开了有 史以来第一届仿生讨论会，Ｊ．Ｅ斯蒂尔少校将这门学科正式定 名为“仿生学”。仿生学（Ｂｉｏｎｉｃｓ）即复制自然和从自然获得想 法。仿生学的研究内容随着现代科学技术的发展而不断得到 丰富和发展，在电子仿生、机械仿生、建筑仿生、信息仿生等方 面都取得了很大的成果ｐ’３０。这一时期，仿生学往往被称作“机 械电子学”。
ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｏｏｔｈ ｐｒｏｆｉｌｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｉｓ
ｎｏｖｅｌ ｒｅｄｕｃｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅａｃｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ
ｄｅｓ瑶弘ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｒｅｄｕｃｅｒ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｉｒｃｌｅ；ｓｔｕｂ＿ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｃｏｅｍｃｉｅｎｔ；ｃｙｃｌｏｉｄａｌ ｇｍｏｖｅ
Ｆｉｇ ６ Ｔａｂ ０ Ｒｅｆ ４
“Ｊｉｘｉｅ Ｓｈｅｊｉ”６６２２
Ｈ争ｏｅ田专帕《帕专叼ｅ屺《硝《Ｋ嗟ＭＨ争。喀岫ｅＫ喀Ｋ《托专如《ｘ斌ｘＨ》ｏｅ屺《ｘＨ争ｏｅ’ｏ专吣ｅ屺《ｘ底》ｏｅ．ｏ喀．ｏｅ’ｏ《’ｃ《｝Ｄｅ由．：加《Ｍ×争ｏｅ叼《Ｋ《Ｋ《Ｋ《》ｏ咤帕《帕《ｘ×》ｏｅ吣《ｘ×》（＞·￡ｘ
生物体种类多种多样，生物体尺度大小各异，生物体所处 环境复杂多变，生物材料具有多个层次，尤其是生物体在分子 水平上用简单的ｃ，Ｈ，Ｎ，０四种元素组成复杂多变的生物有 机结构；另一方面，人们的需求多种多样，技术系统功能各异， 使得仿生对象研究复杂性增加，满足仿生目标的仿生活动日趋 复杂，从结构、材料、性能的复杂性转变为计算、控制的复杂性， 复杂性成为仿生学研究的关键。 ２．５智能性
第２４卷第７期 ２ ０ ０ ７年７月
机械设计
ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＭＡＣＨＩＮＥ ＤＥＳＩＧＮ
Ｖ０１．２４ Ｊｕｌ．
Ｎｏ．７ ２００７
仿生学概念及其演变＋
岑海堂１，陈五一２
（１．内蒙古工业大学机械系，内蒙古呼和浩特０１００５１；２．北京航空航天大学机械学院，北京１０００８３）
摘要：仿生学是一门综合性边缘学科。在分析了仿生学概念演变的基础上，论述了仿生学的重要特征，指出了仿生 学的研究方法和步骤，并对仿生学学科组成简要作了介绍。
环境对生 万物方体数功据能的约束作用＇生物体功能之间的耦合关系。
图３进化设计交叉模型 ３．１．４模型试验
仿生这一创新活动必须经过多次反复，才能获得实际工程 应用。由进化设计得到的仿生成果，其方案的可靠性往往须通 过模型实验；此外，选择更优的仿生设计方案，寻求改进设计的 途径，验证仿生方法、理论和选择技术模型的有效性，也须通过
２
机械设计
第２４卷第７期
的显著差别之一，反馈控制是自然赋予生物体最重要的功能。 即使最简单的植物和动物，也能够感知外部环境的变化，进行 信息加工并作出反应。如植物的叶趋向光，根趋向水，空间生 长趋于应力最小。充分理解生物体动态反馈机理并进行工程 模拟，实现智能设计、智能制造和智能产品是未来技术系统发 展的主要趋势，已成为仿生学研究的最本质内容。 ２．６综合性
ｄｅｓ睁ｏｆ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｅ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｐａｎ ｉｎ￡ｈｅ
ｄｏｕｂｌｅ ｃｙｃｌｏｉｄａｌ
ｓｔｅｅｌ ｂａｌｌ ｒｅｄｕｃｅｒ—ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｏｔｈ ｐｒｏｎｌｅ ｃｕｎｒｅ ｏｆ
ｃ栅ｅｄ ｃｙｃｌｏｉｄａｌ ｇｍｏｖｅ — ａｓ ｔｈｅ ｍａｉｎｌｉｎｅ； ａｎ ａｎａＪｙｓｉｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ
Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓ”１首次由美国空军科研处在１９９１年提出，目的 是寻求生物学为材料设计和处理提供帮助。后来，Ｊ．Ｆ．Ｖ．ｖｉｎ— ｃｅｎｔ教授给出一个更好的定义：从自然提取优秀的设计。近２０ 年来，人们从生物体的结构和性能对应关系中得到了很多启 示，已成功地把木、骨、贝壳和韧带等力学性能及其结构应用到 聚合物和复合材料。从Ｂｉｏｎｉｃｓ到Ｂｉｏｍｉｍｅｔｉｃｓ，是对仿生学的进 一步深化，它包括材料科学与工程、分子生物学、生物化学、物 理学等其它学科，其研究内容相当丰富。从生物材料形态和结 构的仿生发展到材料制备的仿生，从生物材料的自愈合和功能 适应性到材料的恢复和延寿及智能材料的研究。
Ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ∞ｃｕｎｒｅ ｐ盯ａｍｅｔｅ】ｒｓ ０ｆ ｔ∞ｍ ｐｒｏｍｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｏｕｂ－
ｌｅ ｃｙｃｌｏｉｄａｌ ｓｔ∞ｌ ｂａｌｌ ｒｅｄｕｃｅｒ ＷＵ Ｑｉｎ－ｂａｏ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｄｏｕｂｌｅ ｃｙｃｌｏｉｄ； ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｅｑｕａｔｉｏｎ； ｒａｄｉｕｓ ｏｆ
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
［１］孙桓．机械原理［Ｍ］，北京：人民教育出版社，１９８６． ［２］吴勤保．双摆线钢球减速器的设计及其ｃＡＤ［Ｄ］．咸阳：陕西科技
大学，２００３． ［３］吴勤保．双摆线钢球减速器的结构及运动原理分析［Ｊ］．机械设
计，２００６，２３（６）：４４—４５． ［４］ 吴序堂．齿轮啮合原理［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８６．
３ 仿生学的研究步骤和学科组成
３．１仿生学研究步骤 仿生学研究的重要环节是建立各种“模型”（如图１）。首
先对生物体的某种结构与功能进行仔细研究，合理简化，提出 一个生物模型；对生物模型进行分析、综合、抽象，转化成数学 模型；根据数学模型或直接根据生物模型，应用各种技术手段， 经过反复实验、改进，建立工程技术模型。仿生学的研究步骤 或内容主要可概括为以下几个方面。
图ｌ仿生过程示意图 ３．１．１功能分析
功能分析，就是按照工程要求，运用生物机理研究结果，寻 找与其功能相似的生物体，分析功能组成，功能与结构、环境之 间的联系。生物体在亿万年的进化中，具有多层次、复杂性、多 材料、多功能、多样性、高度集成、智能化、高的环境适应能力。 因而，面对复杂多样的生物体，人们可以从不同层次、不同侧面 进行部分或全局仿生。不同功能，既可在不同生物体完美解 决，也可能在同一生物体上得到体现。功能分析，重点要把握
跨学科要求仿生学研究方法、内容必须具有综合性。通过 综合分析，系统集成，～方面便于全面深入理解生物体多功能、 多材料的优异特性，另一方面技术系统的仿生设计必须综合考 虑其所处环境，多种需求，才能使仿生应用更富有成效。例如 在研究海豚快速游动、灵活转弯的机理时发现，海豚除具有流 线型体型外，其特殊的皮肤结构及其表面分泌的粘液还具有优 良的减小水的阻力的作用。生物体往往具有综合性能，优秀的 仿生成果，往往综合各种功能。因此，综合性是仿生学研究的 重要手段。 ２．７创新性
闯
术装置
功能分析主要目的就是通过功能分解，确定本质功能，考虑附 加功能，从整体上把握功能特性，采用发散思维，归纳综合，最 终确定功能目标。 ３．１．２相似评价
通过功能分析，明确了功能组成，功能与结构、环境之间的 联系。但所确定的功能目标，往往是一组与工程要求相似的功 能目标，另外，即使是单个功能目标，由于生物体功能、结构、环 境密切相关，生物属性与工程属性存在着差异，只有从生物功 能、约束、品质几方面来评价生物体与工程结构的相似程度，才 能选择合适的生物体，保证仿生设计的有效性Ｍ１。功能目标的
仿生学过程是一个分析综合创新的过程。从仿生对象的 确定，仿生功能选择，到仿生数学模型的建立和在技术系统中 的应用，都需要设计人员的创新思维。另外，从仿生学发展来 看，从结构仿生到材料仿生再到仿生灵感，创新成为仿生学的 重要步骤和研究内容。因此，创新性是仿生学发展的灵魂。 ２．８最优化
自然进化的趋向是用最小的消耗来满足最大的功能需求。 功能适应性、环境适应性、智能性处处体现了生物体设计的优 化特征，并且生物体的优化是多学科优化、动态优化、全局优 化。理解生物体的优化方法、过程，实现技术系统结构、性能、 布局等的最优化，是仿生学的最终目标。
嚣 相似评价可按以下７个步骤来进行（如图２）。
４
图２仿生相似评价流程图 如果不能满足以上相似条件，可重新寻找仿生对象或重新 审核原始技术需求，最终满足各项相似要求。 ３．１．３进化设计 确定了功能目标，选择了仿生对象，通过创新思维，提出仿 生构思，即可进行仿生设计。事实上，借鉴生物功能、功能结
构、功能结构参数进行仿生设计，很大程度上依赖于设计者的 经验，且往往需要多次反复。仿生学是利用生物进化结果的科 学，进化设计＂ｏ是在设计领域中采用进化汁算技术的一种方 法，进化设计涉及进化生物学、工程设计和计算机科学（图３）。 生物进化趋势体现了在环境约束条件下功能、结构不断优化的 思想。应用模拟生物进化的遗传算法、进化策略、进化规划等 进化计算方法，通过繁殖、交叉、变异、选择等步骤，在工程约束 条件下，对仿生模型实施进化设计，实现仿生设计的最优化。
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。
关键词：仿生学；仿生学特征；仿生学组成 中图分类号：ＴＰｌ２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—２３５４（２００７）０７—０００ｌ一０２
“生物原型——新技术的关键”已为大量科研实践所证 实…。随着生物学的迅猛发展，尤其是分子生物学的发展，人 们能够从宏观、细观、微观不同层次来研究生物体的功能、结 构、材料，而观测、试验、仿真手段的完善，使仿生学的研究广度 和深度得到进一步的强化。深入分析仿生学概念的演变及其 基础理论，对于深化仿生学研究，进一步促进仿生学的工程应 用具有重要的意义。
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
（下转第６６页）
机 械设 计
第２４卷第７期
（ＤｅｐａＩｔｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎ舀ｎｅｅｒｉｎｇ，
参考文献
Ｓｈａｎｘｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ０ｃｃｕｐａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｘｉａｎｙａｎｇ
７１２０００．Ｃｈｉｎａ）
（上接第２页） 模型实验。目前迅猛发展的ＲＰ技术，以其快速、柔性特点，在 设计制造一体化领域发挥着愈来愈重要的作用，已成为仿生研 究的重要手段¨－。
生物智能是自然长期进化的结果，智能性是生物与非生物
基金项目：内蒙古自治区高等学校科研基金资助项目（ＮＪ蝴） ｓ收稿日期：２００６一ｌｌ一３０；修订日期：２００７一０４—１０
作者简介：岑海堂（１９６７一），男，内蒙古卓资人，博士，内蒙古工业大学机械系副教授，主要从事结构仿生建模、快速成形方面的研究。
万方数据
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。
２ 仿生学的学科特征
２．１相似性 仿生学的研究对象就是生物体结构（或材料、过程、特性
１ 仿生学概念的演变
仿生学是一门综合性边缘学科，它是生命科学与工程技术 科学相互渗透，彼此结合而产生的。１９６０年，在美国召开了有 史以来第一届仿生讨论会，Ｊ．Ｅ斯蒂尔少校将这门学科正式定 名为“仿生学”。仿生学（Ｂｉｏｎｉｃｓ）即复制自然和从自然获得想 法。仿生学的研究内容随着现代科学技术的发展而不断得到 丰富和发展，在电子仿生、机械仿生、建筑仿生、信息仿生等方 面都取得了很大的成果ｐ’３０。这一时期，仿生学往往被称作“机 械电子学”。
ｏｕｔ ｏｎ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｏｏｔｈ ｐｒｏｆｉｌｅ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｔｈｉｓ
ｎｏｖｅｌ ｒｅｄｕｃｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｅａｃｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｉｎ ｔｈｅ
ｄｅｓ瑶弘ｏｆ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｒｅｄｕｃｅｒ ｗａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．
ｒｏｌｌｉｎｇ ｅｉｒｃｌｅ；ｓｔｕｂ＿ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｃｏｅｍｃｉｅｎｔ；ｃｙｃｌｏｉｄａｌ ｇｍｏｖｅ
Ｆｉｇ ６ Ｔａｂ ０ Ｒｅｆ ４
“Ｊｉｘｉｅ Ｓｈｅｊｉ”６６２２
Ｈ争ｏｅ田专帕《帕专叼ｅ屺《硝《Ｋ嗟ＭＨ争。喀岫ｅＫ喀Ｋ《托专如《ｘ斌ｘＨ》ｏｅ屺《ｘＨ争ｏｅ’ｏ专吣ｅ屺《ｘ底》ｏｅ．ｏ喀．ｏｅ’ｏ《’ｃ《｝Ｄｅ由．：加《Ｍ×争ｏｅ叼《Ｋ《Ｋ《Ｋ《》ｏ咤帕《帕《ｘ×》ｏｅ吣《ｘ×》（＞·￡ｘ