仿生学
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➢ 结构适应于功能是动物中的 普遍现象
➢ 不同的动物，其形态结构特 征可以有相当大的差别。动 物为适应自然的选择，产生 了各种各样的形态特征。
➢ 仿生学
➢植物 ➢鱼类 ➢鸟类 ➢哺乳动物
二 仿生学的研究方法
生物体 生物模型 数学模型 技术模型 技术装置
三 仿生学在工程技术中的应用
➢感觉仿生 ➢结构仿生 ➢拟态仿生 ➢力学仿生 ➢化学仿生 ➢整体仿生 ➢仿生材料
通过对萤火虫发光器的研究， 分离出了荧光素和荧光素酶， 弄清了萤火虫发光的奥秘；发 明了既省电又明亮的日光灯和 冷光源，广泛地应用于怕热、 怕磁等工农业生产上。
智能机器人
生物计算机
➢第一代是示教再现型机器人， 机器人有部分电脑化控制能力， 但最后的决策仍然是人类。 ➢第二代是感觉机器人，人类 指派任务以后，机器人有足够 自动化机器人从月球土壤中提取气体 的智慧完成工作，不必实时指 导。 ➢第三代是智能机器人，机器 人几乎不必由人类控制
目前这款“海豚潜艇”每条售 价高达3万英镑，目标锁定百万 富翁。
生物与飞机
相飞飞 似行鸟
时的 与体 飞形 机和 的翅 飞膀 行在 极滑 为进
鹰击长空-啸傲云天
苍蝇与蝇眼透镜
“复眼”由30O0多只小眼组成， 具有很高的时间分辨率，它能 把运动的物体分成连续的单个 镜头，并由各个小眼轮流“值 班”。
感觉仿生
青蛙与电子蛙眼
神经节细胞有4种： 1. “边缘侦察器”：感受外围
物体的边缘 2. “昆虫侦察器”：感受移动
的昆虫 3. “事件侦察器”：感受亮度
的变化 4. “光强减弱感受器”：感受
光线减弱时阴影的暗色部分
★ “电子蛙眼”：人造卫星跟 踪系统、雷达系统、信息处 理系统等
感觉仿生
水母耳与风暴预测仪
感觉仿生
夜蛾的反雷达技术 －－听觉系统
➢夜蛾胸腹之间有一对鼓膜器，可以 从很强的背景噪声中分辨出蝙蝠发出 的超声波，其身上厚密的绒毛还能吸 收蝙蝠发射的探测超声波，从而在天 敌面前处于“隐身”状态。 ➢科学家通过把夜蛾身上绒毛状的材 料用于飞机、舰船等装备，大大减少 了目标被雷达、红外线和超声波发现 的概率。
反雷达技术使夜蛾死里逃生
感觉仿生
苍蝇与导航仪
➢ 翅楫：后翅位置，形状与 哑铃有些相似，能使苍蝇往后 “开倒车”，很快飞离“危险 区”。还能为身体导航，保持 飞行方向，不致于在原地兜圈 子。 ➢ 人们根据这个原理仿制了 振动陀螺仪，已用于高速飞行 的火箭和飞机，使飞机和飞行 着的火箭的稳定性提高了，并 实现自动驾驶。
正在研究的智能材料和系统
•能自诊断断裂的飞机机翼 •控制湍流和噪声的机械蒙皮 •人工肌肉和皮肤 •定向投药等
神经信息仿生学让壁虎能解人意
动物通过神经网络控制肌肉收 缩，而神经信号的传导是电信 号和化学信号的结合，只要人 为地往壁虎大脑中输入电信号， 就可以实现壁虎运动的诱导， 从而控制壁虎的行为。
蝙蝠的声纳信息处理
感觉仿生
响尾蛇与热定位器
蛇的红外探测
颊窝
蛇
蛇通过感受器 探测到热源
热血动物身体 向外散热
田鼠
➢ 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。
➢ 研制出现代夜视仪、空对 空响尾蛇导弹以及仿生红外探 测器等。
壁虎开颅后，在大脑内相应的
脑区、位点植入电极，待伤口
愈合后，就可以对其大脑发出
南京航空航天大学
电信号，从而控制壁虎的动作，仿生结构与材料防护研究所
让其按照研究人员的指令运动。
模仿鳕鱼、鲇鱼外形建 造的“复仇号”帆船
俄罗斯海军新型核潜艇
美研制出举世无双“海豚潜艇” 能跳跃翻腾
新华网 2008-09-05
“海洋跳跃者”。
水上速度可达72公里/小时， 潜水速度可达32公里/小时。 其最大潜水深度为1.52米，水 上最大跳跃高度可达3.04米。 因此，它能像海豚一样时而潜 入水中，时而跃出水面。
源于生命的灵感——仿生学
主要内容
仿生学概念 仿生学的研究方法 仿生与工程技术
一、仿生学简介
仿生学(Bionics)
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
凤蓬草
轮子
鱼尾
船橹
生活中的仿生学 人眼晶状体
透镜
生物电
电池鸟Biblioteka 飞机生物体的结构对功能的适应性
蛇形机器人
➢侧向运动时，蛇身体只有几个点接触地面，为了减 少与高温沙漠接触，沙漠蛇多半采用这种运动形式 ➢在狭窄的空间内，蛇无法摆动，只能采用直线和伸 缩的方式向前运动大多时候，蛇采用蜿蜒运动的方式 前进，这是它效率最高的运动方式 ➢蛇形机器人，而且这种蛇形机器人能够适应外星球， 比如月球、火星等等这种未知的环境来做一些探察工 作
➢人工嗅觉 ➢仿生物膜
人工嗅觉
狗的鼻子里的雾受一种蛋白质的控制，将气味分子浓缩 后传送给鼻子里的气味感受器上的气味辨别蛋白，当气 味辨别蛋白将不同的气味辨别后，被辨别出的特定的气 味信号，立即被嗅觉细胞传递给大脑，大脑便知道了所 闻到的是一种什么气味。
嗅敏检测仪
嗅敏电阻是一类以SnO2为主体 的金属半导体，它是一种表面
仿生和智能材料
仿生材料
仿制天然生物材料或具有生物功能，甚至是真 正有生物活性的材料。
智能材料
✓定义 指模仿生物系统中同时具有感知和驱 动双重功能的材料，又称机敏材料。 ✓感知、反馈和响应是智能材料的三大要素。
仿生和智能材料
智能材料有哪些？
如变色玻璃、形状记忆合金、增韧氧 化锆陶瓷、正温度系数热敏陶瓷、陶瓷变 阻器以及合成弹性多肽等
鲨鱼皮泳衣的 结构，V字型 可以减少游泳 时水流带来的 阻力。
拟态仿生
动物的拟态与保护色
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
坦克的迷彩着装
三色迷彩的德国豹坦克在 电视成像下的效果
仿生学与家具
似筐非筐，似篓非篓 的女人体造型坐具
化学仿生
➢研究和模拟的是生物体中的各类化学反应，包括 酶学原理、选择性生物膜和生物结构的能量转换、 生物发光、生物发电等。
结构仿生与力学仿生
结构仿生是通过研究自然界植物和动物系统 的优异结构和功能特征，并有选择性的在设 计过程中借鉴和应用这些结构原理和特征。
力学仿生是研究并模仿生物体大体结构与精 细结构的静力学性质，以及生物体各组成部 分在体内相对运动和生物体在环境中运动的 动力学性质。
建筑与仿生
蛋壳、乌龟壳和贝壳等都有弯曲的表面，这 种“薄壳结构”的表面虽然很薄，但曲度均 匀，非常耐压。壳体在外力作用下，内力都 沿着整个表面扩散和分布。
“蝇眼透镜”是用几百或者几 千块小透镜整齐排列组合而成。
“蝇眼照相机”，一次能照出 千百张相同的相片。用于印刷 制版和大量复制电子计算机的 微小电路，大大提高效率质量。
蜂巢与蜂巢结构
斯洛文尼亚的蜂巢住宅联合体
加气混凝土砌块就是按仿生学原理模仿蜂巢结 构设计，强度高于粘土砖，与同体积粘土砖相 比质量减轻1/3，并具有保温、隔热、防潮和 替代模板的功能。
苍耳与尼龙粘扣
➢ 瑞士工程师梅斯特拉尔。 ➢ 显微镜下观察芒刺像一排钩子互相连结在一起，
能够紧紧地钩住接触到的衣料或动物的皮毛。 ➢ 仿生学研发转化为大规模生产, 家喻户晓。
鲨鱼与鲨鱼皮泳衣
鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大 大减少水流的摩擦力，使身体周围的水 流更高效地流过，鲨鱼得以快速游动。
显微镜下的鲨鱼皮肤
效应很强的材料。
海豚和仿海豚皮肤的结构（上：海豚皮肤的三层结构；下：科学 家研发搜新型柔性表面，(a)、(b)、(c)为不同构型的结构单位）
萤火虫与人工冷光
萤火虫发光过程中几乎不产生 热，发出的光是“冷光”，它 几乎能将化学能百分之百地转 变为可见光，而一只普通白炽 灯泡会把98％的能源变成热量 浪费掉。
感觉仿生
➢ 探索人和动物感觉系统奥妙的仿生学研究工作， 称为感觉仿生。
➢视觉仿生 ➢听觉仿生 ➢嗅觉仿生 ➢触觉仿生 ➢味觉仿生 ➢ 感觉仿生已经成为目前仿生学的发展重点。
感觉仿生
青蛙与电子蛙眼
青蛙的视觉系统
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
这种结构在工程上已 得到了广泛应用，北 京车站大厅房顶就是 采用这种薄壳结构。
“鸟巢” 是模仿现实中鸟巢的多支架结 构，具有很高的稳固性，应该是仿生 建筑在中国的成功代表作 。
生物与造船——结构的模仿
模仿鲸的胸鳍给 船装上了船鳍
模仿鱼和鲸体表粘 液合成了几种人工 粘液，以减小湍流
生物与造船——体形的模仿
“耳”（细柄上的小球) 中有小小的听石，上面 布满神经感受器，能听 到风暴产生时发出的次 声波（由空气和波浪摩 擦而产生，频率为8赫 兹-13赫兹，传播比风 暴、波浪的速度快）。
“水母耳”风暴预测仪 可提前15小时左右预报风暴
感觉仿生
蝙蝠与超声波
蝙蝠的捕食
根据蝙蝠的回声探测器制成供盲人 使用的“探路仪”和“盲人眼镜”
➢ 不同的动物，其形态结构特 征可以有相当大的差别。动 物为适应自然的选择，产生 了各种各样的形态特征。
➢ 仿生学
➢植物 ➢鱼类 ➢鸟类 ➢哺乳动物
二 仿生学的研究方法
生物体 生物模型 数学模型 技术模型 技术装置
三 仿生学在工程技术中的应用
➢感觉仿生 ➢结构仿生 ➢拟态仿生 ➢力学仿生 ➢化学仿生 ➢整体仿生 ➢仿生材料
通过对萤火虫发光器的研究， 分离出了荧光素和荧光素酶， 弄清了萤火虫发光的奥秘；发 明了既省电又明亮的日光灯和 冷光源，广泛地应用于怕热、 怕磁等工农业生产上。
智能机器人
生物计算机
➢第一代是示教再现型机器人， 机器人有部分电脑化控制能力， 但最后的决策仍然是人类。 ➢第二代是感觉机器人，人类 指派任务以后，机器人有足够 自动化机器人从月球土壤中提取气体 的智慧完成工作，不必实时指 导。 ➢第三代是智能机器人，机器 人几乎不必由人类控制
目前这款“海豚潜艇”每条售 价高达3万英镑，目标锁定百万 富翁。
生物与飞机
相飞飞 似行鸟
时的 与体 飞形 机和 的翅 飞膀 行在 极滑 为进
鹰击长空-啸傲云天
苍蝇与蝇眼透镜
“复眼”由30O0多只小眼组成， 具有很高的时间分辨率，它能 把运动的物体分成连续的单个 镜头，并由各个小眼轮流“值 班”。
感觉仿生
青蛙与电子蛙眼
神经节细胞有4种： 1. “边缘侦察器”：感受外围
物体的边缘 2. “昆虫侦察器”：感受移动
的昆虫 3. “事件侦察器”：感受亮度
的变化 4. “光强减弱感受器”：感受
光线减弱时阴影的暗色部分
★ “电子蛙眼”：人造卫星跟 踪系统、雷达系统、信息处 理系统等
感觉仿生
水母耳与风暴预测仪
感觉仿生
夜蛾的反雷达技术 －－听觉系统
➢夜蛾胸腹之间有一对鼓膜器，可以 从很强的背景噪声中分辨出蝙蝠发出 的超声波，其身上厚密的绒毛还能吸 收蝙蝠发射的探测超声波，从而在天 敌面前处于“隐身”状态。 ➢科学家通过把夜蛾身上绒毛状的材 料用于飞机、舰船等装备，大大减少 了目标被雷达、红外线和超声波发现 的概率。
反雷达技术使夜蛾死里逃生
感觉仿生
苍蝇与导航仪
➢ 翅楫：后翅位置，形状与 哑铃有些相似，能使苍蝇往后 “开倒车”，很快飞离“危险 区”。还能为身体导航，保持 飞行方向，不致于在原地兜圈 子。 ➢ 人们根据这个原理仿制了 振动陀螺仪，已用于高速飞行 的火箭和飞机，使飞机和飞行 着的火箭的稳定性提高了，并 实现自动驾驶。
正在研究的智能材料和系统
•能自诊断断裂的飞机机翼 •控制湍流和噪声的机械蒙皮 •人工肌肉和皮肤 •定向投药等
神经信息仿生学让壁虎能解人意
动物通过神经网络控制肌肉收 缩，而神经信号的传导是电信 号和化学信号的结合，只要人 为地往壁虎大脑中输入电信号， 就可以实现壁虎运动的诱导， 从而控制壁虎的行为。
蝙蝠的声纳信息处理
感觉仿生
响尾蛇与热定位器
蛇的红外探测
颊窝
蛇
蛇通过感受器 探测到热源
热血动物身体 向外散热
田鼠
➢ 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。
➢ 研制出现代夜视仪、空对 空响尾蛇导弹以及仿生红外探 测器等。
壁虎开颅后，在大脑内相应的
脑区、位点植入电极，待伤口
愈合后，就可以对其大脑发出
南京航空航天大学
电信号，从而控制壁虎的动作，仿生结构与材料防护研究所
让其按照研究人员的指令运动。
模仿鳕鱼、鲇鱼外形建 造的“复仇号”帆船
俄罗斯海军新型核潜艇
美研制出举世无双“海豚潜艇” 能跳跃翻腾
新华网 2008-09-05
“海洋跳跃者”。
水上速度可达72公里/小时， 潜水速度可达32公里/小时。 其最大潜水深度为1.52米，水 上最大跳跃高度可达3.04米。 因此，它能像海豚一样时而潜 入水中，时而跃出水面。
源于生命的灵感——仿生学
主要内容
仿生学概念 仿生学的研究方法 仿生与工程技术
一、仿生学简介
仿生学(Bionics)
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
凤蓬草
轮子
鱼尾
船橹
生活中的仿生学 人眼晶状体
透镜
生物电
电池鸟Biblioteka 飞机生物体的结构对功能的适应性
蛇形机器人
➢侧向运动时，蛇身体只有几个点接触地面，为了减 少与高温沙漠接触，沙漠蛇多半采用这种运动形式 ➢在狭窄的空间内，蛇无法摆动，只能采用直线和伸 缩的方式向前运动大多时候，蛇采用蜿蜒运动的方式 前进，这是它效率最高的运动方式 ➢蛇形机器人，而且这种蛇形机器人能够适应外星球， 比如月球、火星等等这种未知的环境来做一些探察工 作
➢人工嗅觉 ➢仿生物膜
人工嗅觉
狗的鼻子里的雾受一种蛋白质的控制，将气味分子浓缩 后传送给鼻子里的气味感受器上的气味辨别蛋白，当气 味辨别蛋白将不同的气味辨别后，被辨别出的特定的气 味信号，立即被嗅觉细胞传递给大脑，大脑便知道了所 闻到的是一种什么气味。
嗅敏检测仪
嗅敏电阻是一类以SnO2为主体 的金属半导体，它是一种表面
仿生和智能材料
仿生材料
仿制天然生物材料或具有生物功能，甚至是真 正有生物活性的材料。
智能材料
✓定义 指模仿生物系统中同时具有感知和驱 动双重功能的材料，又称机敏材料。 ✓感知、反馈和响应是智能材料的三大要素。
仿生和智能材料
智能材料有哪些？
如变色玻璃、形状记忆合金、增韧氧 化锆陶瓷、正温度系数热敏陶瓷、陶瓷变 阻器以及合成弹性多肽等
鲨鱼皮泳衣的 结构，V字型 可以减少游泳 时水流带来的 阻力。
拟态仿生
动物的拟态与保护色
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
坦克的迷彩着装
三色迷彩的德国豹坦克在 电视成像下的效果
仿生学与家具
似筐非筐，似篓非篓 的女人体造型坐具
化学仿生
➢研究和模拟的是生物体中的各类化学反应，包括 酶学原理、选择性生物膜和生物结构的能量转换、 生物发光、生物发电等。
结构仿生与力学仿生
结构仿生是通过研究自然界植物和动物系统 的优异结构和功能特征，并有选择性的在设 计过程中借鉴和应用这些结构原理和特征。
力学仿生是研究并模仿生物体大体结构与精 细结构的静力学性质，以及生物体各组成部 分在体内相对运动和生物体在环境中运动的 动力学性质。
建筑与仿生
蛋壳、乌龟壳和贝壳等都有弯曲的表面，这 种“薄壳结构”的表面虽然很薄，但曲度均 匀，非常耐压。壳体在外力作用下，内力都 沿着整个表面扩散和分布。
“蝇眼透镜”是用几百或者几 千块小透镜整齐排列组合而成。
“蝇眼照相机”，一次能照出 千百张相同的相片。用于印刷 制版和大量复制电子计算机的 微小电路，大大提高效率质量。
蜂巢与蜂巢结构
斯洛文尼亚的蜂巢住宅联合体
加气混凝土砌块就是按仿生学原理模仿蜂巢结 构设计，强度高于粘土砖，与同体积粘土砖相 比质量减轻1/3，并具有保温、隔热、防潮和 替代模板的功能。
苍耳与尼龙粘扣
➢ 瑞士工程师梅斯特拉尔。 ➢ 显微镜下观察芒刺像一排钩子互相连结在一起，
能够紧紧地钩住接触到的衣料或动物的皮毛。 ➢ 仿生学研发转化为大规模生产, 家喻户晓。
鲨鱼与鲨鱼皮泳衣
鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大 大减少水流的摩擦力，使身体周围的水 流更高效地流过，鲨鱼得以快速游动。
显微镜下的鲨鱼皮肤
效应很强的材料。
海豚和仿海豚皮肤的结构（上：海豚皮肤的三层结构；下：科学 家研发搜新型柔性表面，(a)、(b)、(c)为不同构型的结构单位）
萤火虫与人工冷光
萤火虫发光过程中几乎不产生 热，发出的光是“冷光”，它 几乎能将化学能百分之百地转 变为可见光，而一只普通白炽 灯泡会把98％的能源变成热量 浪费掉。
感觉仿生
➢ 探索人和动物感觉系统奥妙的仿生学研究工作， 称为感觉仿生。
➢视觉仿生 ➢听觉仿生 ➢嗅觉仿生 ➢触觉仿生 ➢味觉仿生 ➢ 感觉仿生已经成为目前仿生学的发展重点。
感觉仿生
青蛙与电子蛙眼
青蛙的视觉系统
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
这种结构在工程上已 得到了广泛应用，北 京车站大厅房顶就是 采用这种薄壳结构。
“鸟巢” 是模仿现实中鸟巢的多支架结 构，具有很高的稳固性，应该是仿生 建筑在中国的成功代表作 。
生物与造船——结构的模仿
模仿鲸的胸鳍给 船装上了船鳍
模仿鱼和鲸体表粘 液合成了几种人工 粘液，以减小湍流
生物与造船——体形的模仿
“耳”（细柄上的小球) 中有小小的听石，上面 布满神经感受器，能听 到风暴产生时发出的次 声波（由空气和波浪摩 擦而产生，频率为8赫 兹-13赫兹，传播比风 暴、波浪的速度快）。
“水母耳”风暴预测仪 可提前15小时左右预报风暴
感觉仿生
蝙蝠与超声波
蝙蝠的捕食
根据蝙蝠的回声探测器制成供盲人 使用的“探路仪”和“盲人眼镜”