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仿生设计知识点总结引言仿生设计是一种源自生物学的设计方法，通过模仿自然界生物体的结构与功能，来解决人类自身工程技术领域中的问题。
仿生设计已经成为一项重要的交叉学科，融合了生物学、工程学、材料科学等多个学科的知识和技术，为我们带来了许多创新的设计理念与方法。
本文将对仿生设计的基本概念、发展历程、应用领域、关键技术等方面进行深入分析和总结，以期为读者提供系统全面的了解和认识。
一、仿生设计的基本概念1. 什么是仿生设计？仿生设计，顾名思义，是指从生物学中得到灵感的设计过程。
它是一种以生物体结构和功能为模板的设计方法，旨在通过模仿自然界中已经经过漫长演化而得到的有效解决方案，来解决人类在工程技术领域中遇到的问题。
仿生设计的本质是对自然的理解与模仿，以达到更高效率和更好效果的设计目的。
2. 仿生设计的特点是什么？（1）以生物体为蓝本：仿生设计的基本思想是通过生物体的结构、功能和适应性作为设计的灵感来源。
从而在解决问题时，能够更加贴近自然和有效率。
（2）跨学科综合：仿生设计是一种跨学科综合性的设计方法，融合了生物学、工程学、材料科学等多个学科的知识和技术，能够为解决复杂问题提供更加全面的视角和更加有效的方法。
（3）充分利用自然有效性：生物体经过漫长的演化过程，其结构与功能已经被自然界验证为相对有效的解决方案。
因此，仿生设计能够利用自然界已经验证有效的设计方案，减少设计过程中的试错。
二、仿生设计的发展历程1. 仿生设计的起源仿生设计的概念最早可以追溯到古希腊时期，古希腊哲学家亚里士多德对大自然的研究成果，以及古希腊建筑师和艺术家们对自然界的模仿、借鉴与创新。
此外，古代中国、古印度和古埃及等文明也都有着对自然的深刻观察与模仿，从而为后世的仿生设计提供了最早的参照点。
2. 仿生设计的发展历程（1）18世纪至19世纪：工业革命后，人类对自然界的模仿、借鉴和创新成为了一种重要的研究方向。
此时期出现了一大批对自然现象和生物体进行模仿的发明创造，如热能机的发明、模仿自然飞行器的造型等。
于其仿生学的灵感——壁虎的吸附能力。
（假装我就是一台iMac）NO.3 大象鼻子仿生喷壶设计U-CAN是由Diane Dupire设计的一个喷壶，灵感来自大象的长鼻子。
喷壶两侧内置滚轮，抓住长鼻子即可拖行，容易从一个区域移动到另一个区域，适合成人、儿童和老人使用。
NO.4 个人碎纸机这款2000年日本名古屋国际设计竞赛金奖的碎纸机，其特别之处在于它并没有纸斗，而且碎纸的形状为树叶的外形。
纸屑落到地上由人工打扫，给人秋叶飘落的感受，产生了空寂静美的古典美感，即所谓“侘寂之美”。
NO.5 没有指针的“雪松”时钟这件别具一格的摆钟，由日本雪松木制成的圆形框架与摆条组成。
表面木纹那些真实自然的细小瑕疵得到了完好的保留。
种植在里面的雪松针叶，比其它植物的绿色生命更为长久，由此延长了作品的生命。
与古老的日本酿酒习俗相同，表盘上由绿变黄的时间，大约要用一整年的时间。
二、形态仿生设计产品的形态仿生设计是指在设计过程中，设计师将某种仿生对象的整体或局部经过加工和整理应用到产品外观上，让人产生某种相关联想的一种设计手法。
从而带给人们返璞归真，回归自然的情感需求。
NO.1 手提袋凳子（包包哦，各位女生们看到了会不会买心大起？）NO.2 松果吊灯（形态像是个倒悬的松果，只不过花瓣没有那么密集，#话说脏了怎么清洁#）NO.3 火山加湿器来自设计师Dae-hoo Kim的创意，这款火山加湿器（Volcano Humidifier），是2013年IDEA设计奖（IDEA Awards）的获奖作品。
主要的特点是，①类似火山一样的造型，加水是从顶部直接往里倒，工作的时候，水蒸气也是从同一个口往外喷，配上淡淡的灯光特效（灯光特效也是当今加湿器的标配了），它看上去真的就是一座火山；②有相当多的款式，而且，每一款都是比照这个世界真实存在火山的特点进行打造，比如黄石公园款，比如富士山款（不喜欢日本的还是可以有买了）；③以及，它工作的时候，水蒸气可以直直地往上喷，可以往侧面流下，还可以用各种烟圈的形式，一圈一圈地吐出，一圈一圈地上升、变淡、消失……（貌似灯光只是特效，本质上还是一款超声波加湿器，至于超声波加湿器有什么优劣，请自行百度）NO.4 开花吊灯这吊灯的设计……照花冠形状来看，虎嗅君觉得应该是百合科葱兰（外形请自行百度）。
仿生设计原理及应用仿生设计是一种借鉴生物形态、结构、功能和行为的设计方法。
它通过研究生物界的优秀特质，将其应用到设计中，以解决复杂的问题和挑战。
仿生设计的原理和应用涉及多个领域，包括建筑、工程、航空航天、交通、医疗、材料等。
下面我将详细介绍仿生设计的原理及其在不同领域的应用。
1. 原理：(1) 结构优化：仿生设计通过研究生物的结构特点，优化设计的结构以提高材料使用效率、减轻重量、增强强度等。
(2) 功能仿效：生物在进化过程中形成了各种独特的功能，如蚁群行为、蝴蝶的色彩模式等。
仿生设计通过仿效这些功能，使设计具备更好的性能和功能。
(3) 形态模拟：仿生设计通过模拟生物的形态，如植物的表面纹理、鱼鳞的结构等，实现设计的特定功能，如减少阻力、提高光学效果等。
(4) 自适应优化：仿生设计中的自适应优化包括自适应材料、自适应结构，模仿生物对环境的自然适应能力，使设计更加灵活、适应性更强。
2. 应用：(1) 建筑：仿生设计在建筑领域可以提供新的设计思路和解决方案。
例如，借鉴鸟巢结构的鸟巢体育场能够达到较大跨度和更轻的结构体重；模拟植物的表面纹理可减少建筑物的阻力，提高能源效率等。
(2) 工程：仿生设计在工程领域可以提供更高效、更稳定的结构设计。
例如，模拟蛛网结构的桥梁能够分担荷载，增强结构的稳定性；借鉴企鹅的结构可以提高船舶在海上的稳定性。
(3) 航空航天：仿生设计在航空航天领域可以实现飞行器性能的大幅提升。
例如，学习鱼类的运动原理，设计出更高效的水下机器人；模拟鸟类的羽翼结构，设计出更轻、更适应高空环境的飞机翼。
(4) 交通：仿生设计在交通领域可以提高交通工具的能源利用率和运行效率。
例如，模仿鱼类的游动方式设计出更节能的水下船只；模拟蜜蜂的飞行方式，设计出更稳定、更高速的飞行器。
(5) 医疗：仿生设计在医疗领域可以改善医疗器械和设备的性能和功能。
例如，借鉴蝙蝠的声纳系统设计出更精准的医疗影像设备；模仿蜘蛛丝的结构制造出更具高强度和韧性的医用材料。
仿生设计在产品创新中的应用研究近年来，随着科技的飞速发展，人们对于产品的要求也越来越高。
为了满足消费者的需求，企业不断进行创新，而仿生设计作为一种新兴的设计理念，被广泛应用于产品创新中。
本文将探讨仿生设计在产品创新中的应用研究，并分析其优势和挑战。
一、仿生设计的概念和原理仿生设计是通过模仿自然界中生物的结构、功能和行为，将其运用到产品设计中的一种方法。
它借鉴了生物学、物理学、化学等多学科的知识，旨在提高产品的性能和功能。
仿生设计的原理是通过观察和研究自然界中的生物，发现其中的优秀设计，并将其运用到产品设计中。
二、仿生设计在产品创新中的应用1. 结构优化仿生设计可以通过研究自然界中的生物结构，优化产品的结构设计。
例如，蜘蛛丝的强度和韧性远超过钢铁，研究其结构可以为纺织品和建筑材料的设计提供灵感。
另外，鸟类的骨骼结构可以为飞机的设计提供指导，使其更加轻巧和稳定。
2. 功能改进仿生设计可以通过研究生物的功能特点，改进产品的功能。
例如，蝴蝶的翅膀上有微小的鳞片，这些鳞片可以使蝴蝶具有良好的防水性能。
将这个特点应用到纺织品的设计中，可以使其具有防水功能。
此外，研究昆虫的感知器官可以为机器人的设计提供灵感，使其具有更强的感知能力。
3. 材料创新仿生设计可以通过研究生物的材料特性，创新产品的材料。
例如，莲花的叶子表面具有微观的凹凸结构，使其具有自清洁能力。
将这个特点应用到建筑材料的设计中，可以使其具有自洁能力，减少清洁维护的成本。
另外，研究贝壳的结构可以为新型材料的研发提供启示，使其具有更好的强度和韧性。
三、仿生设计的优势和挑战1. 优势仿生设计可以从自然界中获取丰富的创新思路，使产品具有更好的性能和功能。
同时，仿生设计还可以提高产品的可持续性，减少对环境的影响。
此外，仿生设计还可以促进不同学科之间的交流和合作，推动科技的跨界发展。
2. 挑战仿生设计在应用过程中也面临一些挑战。
首先，仿生设计需要深入研究自然界中的生物，需要大量的时间和资源。
仿生设计的应用原理简介仿生设计是一种借鉴生物系统的原理和结构以解决工程问题的设计方法。
它通过研究和模仿天然系统的形态、结构和功能，将其应用于工程领域中的产品、系统或流程设计之中。
仿生设计已经在多个领域展现出了巨大的潜力，并广泛应用于科学研究和实际应用中。
原理仿生设计的应用原理可以总结为以下几个方面：•借鉴生物形态和结构–仿生设计通过研究和模仿生物的形态和结构，从中获取灵感并应用到设计中。
生物的形态和结构经过了长时间的进化和优化，具有很高的适应性和效率。
通过借鉴这些形态和结构，设计者可以为问题寻找到更高效、更可持续的解决方案。
•模仿生物功能–仿生设计还通过研究和模仿生物的功能来解决工程问题。
生物系统具有各种各样的功能，如自洁、防水、防风等。
通过研究这些功能的原理和机制，设计者可以开发出类似的功能，并将其应用到产品或系统设计中。
•运用生物的适应策略–生物在进化的过程中，通过适应环境的策略来生存和繁衍。
仿生设计通过研究生物的适应策略，将其运用于工程设计中。
例如，一些海洋动物通过减少阻力和提高流体动力学性能来适应海洋环境。
仿生设计可以借鉴这些适应策略来设计更高效的产品和系统。
应用领域仿生设计已经被广泛应用于多个领域，以下是一些典型的应用领域：•航空航天–仿生设计在航空航天领域发挥了重要作用。
例如，设计者通过借鉴鸟类的飞行原理，开发出了更加高效的飞机机翼设计。
此外，仿生设计还可以用于提高航天器的耐热性能、减少飞行阻力等方面。
•建筑设计–仿生设计在建筑领域中也得到了广泛的应用。
例如，借鉴蜂窝结构的原理可以设计出更稳定并且节省材料的建筑结构。
另外，仿生设计还可以通过模拟树木的生长原理，设计出更高效的通风系统。
•材料科学–仿生设计在材料科学领域中发挥了重要作用。
通过研究和模仿生物的材料结构和性能，可以设计出更加强韧、轻量化的材料。
例如，仿生设计可以通过研究贝壳的结构，开发出更加坚硬的材料。
•机器人技术–仿生设计对机器人技术的发展也有着重要的推动作用。
仿生创新机理,原则及策略途径研究仿生创新是一种通过借鉴生物系统的设计原理和机制来解决问题和开发新产品的创新方法。
它通过研究生物系统的结构、功能和适应性，从中获取灵感和启示，将生物学原理应用到工程和技术领域。
仿生创新已经在许多领域取得了显著的成就，包括材料科学、机械工程、航空航天、能源和医学等。
仿生创新的机理在于对生物系统的深入研究和理解。
生物系统是自然界中经过演化和优化的复杂系统，具有高效的结构和功能。
通过研究生物系统的结构、功能和适应性，可以揭示出其中蕴含的智慧和设计原则。
例如，莲花的叶片和蜘蛛的网都具有优秀的自清洁能力，这些原理可以应用到建筑和材料科学中，开发出更易清洁和抗污染的材料和涂层。
仿生创新的原则包括多样性、分布、简化和互补。
多样性是指生物界的物种和形态多样，不同的生物系统可以提供不同的解决方案和灵感。
分布是指生物系统中的结构和功能分布得非常合理和高效，这也是提高系统效率和性能的重要原则。
简化是指生物系统的结构和功能经过演化和优化，已经达到了最简化和最高效的状态。
互补是指不同生物系统之间的结构和功能相互补充和协同作用，形成整体的生态系统。
这些原则可以指导仿生创新的设计和开发过程，提高创新的效率和成功率。
仿生创新的策略途径包括模仿、借鉴、改进和创新。
模仿是指直接复制生物系统的结构和功能，将其应用到工程和技术领域。
例如，仿生飞机的设计就是通过模仿鸟类的飞行原理来实现的。
借鉴是指从生物系统中获取灵感和启示，然后进行改进和优化。
例如，仿生材料的研发就是通过借鉴蜘蛛丝的结构和性能来设计新材料。
改进是指在已有的仿生设计基础上进行改进和优化，提高系统的性能和效率。
创新是指在已有的仿生设计基础上进行创造性的突破，开发出全新的产品和技术。
这些策略途径可以根据具体的问题和需求来选择和应用，以实现最佳的创新效果。
总之，仿生创新是一种通过借鉴生物系统的设计原理和机制来解决问题和开发新产品的创新方法。
它的机理在于对生物系统的深入研究和理解，原则包括多样性、分布、简化和互补，策略途径包括模仿、借鉴、改进和创新。
5.1 仿生创新设计原理及分类
5.1.1仿生学与仿生机械学概述
在长期的进化过程中，受到自然条件的严峻选择，为了生存和发展，自然界形形色色的生物各自练就了一套独特的本领。
例如，有利用天文导航的候鸟，有建筑巧妙的蜂窝，有能探测势源的响尾蛇;海洋中水母能预报风暴;老鼠能事先躲避矿井崩塌或有害气体;蝙蝠能感受到超声波;鹰眼能从三千米高空敏锐地发现地面上运动着的小动物;蛙眼能迅速判断目标的位置、运动方向和速度，并能选择最好的攻击姿势和时间。
人们在技术上遇到的许多问题、许多困难找不到正确解决的方法和途径，生物界早在千百万年前就曾出现，而且在进化过程中就已得到了很好的解决，人类应从生物界得到有益的启示。
相传在公元前三千多年.人们的祖先有巢氏模仿鸟类在树上营巢，以防御猛兽的伤害;四千多年前，人们的祖先“见飞蓬转而知为车”，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做成装有轮子的车。
我国战国时期墨子仿鸟而制造的竹鹊”;三国时期诸葛亮设计的“木牛流马”;春秋战国时期的鲁班，从锯齿形的草叶中“悟”到了锯的原理;
中国古代劳动人民对水生动物一鱼类的仿生也卓有成效。
鱼儿在水中有自由来去的本领，古人伐木凿船，用木材做成鱼形的船体人们就模仿鱼类的形体造船。
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。
人们还仿照鱼的胸鳍制成双桨，由此取得水上运输的自由。
后来随制作水平提高而出现的龙船，多少受到了不少动物外形的影响。
图5-1 竹鸢、楼兰古城的有翼天使
图5-2 木牛流马、龙舟
研究生物系统的结构和特征、并以此为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学,称为仿生学（bionics）。
仿生学不是仅仅外形相似即可，有些外形相似的仿造很失败，有些外形不像但是结构原理一致的仿生很成功。
图5-3 仿生结构
5.1.2 仿生机械分类
仿生机械（bio-simulation machinery），是模仿生物的形态、结构、运动和控制，设计出功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。
研究动物体的运动机理，模仿动物的地面走、跑、地下的行进、墙面上的行进、空中的飞、水中的游等运动；运用机械设计方法研制模仿各种生物的运动装置。
仿生机械学研究内容主要有功能仿生、结构仿生、材料仿生以及控制仿生等几个方面。
仿生机械手
仿生机械手的机构一般为开链机构，由若干构件组成。
F=6n−∑kp k
5
k=1
n-构件数，k-运动副数，pk-运动副约束数
图5-4 仿生机械手
图5-5 人手臂示意图
a）人体上肢骨骼 b）人体上肢骨骼机构图
1-肩关节 2-肱骨 3-肘关节 4-尺骨、桡骨5-腕关节 6-拇指骨 7-腕骨 8-掌骨 9-指骨
图5-6 三指机械手、五指机械手
步行与仿生机构的设计
有足动物腿部结构与运动分析：对人腿足端运行轨迹的测定与分析，对大腿相对股骨关节转动角度，对小腿相对膝关节转动角度，足底运动——足底着地，足底平放，足底推离。
图5-7 两足步行状态分析
a）人的步行状态 b）鸟类的步行状态
四足动物腿部运动分析：前腿运动-大腿相对于小腿是向后弯的；后腿运动-大腿相对于小腿是向前弯的。
图5-8 四足动物的腿部结构示意图
拟人型步行机器人
南斯拉夫双足步行机器人研究学者Vukobratovic在1969年提出了著名的ZMP（Zero Moment Point）双足行走运动稳定性概念与判据。
其核心思想是要确保单腿支撑期机器人足与地面完全接触，使得各个自由度直接可控，避免出现欠驱动的情形，即：ZMP必须落在支撑凸多边形内部。
时至今日，这一方法仍被作为仿人双足步行运动稳定性的重要判定准则。
图5-9 拟人机器人腿部的理想自由度--7个
多足步行仿生机器人
六足步行机器人常见的行走方式是三角步态：六足机器人身体一侧的前后足与另一侧的中足共同组成支撑相或摆动相，处于同相的三条腿的动作完全一致，即:三条腿支撑，三条腿抬起换步。
抬起的每条腿从躯体看是开式链结构，而同时着地的3条腿或6条腿与躯体构成并联多闭链多自由度结构。
行走时相当于机构学里3分支并联机构、6分支并联机构以及串联开式链之间不断变化。
图5-10 新西兰六足步行机器人
在正常步行条件下，各支撑腿与地面接触并存在摩擦不打滑，可以简化为点接触，相当于机构学上的3自由度球面副，再加上踝关节、膝关节及髋关节（各关节为单自由度），每条腿有6个单自由度的运动副。
爬行与仿生机构的设计
爬壁机器人
足-掌机构
为了使仿生爬行机器人具有近似于爬行动物的运动特性，爬壁机器人对足-掌机构都有特殊的要求。
爬壁机器人对腿足机构的要求可归纳为以下主要方面:
腿机构具有足够的刚性和承载能力；腿机构具有足够大的工作空间；腿机构足端的支撑相直线位移便于控制。
在腿足机构的端点连接吸掌以后, 对掌机构的要求主要有:
掌的姿态可以调节控制，以便在地壁过渡行走时适应壁面法线方向；调节掌机构的驱动装置尽可能安装到机器人机体上；爬壁机器人在壁面上移动时, 处于支撑相的掌与足端应没有限制转动的强迫约束。
图5-11 爬壁机器人
吸附机构
吸附机构具体有：真空吸盘、磁铁等。
负压吸附式爬壁机器人；磁吸附爬壁机器人；黏性吸附式爬壁机器人。
壁虎抗地心引力的抓握秘诀在于脚趾上成排的微小刚毛。
这些刚毛可以依靠粘性的范德华力依附在任何表面，范德华力只在微观尺度上发挥作用。
这种吸附方式的优势在于可逆地强力抓握，而且不需要使用任何粘合剂。
近年来，工程师们已经成功地使用硅胶模拟出类似的刚毛结构，从而推动了各式各样壁虎皮肤模拟技术的出现。
图5-12 复合足-掌机构结构略图
1-连杆 2、14-带轮 3-杆 4、6-压带轮 5-张紧轮
7-同步带 8-直线轴承 9-导柱 10-丝杠 11-螺母
12-滑块 13-机体 15-掌组件 16-连杆
图5-13 爬行壁虎机器人吸附机构图5-14 吸盘组导向和提升装置
1-吸盘 2-吸盘提升装置 3-支撑板弹簧4-弹簧
5-导轮 6-链条连接板 7-连杆 8-吸盘支承板
爬行与仿生机构的设计
Ｇray通过研究自然界的生物蛇，将基本运动步态分为蜿蜒运动、直线运动、鼓风琴运动和侧移运动。
蜿蜒运动是以侧向波传播为特征的运动步态，随着侧向波的传递，身体向前移动，此种步态被认为是生物蛇一种具有高效率的运动步态，适合地形平坦的环境。
直线运动是生物蛇通过肋骨、肌肉的交替运动，使身体向前爬行，此种方式与毛虫所采用爬行相似，其运动效率很低，常与其他步态联合使用，适用于狭窄区域。
鼓风琴运动，表面看来与蜿蜒运动相似，但其通过自身向前牵引，使身体向前爬行，通常生物蛇在树上爬行时采用此种步态。
侧移运动具有螺线形特征，可使身体横向或斜向运动，最典型的是生活在沙漠中响尾蛇的运动步态（也称作螺旋步态），此步态使生物蛇具有更强的适应性。
此外，生物蛇在沿树、杆等物体向上攀爬时采用的步态，也具有螺旋线特征，它是依靠螺旋内测与物体之间的摩擦力稳定身体，利用类似于弹簧伸缩功能，促进自身向上（前）运动。
图5-15 蛇形机器人
飞行与仿生机构的设计
以静电致动方的仿生扑翼结构
飞行昆虫的特征如外部骨骼、弹性关节、变形胸腔以及伸缩肌肉等为我们设计微型飞行器提供了借鉴思路。
两自由度胸腔式扑翼驱动机构，两自由度胸腔式扑翼驱动机构拍翅微飞行器。
图5-16 飞行仿生结构
图5-17 仿生扑翼机构设计
游动与仿生机构的设计
根据鱼类摆动推进的泳动力学原理来设计仿生结构。
图5-18 游动仿生机构：身体波浪式摆动推进、尾鳍摆动式推进
5.1.3仿生机械学中的注意事项
了解仿生对象的具体结构和运动特性：
仿生机械是建立在对模仿生物体的解剖基础上，了解其具体结构，用高速影象系统记录与分析其运动情况，然后运用机械学的设计与分析方法，完成仿生机械的设计过程，是多学科知识的交叉与运用。
避免“机械式”仿生:
生物的结构与运动特性，只是人们开展仿生创新活动的启示，不能采取照搬式的机械仿生。
飞机的发明史经历了从机械式仿生到科学仿生的过程。
机械式的仿生是研究仿生学的大忌之一。
注重功能目标，力求结构简单：
生物体的功能与实现这些功能的结构是经过千万年的进化逐渐形成的，有时追求结构仿生的完全一致性是不必要的。
如人的每只手有14个关节，20个自由度，如果完全仿人手结构，会造成结构复杂、控制也困难的局面。
所以仿二指和三指的机械手在工程上应用较多。
仿生的结果具有多值性：
要选择结构简单、工作可靠、成本低廉、使用寿命长、制造维护方便的仿生机构方案。
仿生设计的过程也是创新的过程：
要注意形象思维与抽象思维的结合，注意打破定势思维并运用发散思维解决问题的能力。
