仿生学的创新应用研究
摘要：本文深刻分析了现代工业化发展所遇到的新问题，剖析了仿生学在现代社会中的经济作用、仿生学在发明创造过程中发挥的重要作用，着重阐述了仿生学对企业创新投资的指导作用。本文主要阐述了以下几方面的论点：（1）仿生学的应用产生了越来越多的社会价值，如仿生学的环保价值，可循环利用的价值等。（2）通过案例分析了仿生学在社会生产中的典型应用，提出了仿生学的创新应用思维。如研究苍蝇的躲避机理，借鉴其机理并运用到了汽车上，通过摄像头的视觉捕捉，汽车上的仿造苍蝇大脑的智能系统，能够判断这车前的行人车辆和固定障碍物，并通过计算来决定是否要自动刹车来躲避危险，这样的视觉防碰撞系统，在某些情况下可靠性上甚至超过了传统的雷达刹车系统，更好地实现了保护作用。（3）分析了仿生机构及系统的应用研究及仿生学的应用前景。
关键词：仿生学低耗高效潜力产业
中图分类号：Q81 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（b）-0097-04
从第一次工业革命到今天，人类社会一直倍加推崇机械化生产。但事实上，我们对于原料的利用水平仍停留在加热、
加压、化学处理之类的做法上。与此同时，人们显然不能忽视这种做法所带来的负面效应，越来越严重的温室效应，导致南北两极的冰山加速溶化。南半球的臭氧空洞使得某些地区的紫外线计量达到了可以致癌的程度，化学加工所产生毒性副产品导致触目惊心的环境污染，另一个无法忽视的事实在于不可再生资源的迅速消耗。
自从20世纪开始对于资源的争夺成为了战争的导火索之一。如今，全世界对石油、煤炭和天然气等石化资源的需求量不断增长，但存储量却在不断减少。2013年来自英国石油公司的一份报告指出倘若按当年石油日需求量9200万桶来计算的话，全球剩余石油仅够半个世纪使用。在这个人类自认为有史以来最好的时代中，一个不可避免的问题便是发展方式所带来的破坏性。许多发展是以破坏既有生态链条为代价的。过度追求发展而产生的大量排放早就令大自然无法承受。而随着时间推移，人类透支大自然造成的破坏性必将成倍的返还到人类自己身上。
这一方面的教训已经不少，经过亿万年的演变，大自然以低耗高效的方式持续维持着生态系统的运转。如果人类能从大自然中获得启示，将为人类的发展开创一条资源节约、环境友好型的道路。新黄金时代，可能来自仿生学。在人来以往的工业革命中，经过技术创新，人类确实在生产力方面得到了巨大的提高，但事实上，真正得到改变的是单位时间
产品的产出而已。至于浪费了多少能量与材料，只要不被计入成本，一切都不在人类的考量范围之内。大自然的做法则完全不同，自然选择与进化的结果缘于对资源与能量的极致利用以及对环境所保持的友好特性。当今世界，虽然人类需要迎接来自各个方面的层层挑战，但一个全新的领域蕴藏着巨大的机遇，并且不会破坏环境，这个行业带来了全新的模式并掀起了一股新时代的淘金潮，这就是仿生学。
1 对仿生学社会价值的分析
时至今日，仿生学产业更是拥有着巨大的潜力。和传统生产相比，效仿大自然的仿生?W具备三大优势：
（1）成本低，不浪费资源，例如纳米技术每次合成的仅仅是所需的一个分子，这就意味着没有任何多余的边角料。
（2）污染低，绿色化学便是仿生学的一个分支，其中无论是原材料还是产物副产品都是可降解的。
（3）可循环利用，正是这些优势使仿生学开创黄金时代成为可能，在2010年，全球投向可持续发展企业的资金便超过了2000亿美元，比2009年增长了40%之多。据推测，到2025年各国利用仿生学所创造的国内生产总值将高达10000亿美元，其中仅美国一国便可达3000亿美元。
届时，仿生学对化工产业、垃圾处理、环境治理三大领域的影响将达到15%。而与此同时建筑业和工程服务、纺织
品生产运输设备和公共设施领域10%的产品都将具备仿生学的特点。在食品产品建筑工程、塑料制品、计算机设备和通信领域，仿生学也将创造5%的产值。以上数字意味着仿生学除了能带来拯救地球环境的社会效应，还蕴藏着真金白银的巨大商机。
2 对仿生学应用案例的分析
仿生学早已渗透在生活的方方面面，也许在不经意间已经接触并感受到了仿生学的巨大魅力。许多人都知道古希腊有个著名的科学家阿基米德，他的阿基米德定律解释了浮力的存在机制，成为了流体力学的基础。而事实上阿基米德也是有史以来最早的仿生学家之一。在前往古埃及亚历山大古城时，阿基米德遇到了一个现实问题，在夏天的烈日下，农民在尼罗河水边使用水桶积水，而这种做法做法低下的效率使得他们只能灌溉很少的土地，如何解决这一问题呢？阿基米德受到了海螺壳线条的启发，发明出了一种神奇的水泵，这种水泵中只有一个人造螺旋在水管中转动，借此将尼罗河的水从低处抽到高处。由此干涸的土地得到了充足的滋润。而埃及此后成为整个地中海地区的粮仓，恐怕这一神奇的发明也是功不可没的。这种水泵被冠以阿基米德提水器的名声。和螺壳一样，它的结构简单而坚实，同时也不会因为吸入石子而堵塞。一直到2000多年后的现代社会使用这种原理的设备依然在世界各地为人民提供种服务。
接下来了解一下鲨鱼皮怎么帮助运动员赢得世界冠军的：在多数人的概念里，物体表面越光滑，就意味着阻力越小，这似乎已经成为一种常识，然而在2008年的奥运会上，那些驰骋泳道的健将却偏爱一种表面粗糙的连体泳衣。正式这种特殊的泳衣大大的减小了运动员在水中受到的阻力。从而提高了竞赛成绩。在北京奥运会上创造世界记录的25名选手中，有23人穿有鲨鱼皮泳衣。
作为海洋中的猎食动物霸主，鲨鱼特殊的生理结构使它豪不停歇游动，才能保证不间断的摄入氧气，正因为如此，对于5亿年前就已经出现的鲨鱼来说，如何降低游动阻力便成为了进化过程中关乎生死存亡的要素。在仔细研究鲨鱼表皮的过程中，科学家们惊讶的发现鲨鱼的皮肤并非光洁无暇，而是满是细小的垂直鳞片，这种鳞片被称为盾鳞或复翅，当鲨鱼用鱼鳍或鱼尾在身后拍打出旋涡以推动身体前进时，复翅能够避免身体表面吸附并拖拽水流，从而影响游动的速度，借鉴了上述理念的鲨鱼皮连体泳衣，将运动员们从头到脚都包裹了起来，隔开了水流而应动员的每一次划水，也不再会因为受到附近水体的拖拽而耗费额外的力气，从而减少了3%的阻力，对于动辄零点一秒决定胜负的游泳项目而言，这几个百分点的差别往往决定了谁能站在领奖台上手握金牌，笑容绽放，谁又能在背景中黯然落泪。下面看一看蝴蝶的翅膀，蝴蝶的翅膀可以帮助全世界省电80%，蝴
蝶的翅膀色彩斑斓，绚丽夺目，确实令人着迷。不过，谁又能想到蝴蝶的翅膀将在照明和显示器这两个领域掀起一股改革的狂潮呢？从白炽灯到节能灯，再到发光二极管，随着技术的进步，每个家庭中的照明能耗也在不断降低，倘若LED能够普及的话，全世界用于照明的电费便能降低80%之多，这背后的荧光形成机理，启发了科研人员对LED发光二极管进行改进，通过模仿蝴蝶翅膀的发光体系，科学家改进了发光二极管内部的反射结构，从而将发光效率提升了一倍之多。此外蝶翼的荧光效果也给显示器的制造带来了灵感，在强烈的阳光下，我们往往会抱怨手机屏幕太过暗淡，难以看清上面的内容，而蝶翼的荧光特性，却能够借助外界的光线来增强其显示效果，倘若这项研究最终被运用到显示屏上，那么即便是在烈日的直射之下，手机上的内容也会借助荧光的增强效果，依然清晰如故。
说了蝴蝶，让我们再来看一看苍蝇逃命的绝技，它可以帮助我们造出更安全的汽车，不管在世界的哪个角落，苍蝇无疑都是令人生厌的生物，他们会肆无忌惮地落在你的饭菜上，污染的食物，然后便逃之夭夭，更令人恼火的是，每当我们试图拍死苍蝇时，他们的反应总是那么敏捷灵巧，用一技弹跳便躲开了那原本致命的一击，然后如同示威一般继续在我们周围绕来绕去，超级慢动作相机显示，当我们试图拍死苍蝇时，他们就像在跳芭蕾舞一般，灵活而协调，瞬间将
腿和身体调整到位，让整个躲避过程在霎那间完成，更为惊人的是，苍蝇的脑袋能够察觉到威胁及其来源方向，然后计算出最佳逃跑路线，并指挥身体通过脚尖的旋转跳到安全的地方，而这一切动作只需1/10s。
研究苍蝇的躲避机理用处很大，目前已经有借鉴其机理的设备运用到了汽车上，通过摄像头的视觉捕捉，汽车上的仿造苍蝇大脑的智能系统，能够判断这车前的行人车辆和固定障碍物，并通过计算来决定是否要自动刹车来躲避危险，这样的视觉防碰撞系统，在某些情况下可靠性上甚至超过了传统的雷达刹车系统，更好地实现了保护作用。
在很多文化中，莲花都是纯净的象征。在我国，宋代《爱莲说》里，将这种纯净的特性，描述为出淤泥而不染，濯清涟而不妖，描述了荷叶自我清洁的神奇能力。事实上，笼罩在莲花之上的纯洁光环确实不只是文人墨客的想象，而是真实存在的。特殊结构所带来的防水防污效果，直到20世纪80年代末，借助高倍显微镜的帮助，工程师们才弄清楚了荷叶无尘化表面的清洁机制，荷叶表面的微观结构，充满了几微米大小的突起，在表面张力的作用下，落在荷叶上的水成为了滚来滚去的水珠，不仅不会沾湿荷叶，反而在滚动中将其表面的泥土和灰尘颗粒一起带走。现在，模仿荷叶机理所研发出的涂料和表面结构已经得到了广泛的应用。
在欧洲，有30多万栋建筑物使用荷叶涂料处理外墙，
如此一来，不仅墙面能够在多年内保持清洁，霉菌和藻?也无从落脚，连绵阴雨天气之下，房屋也能始终保持着良好的外观，至于户外运动所使用的冲锋衣上，也同样存在着荷叶式的结构，使得衣料能够同时兼顾透气与防水。
接下来让我们再看一看榴莲是怎样帮助我们移民火星的？榴莲的口感绵软甜美，是时下颇受欢迎的水果类型，其特殊的味道也着实使得不同的人群爱憎分明。在炎炎夏日，品尝着榴莲甜点你是否会想到这种水果将会给未来的火星
定居的宇航员提供帮助呢？看过电影《火星救援》的朋友们，也许还记得，火星上气密房间破裂时的惊险一幕，空气裹挟着宝贵的蔬菜土壤，如同一阵狂风一般冲出房间，消散在了火星近乎真空的微博大气层之中，而主角的命运，也因为这样一次事故，而变得更为凶险起来，事实上，倘若马特达蒙的菜地能够以榴莲为结构进行设计的话，这样的情况也许就能够得到避免，不过剧情也就无法进行下去了，在榴莲内部，每个种子都被单独密封在一个个独立的加压器室中，而这些气室互相连接成为一个整体，既能抵御火星上的恶劣条件，还能在不使用钢筋架构的情况下增强建筑物的强度。
对于绝大多数人来说，打针恐怕不是什么愉快的经历，经历了消毒棉球的摩挲之后，一针入肉，酸痛肿胀的感觉随之而来，根据统计，全球超过两成的人，在打针的时候会有昏厥或眩晕的感觉，这就是传说中的晕针。不管针头有多细
多尖，针尖刺入肌肤时的痛感还是难以抹去，不过真的所有针头都会如此让人痛苦吗？那倒未必，至少，当蚊子用嘴在吃透人的皮肤离开时，红种才会被发现，这个时候蚊子却早已经逃之夭夭了。原来，蚊子进化出了一种高度锯齿状的喙，其形状类似面包刀，在刺入时几乎不会接触到皮肤中的神经，这一点被日本大阪关西大学的科研人员使用到了实践中，他们模仿蚊子喙的形状，发明出了一种用二氧化硅制作的锯齿状针头，其直径仅1/10mm，相当于人类头发的宽度，倘若这种无痛针头能够用于血液成分监测的话，就能为数量日渐增长的糖尿病患者带来福音，对他们而言，每天都要进行的血糖检查，无疑是最需避免痛苦的过程。
3 仿生机构与系统的应用
仿生机构及系统的制造是以仿生学为指导，在提取自然界生物的优良性能特征基础上，模仿生物的形态、结构、材料和控制原理，设计制造具有生物特征或优异功能的机构或系统的过程。
例如动物肢体是由骨骼、韧带和肌腱组成，仿生机构及系统是由刚性构件、柔韧构件、仿生构件以及动力元件等人为实物而制成的机械系统。通过运动副或仿生关节的连接，系统各部分在控制系统的指挥下，可实现某种程度上模拟特定生物的运动功能。
仿生机构及系统中的刚性构件是整个机构的基础，是机
构中作刚体运动的单元体，决定着机构的自由度数及活动范围；柔韧构件是指弯曲刚度小且不会伸长或缩短的带状构件，这种机构是传统机构学中所没有的，它决定着刚性构件的驱动方式及机构运动的确定性；仿生构件是指那些为模仿生物运动器官的力学特性而增设的，在机构中独立存在，不影响机构的相对运动，只起到改善传动质量的构件；动力元件是指一类能在系统控制下直接对柔韧构件施加张力的动
力源，其功能相当于动物的肌肉。人手的功能和灵巧性几乎是不可能复制的，但全球不少生物技术公司正在开发新一代假肢，它可以使假手能够做更精细灵巧的工作。例如，一种轻型人工智能假手FluidHand，它的每个关节都由一个微型液压推动系统提供动力，并在截肢者肢体残端肌肉中植入传感器，通过肌肉张紧松弛的肌电信号控制每个手指的动作，这种推动和控制系统使得手指表现得更加自然，并使其比一般假肢更具?`活性。
随着科技、信息和经济的快速发展，以及人们对智能化、人性化和集成化的产品需求迅速增加，仿生机械的功能部件、仿生智能假肢和仿生服务机器人等功能将得到进一步提高和发展，将在工业、医疗、养老和社会服务领域得到广泛的应用。
4 仿生学的应用前景
以上是仿生学转化为产品或产品理念的一些经典案例，
那么仿生学真的能从一个奇思妙想的学科变成一个充满前
途的产业吗？仿生学的变革能为整个人类带来利益吗？毫
无疑问，仿生学企业将会面临和传统企业大小不同的困难，不过只要能够很好地把握仿生学企业的特点，投资这种不走寻常路的行为，同样能够带来巨大的经济与社会效益。
对于那些试图用仿生学改变的传统行业而言，现存的跨国资本集团犹如既定航线上急速前行的巨轮，任何方向的转变，动力的更换，都会引起船上乘客的不满，对于那些受到严密监管的制药企业，以及可望长盛不衰的汽车生产商而言，趋利避害才是第一要务，巨大的现有市场份额，往往使得人们见利忘义，而工程技术人员在职业方面的既得利益，思维惯性，也可能成为难以逾越的一道障碍。正因为如此，为仿生学企业所设立的目标，便是改变行业的方向，重塑整个领域的利益分配与产业结构。相比IT金融来钱快的产业，仿生学需要长期的布局才能带来收益，因而在获利的节奏方面显得稍慢一筹。
与众不同的创新给仿生学产品带来了优势，但这种特殊性却也需要更多的审查，更长时间的接受才能最终在市场方面获得良好的反馈。开发仿生学产品，就意味着深度耕耘，在寻找风险投资时，仿生学企业则要牢记一点，那就是他们的投资回报周期更长。谷歌和FaceBook，这样的公司不需要去建造一个绿色城市，所以既不需要申请许可，也不需要通
过冗长的临床实验，以证明药品或医用粘合剂的无毒无害，为此需要找到一个有耐心愿意等待投资回报的风险投资公司进行合作。许多公司的发展模式犹如杂草一样，盲目的追求过快的扩张速度，现代西方企业的战略规矩，往往只有短短2～5年时间，在将资源和发展空间耗尽之后，这样的企业便走向衰落。相比之下，一个优秀的仿生学企业，应当像一片红树林一样进行发展，维持自身可持续的同时，通过自我发展创造出多样性和丰富性，由此屹立不倒并愈发繁盛下去。
5 结语
本文结合社会生产实际，深刻分析了仿生学在国民社会生产中的应用方法及创新思维，深刻分析了仿生学的社会应用价值，并剖析了仿生学的发展趋势以及其未来社会的影响以及对仿生学产业投资方形进行了独到的阐述。随着对仿生学研究的不断深入，仿生学对我们日常生和及社会的发展也将会产生越来越大的影响。本文通过独特的视角和创新的思维分析，进一步引导我国仿生学的发展和应用。
参考文献
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《鲁班和橹板》说课稿 教材分析： 《鲁班和橹板》一课主要写的是鲁班怎样从鸭子的脚蹼受到启发而发明橹板的。课文叙事具体明白，通过朗读要让学生感受到鲁班爱观察、勤思考、能创造的优秀品质。 学生分析：对任何一个成年人来说阅读这一课都不成问题，也很容易理解。因为我们有一定的生活阅历，至少对鲁班，对橹板，对仿生学都有一定的了解。但孩子们不一样，他们对这些都不了解，而这些也离他们的生活很远。理解起来确实有一定的难度。而且这一课写的是一件事，孩子们不能按照平时那样理出事情的顺序来。 教学目标：1、正确、流利、有感情地朗读课文。2、学会本课9个生字，两条绿线内的9个字只识不写，理解新词的意思。3、通过朗读思考，体会鲁班爱观察、爱动脑、爱动手的优秀品质，激发学生在生活中向鲁班学习。 教学重点：识写本课9个生字，通过感情朗读体会鲁班爱观察、善联想的优秀品质。 教学过程： 第一课时 一、导入新课 1.故事导入：小朋友，今天，老师要带你们去一条非常美丽的小河边，看看住在那儿的一群可爱的小鸭子。这群小鸭子啊，每天都在小河里快活的游戏。有一天啊，小鸭子看见一位撑船的老艄公用长长的竹篙十分吃力地撑船，累得是满头大汗！于是，这群鸭子就嘎嘎嘎地向着老艄公的船游了过去。小鸭子游过去干什么呢？这里面还有一个有趣的故事呢！故事的名字就叫做“鲁班和橹板” 2.板书课题：学习：“板“字。“鲁班和橹板”各指什么？他们之间有什么样的关系？ 3.引导质疑：鲁班为什么要发明橹板？鲁班是怎样发明橹板的？ 二、初读课文 1. 带着这些问题自读课文，注意读准字音，读通句子。 2．同桌合作，交流初读成果：你是怎样读这篇课文的？哪些字、词、句你是注意读的？ 3．检查生字词， 4．指名分段读文。 三、学习课文第一、二自然段（解决第一个问题）
仿生的发明史 达芬奇(Leonardo da Vinci，意大利文艺复兴时期的伟大画家、雕刻家和建筑学家)被认为是现代仿生学之父。在大约公元1500年，在鸟翅模型之后，他画了一系列的无法实现的飞行设备草图。大约400年之后，奥托(Otto Lilienthal)成功了，他根据鹳的翅膀制造的滑翔机成功的在Brandenburger村飞行了250米，而且他也取得了“滑翔机之父”的称号。 直到上个世纪中期，有许多研究者都在不断尝试把自然界的形态和规则用于技术上。但是，仅仅在60年代初一种科学的综合分类学科才由它产生。 植物学家William Barthlott和他的同事Nesta Ehler在70年代中期发现纯粹的自清洁效应，也被叫做“莲花效应(Lotus effect)”。他们把一批多样的植物叶片放在一个特殊的显微镜下时，开始并没有什么特殊的发现。这两个科学家的研究围绕着这样一个问题：能否根据叶子表面纹理的不同来检测这组植物中扭曲的茎。 植物学的例行任务，就是在每一个研究之前观察某些植物时先要把植物清洗干净，这是研究者们不用思考而首先要做的。但是很快生物学家就发现一个非常荒谬的现象：就是只有那些表面很光滑的叶子才需要清洗，而其它的那些表面在显微镜下看起来很粗糙的叶子反而是干净的。对他们来说更值得注意的是：某些特殊的叶子甚至可以完全抵制水。在那时，很清楚地是自清洁效果是和可润湿性相联系的。 这种效果特别明显得表现在莲属坚果莲中：从显微镜下看发现莲叶子上有小的茸毛和小的蜡质覆盖在叶子上，水滴下来就象从热的炉盘上滴下来一样。Barthlott解释说：在光滑表面，水会在污垢上蔓延。在粗糙表面，水滴粘不牢，形成球状，在可以到达的污垢粒子上滚动并且带着污垢粒子滚动。 1977年，生物学家们在一段短的旁注中描述了这种现象。看起来这段旁注是很琐碎的，只是为了引起更多的注意。仅仅在1989年，William Barthlott，其时正在波恩大学做教授，重新注意到了这个旧的发现并和他的研究生Christoph Neinhuis一起详细的研究了这个现象。这两个人不仅成功的破译了“莲花效应”对生物学的意义，而且同时把它的不被脏物污染的原理应用于人造表面。 1996年Barthlott 和Neinhuis用一个带有新衣料的白盘子实现了他们的程序，同时注册了专利。他们在一个白盘子上撒上煤灰和颜料的混合物并且滴上一些水。很快，这个盘子就干净了。作为对比，一个擦的特别亮的清漆膜也撒上煤灰盒颜料的混合物，但是即使在长时间的漂洗之后，煤灰仍然存在，而且还有另一个脏的灰层，对清漆膜来说，只用水是不能清洗干净的。 莲花效应的历史，从它的发现到应用，典型的来自于一个研究规则“技术学习自然”：仿生学。 在如今对仿生学的理解普遍认为是“各种技术手段转化，建筑使用，规划步骤以及生物系统的设计哲学”的基础上。世界著名的动物学家Werner Nachtigall进一步简化了这个概念，他这样来概括仿生学的实质：“把从自然界学来的知识作为对独立技术形式的建议”。 在几百万年的优化中接近完美的自然发明是化学家、机械师和建筑师所期望的研究对象。
仿生学的例子 我们用的东西大部分都是仿生学的功劳。比如：飞机，中国公元前就广泛流传的玩具竹蜻蜒是直升机旋翼的起源。直到2000多年后的18世纪，竹蜻蜒传入欧美，启发了利用旋翼的滑面力使航空器升空的设想。 1907年11月13日，法国机械师保罗?科尔尼的直升机完成了历史上首次载人飞离地面(约0.3米)。 自从人类发明了电灯，生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光，其余大部分都以热能的形式浪费掉了，而且电灯的热射线有害于人眼。那么，有没有只发光不发热的光源呢? 人类又把目光投向了大自然。对了，萤火虫它的光是最好的，即不会伤害眼睛，也不会太刺眼，所以萤火虫是电灯的祖先拉！ 大乌龟背小乌龟：转动炮塔的坦克。 鸟在天空飞翔：制造了各种飞行器。 蜜蜂造巢窝：各种正六边形的蜂巢结构板材。 每只蜻蜓的翅膀末端，都有一块比周围略重一些的厚斑点，这就是防止翅膀颤抖的关键。飞机设计师研究苍蝇、蚊子、蜜蜂等的飞行方法，造出了许多具有各种优良性能的新式飞机。 鲸：外形是一种极为理想的“流线体”，而“流线体”
在水中受到的阻力是最小的。后来工程师模仿（fǎng）鲸的形体，改进了船体的设计，大大提高了轮船舴的速度。 蛋壳：能够把受到的压力均匀（yún）地分散到蛋壳的各个部分。建筑师根据这种“薄壳结构”的特点，设计出许多既轻便又省料的建筑物。 袋鼠：会跳跃的越野汽车， 贝壳：外壳坚固的坦克…… 鱼儿在水中游荡：学会了游泳，发明潜艇。 有很多东西，比如雷达，就是根据蝙蝠的一些原理发明的；还有一些专业的照相机镜头是根据苍蝇的眼睛原理发明的，等等。 人类的发明——来自动物的灵感 船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿。 科学家根据野猪的鼻子测毒的奇特本领制成了世界上第一批防毒面具。 火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。
仿生学发展过程的分析 刘福林 (商丘师范学院生命科学系,河南商丘476000) 摘要 仿生学在科学创新中具有重要作用,国内外学者对此进行了大量研究。在回顾分析仿生学重大事件的基础上,提出了仿生学经历了4个发展时期:萌芽时期、建立时期、巩固时期与现代时期,指出了仿生学的重大贡献是源头创新的研究理念与方法,并能在未来的所有领域内应用、取得突破性研究成果。 关键词 仿生学;重大事件;发展时期;研究方法 中图分类号 Q811 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2007)15-04404-02 A na lysis of the Developm ent P ro gress o f Bio nics LIU Fu-lin (Depart ment of Life Scien ce,S hangq iu Normal College,Shangqiu,Henan476000) A bstract The research on the bionics is imp ortan t in science innovation all over the word.In the article four devel op ment periods of b ionics includ in g bu ddin g,b uild ing,strengthen and modern were reviewed.The i mportant contribution of bionics to research idea and means of resource in novation was pointed out,which may be ap plied in all fiel ds in future for unpreced ented res earch results. Key w ords B ion ics;Great event;Devel op ment period;Research means 仿生学的诞生与发展过程分为4个时期:仿生学萌芽时期;仿生学建立时期;仿生学巩固时期;现代仿生学时期。 1 仿生学的萌芽时期(远古时代至1940年) 在人类文明的早期,为了生存,人类不得不对其赖以饱腹的动植物的生活习性以及周围世界的各种自然现象进行观察。因此,从远古时代起,人们实际上就已在从事仿生学工作。例如,相传春秋战国时代(公元前450～500年),鲁班上山伐木途中,手指为茅草划破,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[1]。2300多年前墨子和他的300弟子,花了3年时间,造成一只“会飞的木鸟”,同时间希腊人阿奇太也制成一只“机械鸽子”。自古就有许多中外人士模仿鸟类飞行试制飞行器,但都不成功,原因在于不了解鸟类的形态构造和生理机能适于飞行的科学原理;又不了解人不具备飞行的生理条件,人要上天,必须依靠机械动力才有可能。1903年12月17日,美国人莱特兄弟飞机飞行的成功便是一例。另外,1884年,人们受到蚕食桑叶吐丝的启迪,利用硝酸液处理棉绒,制成硝酸纤维素,由法国化学家德贝尔尼戈·夏尔多内首次成功地将硝酸纤维素制成硝酸纤维。同年,英国人查尔斯·克劳斯(Charles·F·Cr oss)和爱德华·贝文(Edwa rd·J·Be van)申请了第1个醋酸纤维制造方法的专利,这两种纤维的问世是仿生学运用的成果。但这些发明和尝试,在人类文明史上犹如点点星火,一闪而灭,始终未能形成一门独立的学科[2]。总之,20世纪40年代前,人们对于生物体与机器之间有无共同之处,还缺乏明确认识,还不具备将二者进行类比的必要的基础知识。工程技术人员还不了解生物系统可成为各种技术思想、设计原理以及发明创造的源泉,生物学家也只局限于研究和描述生物结构的精巧、功能的神奇。因此,从远古到1940年属于仿生学的萌芽时期。该时期,人类的各种仿生现象与成果不断涌现,为这门科学的诞生积蓄了实践经验与感性认识。 2 仿生学的建立时期(1940～1960年) 20世纪40年代,工程技术领域中出现了调节理论,人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比,认识到二者具有 作者简介 刘福林(1965-),男,河南商丘人,副教授,从事管理仿生学研究。 收稿日期 2007-02-28自动调节系统。1944年,一些科学家已经明确机器与动物在自动控制、通信和统计动力学等一系列问题上是统一的,具有共同之处。同一个时期,美国的一位年轻工程师申农(C. Sha nnon)提议建立了一门叫作“信息论”的科学。从此,开展了大量关于信息传递与处理的研究工作,深刻认识到一切通信与控制系统所共有的特点。对许多研究工作得到的结果进行理论概括,并将技术控制系统的控制机理与现代生物科学所发现的动物体中的某些控制机理进行类比,又逐渐形成了一门新的科学“控制论”。1949年,控制论创始人、美国科学家维纳(N.Wie ner)出版了《控制论》一书,对这一学科的思想和概念等作了比较全面的论述。维纳着重指出,控制论是研究机器和生物体中控制与通信的科学。科学研究和生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来,成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁,奠定了生物与机器在控制与通信上进行类比的科学理论基础。随着这两门学科的结合与渗透,人类就为自已找到了一条新的技术发展道路———向生物界索取设计蓝图,并于1960年9月诞生了一门新的交叉科学———仿生学。1960年9月13～15日,在美国俄亥俄州达顿城(Da yto n)的一个空军基地,召开了美国第一届仿生学讨论会。在20世纪50年代已成为一门独立学科的“仿生学”,在这次会议上被正式命名。一位专长于精神病学和神经学、又受过数学和电子学训练的美国军医J.E.斯蒂尔(Jac k Ellwo od Steel)博士,给这门新诞生的科学分支起了一个名字叫做bionics(仿生学)。斯蒂尔博士给它下了这样一个定义:“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”,简单一句话,仿生学就是“模仿生物的科学”[3]。因此,从1940～1960年属于仿生学的建立时期。 该时期,人类在仿生学研究中的最大贡献是建立了仿生学理论。从实质上看,仿生学的诞生带给人类的是创新的理念与方法,即向生命系统学习的理念,模拟生命系统的方法。使人类从一个崭新的视角透视世界,发现前人未发现的事物,实现科学技术的原始创新,这是其他科学无法比拟的优势。 “提出模型,进行模拟,这就是仿生学的基本研究方 安徽农业科学,J ou rn al of An hui Agri.Sci.2007,35(15):4404-4405,4408 责任编辑 罗芸 责任校对 李洪
仿生学论文 10级生物科学 1009210117 张荣华
摘要 自然界生物在漫长的进化过程中优胜劣汰，为了生存、自卫、竞争和发展的需要，强化了自身许多优异的结构和特殊功能。人们模仿生物界的这些结构特征,将它们应用于自身的斗争,即军事斗争中。利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学。解决在日常的生产生活中遇到的问题，制造多种探测、斗争武器。 关键词：生物结构特殊功能实践运用军事
一.仿生学简介 仿生学（bionices）在具有生命之意的希腊语言bion上，加上有工程技术涵义的ices而组成的词语。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。 1.历史由来自古以来，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。 鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。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。这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。 2.研究方法仿生学是生物学、数学和工程技术学互相渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号，把解剖刀和电烙铁“积分”在一起。这个符号的含
仿生学的例子 仿生学的例子（1）： 蝙蝠与雷达 蝙蝠会释放出一种超声波，这种声波遇见物体时就会反弹回来，而人类听不见。雷达就是根据蝙蝠的这种特性发明出来的。在各种地方都会用到雷达，例如：飞机、航空等。 仿生学的例子（2）： 苍蝇与小型气体分析仪 令人厌恶的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。苍蝇的嗅觉个性灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢原先，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。 每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。 仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。就是把十分纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱气体的成分。 这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理，还可用来改善计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。 仿生学的例子（3）： 鲸的前鳍--神奇能量的秘密！ 座头鲸前侧有垒球般大突起的前鳍，能够划过水面，让它悠游在海洋里。但根据流动力学原理，这突起就应会妨碍前鳍的运动。 根据他的研究，费雪为风扇设计具突出边缘的叶片，叶片划过空气的效率比一般标准的风扇高百分20。他成立一家叫鲸鱼能量的公司来生产他的产品，很快地会将这项节能的技术授权给世界各地的公司工厂。但费雪心中的大鱼是风力能源。他相信只要加一些结节在涡轮机的叶片上将会改善整个产业，使得风力的价值更胜以往。 仿生学的例子（4）： 斑马与斑马线 斑马生活在非洲大陆，外形与一般的马没有什么两样，它们身上的条纹是为适应生存环境而衍化出来的保护色。在所有斑马中，细斑马长得最大最美。它的肩高140-160厘米，耳朵又圆又大，条纹细密且多。斑马常与草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鸵鸟等共处，以抵御天敌。人类将斑马条纹应用到军事上是一个是很成功仿生学例子。 仿生学的例子（5）： 蝴蝶与人造卫星 五彩的蝴蝶锦色粲然，如重月纹凤蝶，褐脉金斑蝶等，尤其是萤光翼凤蝶，其后翅在下时而金黄，时而翠绿，有时还由紫变蓝。科学家透过对蝴蝶色彩的研究，为军事防御带来了极大的裨益。在二战期间，德军包围了列宁格勒，企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。联昆虫学家施万维奇根据当时人们对伪装缺乏认识的状况，提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发现的道理，在军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装。因此，尽管德军费尽心机，
仿生学的发明创造 1.从令人讨厌的苍蝇身上，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。 2.从萤火虫到人工冷光。 3.从电鱼到伏特电池。 4.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。 5.人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。 电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。 6.根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。 7.模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。 8.根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器——步行机。 9.现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。 10.屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。 11.船桨模仿的是鸭的蹼。 12.锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。 13.苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。 14.嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。 15.壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。 16.贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手
仿生学对人类社会发展的贡献 一、仿生学的概念 所谓“仿生”，顾名思义就是向生物学习、模仿或取得启示，仿造各种生物的优点以用在人类科学技术的创造或改进上。仿生学一词是1960年由美国.斯蒂尔提出的。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。 仿生学的研究范围主要包括①力学仿生：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。②分子仿生：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。③能量仿生：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。④信息与控制仿生：研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人---机系统的仿生学方面。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面---生物模式识别的研究、大脑学习、记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等---是仿生学研究的主攻方面。 因此仿生学就是人类在认识自然和改善自然的过程中，通过科学的探索和研究，模仿自然界中一些生物的特殊本能的原理，来解决某些人类传统认识无法解决的一些疑难现象的一门高科技边缘科学。 二、仿生学的历史贡献 仿生学在人类历史发展过程中所做出的贡献可谓源远流长。尤其是近几个世纪，仿生学在军事、医学、生物、电子等高端技术领域的应用更是给人类的发展带来了创新革命。 在军事上，模仿野猪嘴发明的防毒面具，模仿海豚皮肤的沟槽结构，应用于船舰外壳上，可减少航行湍流，提高航速。模仿鸟类滑翔原理发明飞机；模仿“莲花效应”将其应用于飞机表层、汽车外壳达到自清洁的目的；模仿苍蝇等昆虫的视觉原理研制智能武器和仿生眼等；在医学上，根据苍蝇在细菌环境中生存的原理研制出的免疫抗菌剂，模拟人体器官设计出各种仿生器官用于医学手术中等等；在生物上，屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲、船桨模仿鱼的鳍、锯子学的是螳螂臂，
1、1体温得测量方式及正常值 生命指征得定义 三种测量体温得方法:1、口测法2、肛测法3、腋测法 体温正常变化范围 体温异常 发热程度 1、1、2仿生学得起源 1、2仿生学得诞生 仿生学得定义就是1960年提出 1、3仿生学与科技创新得关系 仿生学就是科学与技术原始创新得不竭动力。 1、4、1仿生需求(一) 仿生需求:1、健康需求2、军事需求3、发展需求4、精神需求5、兴趣需求 1、4、2仿生模本(二) 仿生模本:1、生物模本2、生活模本3、生境模本 1、4、3仿生模拟(三) 仿生模拟:1、形似模拟2、神似模拟 1、4、4仿生制品(四) 仿生制品:1、非生命得仿生制品2、生命零部件得仿生制品 第二章从灵感到制造得创新过程——仿生学得研究方法 2、1生物模本分析 生物体→生物模型→数学模型→实物模型→技术装置 问题提出→典型生物体分析→建立生物原型 2、2仿生原理分析 仿生原理分析: 形态、成分、生物电、分泌物、弹性与柔性、生物活性 2、3实物模型建立 实物模型建立: 1、建立数学模型:数理统计、有限元、试验优化、分形分维、灰度分析、层次分析、动态过程、模型分析 建立实物模型:推土部件、铲装部件、耕作部件、储运部件 建立实物模型:推土部件(推土铲、推土板) 铲装部件(挖斗、铲斗) 耕作部件(犁壁、深松铲) 储运部件(步行轮、气垫车、驼蹄轮胎、自卸车箱) 第三章适者生存——军事仿生 3、1、1仿生武器装备1 军事仿生学研究方法(3阶段,3研究方法) 生物结构与兵器制造; 1、模仿生物得生物结构制造十八般武器:刀、戟、抓鞭与锏 3、1、2仿生武器装备2 飞机与鸟与昆虫蜻蜓可作长时间得悬停,苍蝇可以随意转变方向每根羽毛有专属得肌肉,鸟得喙就是中空得,鸟类全身设计都就是为了飞行 奥拓利林塔尔:滑翔机之父莱特兄弟1903年:飞行一号信天翁;展翅比飞机震颤问题军用飞机:歼击机、轰炸机,无人机 3、1、3仿生武器装备3 潜艇与鱼与海兽下潜与上浮水母,乌贼,鱼最初就是在水柜里冲水戴维布什内尔:美国第一潜艇Tuetle(1776) 富尔顿(1801—法)鹦鹉螺号动力: 人力电动机—柴油/汽油发动机速度与动力利用效力海豚:外表皮层,乳突在真皮层, 40~48公里每小时,70~100公里每小时冲
仿生学的例子 1。由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。 2。从萤火虫到人工冷光； 3。电鱼与伏特电池； 4。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。 5。人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。 电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。 6。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。 7。模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。 8。根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器——步行机。 9。现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。 10。屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。 11。船桨模仿的是鱼的鳍。 12。锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。 13。苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。 14。嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。 15。壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。 16。贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。 好运 生物学家通过对蛛丝的研究制造出高级丝线，抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索。船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿。 响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理，研制开发出来的现代化武器。 火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。 科研人员通过研究变色龙的变色本领，为部队研制出了不少军事伪装装备。 科学家研究青蛙的眼睛，发明了电子蛙眼。
从结构仿生到生态仿生看仿生学的发展林 雁 (南京师范大学附属实验学校 江苏 210046) 师法自然是中国古代有名的哲学思想,而今科学技术的发展更证明了这一点。1960年,美国科学家斯蒂尔经过长时间的观察研究,创立了仿生学(Bionics)。从此,生物体的精巧结构,成了工程学有意模仿的对象,工程师们向生物学习,创造出众多高性能的器件。进入21世纪,仿生学又朝着系统仿生的方向发展,为人类社会的可持续发展注入了新的活力。 科学家研究发现,生物器官结构之巧妙,能量的节省和工作性能之优越,是人造机器无法相比的。这表明由选择进化磨合积累的功能,最符合大自然的和谐原则与优化原则。 1 蛛丝及贝壳结构的启示 生物器官结构和性能的优越,同生物材料的组织生产方式密切相关。例如,人类生产的防弹纺织材料,要在高温高压的强酸中生成,条件极其苛刻。而一种金色球形网蜘蛛,却能在常温下以水为介质,抽出比人造防弹材料坚韧得多的蛛丝,而且能被生物降解。美国康奈而大学教授杰林斯领导的科学家小组,用核磁共振仪(N BR)拍了几百幅蜘蛛丝腺的照片,同光学显微镜切片进行对照研究,并把资料输入计算机,模拟出一只三维仿真蜘蛛。在电脑中对仿真蜘蛛解剖研究,发现蛛丝蛋白质多聚体从腺体产生后,必须经过一段十分复杂的管道,分子在其中重新排列组合,形成了特殊的三级结构,才有如此的韧性。 一只贝壳具有高级陶瓷的强度,把它从高处跌下一般不会粉碎,如用很大的外力将它搞破,裂口也不象陶瓷那样平展。把贝壳磨成极薄的片子在电子显微镜下观察,能见到贝壳是由一层叠一层的超薄碳酸钙晶片,与十亿分之一米直径的蛋白质分子粘合而成的。这种结构在受压时,碳酸钙晶片可以在蛋白质分子间滑动变形,能像金属一般有延展性,使贝壳具有最大的强度。科学家又研究了甲虫的甲壳,发现它的表皮是由埋在胶质中的蛋白质纤维组成,而且成对地呈螺旋组合重叠,都不对称,具有极大的抗冲击性。生物在组成材料时,是从原子排列成分子,由分子装配成纤维或晶体一类中间成分,再形成各种组织,每一步都有精确的基因控制程序,做到天衣无缝。而人在生产复杂材料时,只是由分子进行化学键的结合,与生物的组合相比,实在是太简单了。 科技人员模仿生物组织材料的方法,用双螺旋的不对称层叠排布石墨与环氧树指,生产出比传统碳纤维强度更好的机翼材料,生产出的机翼既轻、耐冲击又不容易变形,大大提高了飞机的性能。 2 DNA装配与分子机器 据推测,从30亿年前开始,生物就以DNA和RNA 核苷酸的多变排列,调控20种氨基酸原料合成各种蛋白质。从理论上讲,生物可以合成任意长度的蛋白质。但研究的结果表明,肽链误译率相当高。如果是由500个氨基酸组成的蛋白质。每4个这样的蛋白质分子就有一个是错误蛋白,这对于生命来讲是十分危险的。生物体一方面令错误的蛋白质报废,一方面对合成进行控制,使合成的肽链很短,再由多条链(亚基)组合成蛋白质。刚合成的蛋白质是线性的肽链,必须经过修饰程序的加工,折叠成具有多级结构、稳定功能的复合体。生物分子的自组装就是这样既保证了产品的特异性,又使产品维持一定的几何形状。生物学家还了解到,蛋白质分子是一种刚柔互补的分子,脯氨酸的存在增加了蛋白质的刚性,甘氨酸则使蛋白质具有柔性。蛋白质中还有一种异构酶,能根据其它蛋白质的存在而调整自己的结构,进而增强蛋白质的整体功能。 当今兴起的纳米技术,是一种制备纳米材料和纳米级微型机器技术,特别是纳米级组装能生产出提纯分子的纳米泵、分子大小的计算机等纳米器件是制造业的一次大革命。由于加工的部件是一些原子和分子,即使是用电子显微镜进行操作或用激光镊子技术,部件的捕捉与定位装配也是相当困难的。如果仿照细胞生物化学反应的过程来进行纳米级生产,就要容易得多,这就是分子制造领域里的仿生技术,一种高度自动化的按模板进行自组装的技术。模仿DNA指挥合成生物分子过程的纳米仿生,是一种刚提上研究日程的未来技术,即使与当今最先进的制造技术相比,也有很大的超前性,它代表了高新制造的发展方向。 3 梦圆伊甸园的生态仿生 人类的物质生产,从后工业时代到信息时代,创造了巨大的财富,但是这些物质生产均是以消耗地球资源为代价的。在生产过程中,人类只将很少一部分原材料变成产品,大部分原材料当作废物排到地球环境中。就拿新兴的信息产业来说,目前全世界的硅年产量为80万吨,其中仅有少部分变成超净的电子用硅,这其中又只有0.093%做成了芯片,0.4%变成光电池,大部分以废物的形式丢弃。在生产这些芯片中,消耗的30万吨以上的酸碱洗液,也作为废物排到了环境
仿生学-人类通过从动物身上得到的启发发 明了很多东西 动物和人有着千丝万缕的联系，“仿生学”就是人类从动物身上获取灵感进行创造发明的一门先进科学。人类通过从动物身上得到的启发发明了很多东西。 小巧的蜂鸟不仅能垂直起落，而且在吮吸花蜜时能取直立姿势，悬在空中进退自如；野鸭能悠然自得地飞行在9500米的半高空；鸽子能够感受地震；海鸥、信天翁这些海鸟却可以通过眼睛附近一条盐腺把喝下去的海水中的盐分排出；鹰在高空具有超强的视力…… 那么，人类能从鸟类身上模仿出这些功能吗？ 从始祖鸟的出现到现在，在这亿万年的漫长进化过程中，鸟类形成了许多卓有成效的导航、识别、计算、能量转换等系统，其灵敏性、高效性、准确性、抗干旱性都另人惊叹不已。人们研究这些结构和功能原理并加以模拟，用来改善现有的或创造新的机械、仪器、工艺，这就是仿生学研究的一项重要内容。 仿生学是1960年正式诞生的一门综合的边缘科学。目前，仿生学的研究，着重了下列几个方面。
感觉器官的访生。根据生物的感觉器官，来研制能够接受、记录和测定信号的装置。特别是各种有关视觉、听觉、嗅觉、触觉以及包括冷热、酸痛、振动和平衡等等感觉方面的新颖传感器。生物的各种感觉器官，经过千万年的锤练，无论在选择性、适应性、灵活性、灵敏度、抗干扰性、微型化等方面，和我们目前各种自动装置中的传感器相比较，都优越得多。 自组织系统和神经元的访生。主要是为了研制新颖的自动控制系统。生物控制器官的研究，重点是大脑系统，揭开它的秘密，对创造人工的信息发射、按收、传送、加工和贮藏等装置，是非常有益的。 生物运动器官的仿生。例如肌肉是一个高效率的发动机，它把化学能变换为机械能，其效率在80%左右，而近代汽轮发电机系统的效率—殿只在40%左右。据报道，一种用聚丙烯酸制成的“人造肌肉”已经问世，它的应用远景是广阔的，如用于宇航来控制宙飞船；通过人造肌肉，也可以利用河水与海水之间存在着的天然的化学能差，来获得大量的廉价的机械能。 生物力学的仿生。科学工作者在研究鸟类、昆虫、鱼类等结构的基础人已经创造了模拟各种生物在陆上、空中、水里的运动器官。如可供实用的扑冀机；模仿膝关节的液压系统；能提高鱼雷航速的人工
浅谈仿生设计 一、仿生设计的概念和作用 仿生设计是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门设 计学科，它还是以自然界万事万物的功能、形态、色彩等为研究对象，进行综合的想象与分析，为设计提供新的思想、新的方法，利用创造性思维把自然界有形和无形的规律表现出来的学科。1．仿生设计是使现代工业设计能够更好的满足市场的需要仿生设计对丰富多样的自然生物的模拟与创造，带来了设计丰富多样的设计产品，为市场和消费提供了更多的选择性。仿生设计促进了现代工业设计的更新与发展。现代设计一直以来注重产品的功能价值，推崇功能主导形式主义设计观。而仿生设计运用形态主导产品设计，是产品更具视觉冲击力和美感特征，使生产出的产品更具市场竞争力。同时仿生设计还表现了丰富的文化、趣味和情感意象，给予更符合人性化的特点，使人们在购买的同时还感受到了快乐，感受到了趣味无限的感觉。仿生设计借助于其他的科学的研究成果，在其基础上发挥想象的空间，把艺术与科学紧密的结合在一起，将仿生设计推向了更高的一个层次，使其发展更具科学性，在计中更增加了影响力。 2．仿生设计是促进人与自然和谐统一的需要仿生设计可以说是现代设计发展的一大进步，它是将大自然的美以设计的表现形式在人类生存方式中的反映。加强仿生设计的训练与完善，将其运用到人 们生活的各个方面，把人类与大自然紧密结合起来，已经是现代社
会的必然需要。实际上，大自然的奥秘无穷无尽。自然界的万物的形成和变化都是遵循着自然的规律而变化的，人也不例外，仿生设计就是把人和自然界的其他的生物相结合而产生并发展的，所以仿生设计也是遵循着自然发展的规律的。仿生设计以它独有的设计观念与设计方法，不断去探索人与自然的关系。坚持体现人类对现实世界的好奇心和对反映现实世界形象的执着追求，以至达到人类社会与自然达到高度的和谐统一。 二、仿生设计的产生发展过程 仿生学的诞生与发展过程分为4 个时期:仿生学萌芽时期;仿生学建立时期;仿生学巩固时期;现代仿生学时期。 1仿生学的萌芽时期(远古时代至1940 年) 在人类文明的早期,为了生存,人类不得不对其赖以饱腹的动植物的生活习性以及周围世界的各种自然现象进行观察。因此,从远古时代起,人们实际上就已在从事仿生学工作。 2 仿生学的建立时期(1940～1960 年) 20 世纪40 年代,工程技术领域中出现了调节理论,人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比,认识到二者具有自动调节系统。。随着“信息论”和“控制论”这两门学科的结合与渗透,人类就为自已找到了一条新的技术发展道路———向生物界索取设计蓝图,并于1960 年9 月诞生了一门新的交叉科学———仿生学 3 仿生学的巩固时期(1960～1990 年)
---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- #1 仿生学资料 仿生设计学,亦可称之为设计仿生学（Design Bionics）,它是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科，主要涉及到数学、生物学、电子学、物理学、控制论、信息论、人机学、心理学、材料学、机械学、动力学、工程学、经济学、色彩学、美学、传播学、伦理学等相关学科。 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。在某种意义上，仿生设计学可以说是仿生学的延续和发展，是仿生学研究成果在人类生存方式中的反映。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。
自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉。生物界有着种类繁多的动植物及物质存在，它们在漫长的进化过程中，为了求得生存与发展，逐渐具备了适应自然界变化的本领。人类生活在自然界中，与周围的生物作“邻居”，这些生物各种各样的奇异本领，吸引着人们去想象和模仿。人类运用其观察、思维和设计能力，开始了对生物的模仿，并通过创造性的劳动，制造出简单的工具，增强了自己与自然界斗争的本领和能力。 人类最初使用的工具——木棒和石斧，无疑是使用的天然木棒和天然石块；骨针的使用，无疑是鱼刺的模仿……所有这些工具的创造、生活方式的选择都不能说是人类凭空想象出来的，只能说是对自然中存在的物质及某种构成方式的直接模拟，是人类初级创造阶段，也可以说是仿生设计的起源和雏形，它们虽然是比较粗糙的、表面的，但却是我们今天得以发展的基础。 在我国，早就有着模仿生物的事例。相传在公元前三千多年，我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，我们的祖先“见飞蓬转而知为车”，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做有装成轮子的车。古代庙宇殿之前的山门的建造，就
智能即算法终极算法与机器学习 惊恐的算法登场 最早让人们最深切地体会到计算机算法威力的，不是围棋机器人，而是华尔街的股票分析算法（软件）。 2010年5月6日早上，全球股市受希腊动荡局势的拖累而走低。很多人担心希腊债务违约在所难免，并且会引发全球经济萧条。纽约时间上午10点左右，美国股市大跌2.5%，损失惨重。 事情很快由糟糕透顶发展成令人费解。当日美国东部时间下午2点42分，股市剧烈波动后进入自由落体状态。2点47分，仅仅300秒之后，道琼斯指数下跌达998.5点，为其有史以来最大单日跌幅。全球最受重视的股票指数道琼斯工业平均指数的走势看起来就像是被人恶搞了一样。近1万亿美元的财富就这样蒸发了。 某些股票每股购入价狂跌至1美分，但却在数秒之内又反弹回30美元或40美元。美股陷入剧烈动荡，无人知晓原因，不管问题出在哪里，总之不能全部归结到某个有严重错误的交易单或是某个流氓交易员。动荡来得如此迅疾，有些交易员或许就在上个厕所或喝杯咖啡的时间里，就完全错过了千点大跌又急速反弹的一幕。
闪电崩盘的确切成因，仍然众说纷纭。有人把矛头指向堪萨斯城的一位财富投资经理人，他的算法过快出售掉价值40亿美元的股指期货，导致其他算法跟风。有人指责一伙不明交易商合谋共同利用算法打压股价。有人认为这不过是老式的恐慌造成的，跟1929年的大崩盘不无相似之处。然而 可以肯定的是，如果不是因为不受人类管束的算法占据了市场，不到1秒内独立下单并完成交易，股价波动幅度不可能如此之大，波动速度也不可能如此之快。但这样的算法确实统治了市场。 算法通常都是按设定好的方式运行，有的安静地交易，有的根据供需关系给商品定价。但算法一旦处于失控的状态，我们便会弄不清谁或是什么在幕后操纵。算法在不知不觉中悄悄侵入我们的世界，直到闪电崩盘使我们惊醒！这让算法上了晚间新闻，它也很快地出现在关于约会、购物、娱乐和就医等任何你可以想得到的领域的故事中。闪电崩盘只是预示了一个更大的趋势：算法掌控一切。 理解算法 佩德罗?多明戈斯（Pedro Domingos）是美国华盛顿大学计算机科学教授，加州大学欧文分校信息?c计算机科学博士，在机器学习与数据挖掘方面著有200多部专业著作和数百篇论文。他在自己的《终极算法》一书中开篇就直截了当地提出来“所有知识都可以通过一个单一的终极算法来获得”。
仿生发明 1。由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。2。从萤火虫到人工冷光；3。电鱼与伏特电池；4。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。5。人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。6。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。7。模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。8。根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器——步行机。9。现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。10。屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。11。船桨模仿的是鱼的鳍。12。锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。13。苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。14。嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。15。壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。16。贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。17。根据鲨鱼特征制造的泳衣，将阻力减少到最小。18。飞机（鸟）19。潜水艇（鱼）20。雷达（蝙蝠） 1.模仿大象鼻子的机器人手臂 一个根据大象鼻子的特点设计出来的新型仿生机器处理系统--“仿生操作 助手”。“仿生操作助手”由德国工程公司费斯托公司研制，它可以平稳地搬运重负载，原理在于它的每一节椎骨可以通过气囊的压缩和充气进行扩展和收缩。 2.源自蝙蝠的太能阳侦察机 美国密歇根大学工程学院研制蝙蝠型太阳能自动侦察机。这款自动侦察机长约6英寸(约合15厘米)，拥有一个透明的头部，其中装有一个太阳能电池板，