建筑仿生学演讲稿

第一篇：建筑仿生学演讲稿

给建筑以生命

—建筑仿生

早上好，女士们先生们，今天我要讲的是一个常见但深奥的话题。当你看到下面几组图画时，可曾想到过它们之间的神似。第一组，澳大利亚的象征—悉尼歌剧院和海滩上的洁白大贝壳；第二组，气势恢宏的国家体育场“鸟巢”和树上毫不起眼的鸟巢；第三组，精美、别致的螺旋式高楼和那排列井然有序的树叶。这时你可能已经猜到了我的话题—建筑仿生。当然，它是一个相当复杂的话题。让我们先来看看这篇演讲的结构。我们将先简要地看看建筑仿生的种类，随后我将介绍一座坐落在我们身边的仿生建筑。今天由于时间关系，我只介绍后一部分。

假如我们仔细观察我们周围的建筑，就会发现天津博物馆就是一座仿生建筑。天津博物馆建筑设计整体像一只展翅高飞的天鹅，结构主体为钢筋混凝土制成的多种钢结构体系。天津博物馆充分考虑了结构的合理性和可实施性，以表现天鹅展翅高飞的翼部大跨度球缺壳体结构，体现了用最少的材料建造最大的使用空间的构想。另外博物馆实现了可像人一样进行“呼吸”，采用了特殊的节点构造，当温度变化产生温度应力作用时，与一般结构的单纯抵抗不同，结构可以自由伸缩，形成了可“呼吸“的大跨度空间结构。

给建筑以生命，让建筑成为大自然的一部分，从而人类重新回归大自然，享受恬静舒适的生活。

Give Life to the Buildings

---Architectural Bionics

Good morning, Ladies and Gentlemen, I’d like to talk with you this morning about a common but profound topic.When you see several groups of photos following, have you thought of some similarities between them? First, the symbol of Australia-Sydney Opera House and the Large white shells on the beach；Second，the magnificent National Stadium “Bird Nest” and the humble nest on the tree;Third, the elegant and unique spiral buildings and the orderly leaves.Then you may have guessed my topic, the architectural bionics.Ok.Well, it’s a rather complex subject.But let’s look first at the structure of this talk.We’ll have a look at the kinds of the architectural bionics, but very much in outline.In another part of the talk we will go on to have a look at the bionic architecture just around us.Today, due to the time constraints, I will just introduce the latter part.If we carefully observe the buildings around us, we will find the Tianjin Museum is the bionic architecture.The Architecture of Tianjin Museum as a whole looks like a bright swan flying with its white and strong wings.The main structure is the multi-steel structure system made of reinforced concrete.Full account of the rationality and enforceability of the structure, the engineer adopt the large-span hemispherical shell structure to demonstrate the wings of the flying swan.The structure reflects the idea that building the largest space with the least materials.In

addition, the structure could “breathe” like people do.When thermal stress caused by temperature changes works, unlike the general structures to resist simply, the structure could extend freely because of the special node structure.Then a large span space structure, which could “breathe”, is formed.Give life to the buildings, and let the buildings become a part of the nature.So the human could return to the nature and enjoy the quiet and comfortable life.

第二篇：仿生学研究报告上传

《自然界材料构筑科学与创新思维》研究报告

指导教师: 学号：

姓名：

目录

一、仿生学概念

二、自己对仿生学的理解

三、仿生学的应用 1.利用动物体的特性（1）利用鱼鸟的特点为火车入隧道过程降噪（2）利用鲨鱼皮表面的特点进行抗菌

（3）利用珊瑚体秘方减少二氧化碳的排放（4）学习小生物如何从雾气中获取水分 2.利用植物体的特性（1）利用树沿压力线重组的特性构造轻量化材料

（2）利用叶子的光合作用制造太阳能电池（3）利用荷叶表面的特性制造防雨工具（4）王莲能够托起超重物体 3.利用细胞特性

（1）利用细胞膜的特性制造去盐薄膜

四、小结

一、仿生学的概念

仿生学是指人类模仿生物功能，来发明创造的科学。它是一门新型边缘学科。研究对象是生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于人造工程技术之中。该学科的问世，大大开阔了人类的技术眼界，显示了巨大的发展潜力，是人类智慧的结晶。

二、自己对仿生学的理解

仿生学就是通过理解动物的自身特性，以及它们利用这些特性所做出的利于自己生存的本领，再经过人类能动性的思考，抽象出前所未有的新思想新概念，最后利用联系的思想加以应用于人类的生活和生产，为人类创造便捷和更有突破的生活方式。我们的生活、生产中不缺乏一些例子。例如，我们平时最讨厌的在空中到处乱飞的苍蝇，利用苍蝇的鼻子嗅觉原理可以制作小型的气体探测仪，利用苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）进行模仿，将它制成了“振动陀螺仪”，应用到了火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶；利用蝙蝠发出的超声波可以与障碍物反弹的原理制成了制造出了雷达，应用到了飞机航空中。萤火虫腹部的发光器中的荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合便发出荧光，正是利用这样的原理，创造了日光灯......像这样仿生学的例子数不胜数。接下来，让我们具体看一看仿生学的应用。

三、仿生学的应用

1.利用动物体的特性

（1）利用鱼鸟的特点为火车入隧道的过程降噪

有一名工程师J.R.韦斯特是研究子弹列车项目的一个成员，由于子弹列车的车头是圆的，所以每次经过山洞的时候，就会产生一种冲击波，以至于驶出山洞的时候会发出音爆巨响。所以这个工程的工程师领队就号召大家想办法降低子弹列车驶出山洞时的音量。其中J.R.韦斯特也是一名鸟类爱好者，在研究学习中，他观看了一个翠鸟的视频，发现这种鸟在一种介质进入另一种不同密度的介质（从空气进入水），没有溅起一丝的水花。于是工程师们从翠鸟的喙上找到了灵感，流线型的长喙从尖端到头部的直径是逐渐增大的，潜水时会让水流向身后。通过将子弹头列车的车头部分改造成翠鸟鸟喙的形状，工程组解决了这个疑难已久的问题：大大降低了音噪，速度也随之提高了10%,节省了15%的电力。（2）利用鲨鱼皮表面的特点进行抗菌

鲨鱼在茫茫大海中游走，面对着海底形形色色的生物却不被它们所沾染，是如何做到的呢？是因为它们表面的皮肤结构。它们的表面附着着一层锯齿状物。这层锯齿状物是凹凸不平的小鳞甲，它可以避免一些黏液、水藻和藤壶在身体上附着，让它们失去了了立足之地，也就是让细菌无法附着在鲨鱼的表面上。医院的墙壁正是采用了这种技术，把这种锯齿结构铺在了墙壁上，有效避免了细菌的附着和滋生。这种方法大大优于了利用抗菌或其他的洗液去除细菌的方式，因为许多细菌在与这种洗液抗争的过程中，早已自然选择出了那些抗药性的

个体。所以这个“墙壁锯齿化”的方法确实从根源上解决了这一大难题。

（3）利用珊瑚体的秘方减少二氧化碳的排放

现如今的生产生活已经比拼的不仅仅是生产效率的高低，更加考验的是如何绿色低碳的生产。有间美国的水泥制造厂名叫Clara，他们利用了珊瑚体的一些自身特性——能够大量吸收二氧化碳，变废为宝。工厂利用这点将大量的二氧化碳其转换成水泥、混凝土等有用的建筑材料，这样就把平时生产模式中的方程式进行了调换，原本生产 一吨的建筑材料会排放一顿的二氧化碳，现在则减少了将近一半的排放量，大大减轻了对环境的污染程度。（4）学习小生物如何从雾气中获取水分

生活在纳米比亚沙漠的一种小生物，由于在沙漠中能够在摄取水分而一直存活，没有消亡。虽然他们没有新鲜水分可以饮用，但是他们依靠从雾气中获取水分的方法，维持着生命。在它翅膀的后侧有部分凸起，这个突起具有亲水的前端和蜡质的旁侧，使其具有亲水特性，这样雾气会回凝在尖端，然后从旁侧流下直到进入嘴中。一些建筑就利用到了它的特性。建筑师把这项科技应用到了建筑涂料中，这样可以将雾气回收利用，比捉雾网的作用好上10倍！

2.利用植物体的特性

（1）利用树沿压力线重组的特性构造轻量化材料

树木通常沿着压力线自我重组，利用这种结构可以构造轻量骨

架，即利用树木的那种拉伸应力，制造齿轮，让齿轮能够在一定的自身承受范围内；利用树脂材料，我们还可以构建汽车的骨架，这样可以使用最少的材料构建它，同时树脂材料也可以协助促使桥梁轻量化，建筑钢筋轻量化，从而获取最大限量的支撑力。（2）利用叶子的光合作用的方式制造太阳能电池

基于叶子的运作方式，叶子通过光合作用对太阳进行吸收，太阳能电池正是基于这种将太阳能转换的方式，转换成了电能，利用了这一思想，将叶片的表面转换成电池的表面，太阳能电池的表面拥有吸收阳光的物质，这一物质仿造了叶片表面，从而合理吸收了太阳能。（3）利用荷叶表面的特性制造防雨工具

荷叶“出淤泥而不染”，露珠在上面也呆不住。荷叶为什么能不沾泥土和水？中科院专家分析了荷叶的表面细微结构，发现其表面有许多乳状突起，这些肉眼看不见的小颗粒，正是“荷花自洁效应”的成因，可以让荷叶不沾染脏东西。于是，专家们模仿了荷叶的表面结构，研制出人工仿生荷叶。仿生荷叶实际上是一种人造高分子薄膜，该薄膜具有不沾水和不沾油的性质。同时，仿生荷叶还具有类似荷叶的“自我修复”功能，仿生表面最外层在被破坏的状况下仍然保持了不沾水和自清洁的功能。这项研究可用于开发新一代的仿生表面材料和涂料。新型的“仿生荷叶薄膜”可以用于制造防水底片等防水产品。仿生荷叶涂料刷墙将不沾灰尘；同样，我们也可以应用到雨衣或者厨具上，这样就可以防水防油了。（4）王莲能够托起超重物体

王莲的叶子很大，直径有2米多，四周向上反卷，像一个大平底锅。莲叶向阳的一面淡绿色，非常光滑；背阴的一面土红色，密布粗壮的叶脉和很长的刺毛。虽然只是一片巨大的叶子，但它的支撑和承重能力却极不一般。在一片王莲叶上，站一名35公斤的少年，它仍能像小船一样稳稳地浮在水面上；即使是在叶面上均匀地平铺一层75厘米厚的细沙，这个“大平底锅”依然纹丝不动，决不会沉入水中。人们通过仔细研究发现，这异常强大的力量来自纵横交错、粗细不等的叶脉。莲叶背面有许许多多粗大的呈放射状的叶脉，之间还有镰刀形的横筋紧密联结，构成了一种非常稳定的网状骨架。莲叶较强的承重能力由此而来。

3.利用细胞特性

（1）利用细胞膜的特性制造去盐薄膜

大自然中有很多的净水需要我们去除盐，然而现在很多的除盐方法不是太低效，太复杂，就是成本高。刚开始我们的方法是用水挤压细胞膜，细胞膜堵塞，而且发现这样的方法太费电。而大自然的方法则是优雅的，它仅仅利用的是细胞膜的通透性，由于细胞膜表面会有沙漏形的小孔，叫做水孔蛋白。它们能让水分子通过，而留住离子等溶解质。有些公司就开始模仿这种结构制造去盐薄膜，这样能够高效地利用这种结构，彻底分离开水与盐的离子溶解质。

四、小结

仿生学是一门新学科，这门学科尝试向自然界中的一些“天才”学习和借鉴经验，通过听取他们的一些“建议”，整理他们的建议，形成自己对待事物的新的解决方法。这些动物植物甚至是微生物，他们都有着自己的生存规律，适应着复杂多变的生存环境。就好比一个蜂族，它们利用自己的“智慧”，创造出如此精致富有层次感的蜂巢，让人们相信了动物其实是有它们的天分的，我们不仅仅是那个最有创造性的群体，很多的突破我们都要依靠低级的动物去给予我们灵感实现。在这样的事实面前我们不得不承认在这些低等的动植物面前，我们确实不能像它们一样，利用自己的特点优雅的生存着；更不得不感慨仿生学这项事业的伟大，它能为我们带来的是前所未有的突破，也可能是巨大的精神财富，让我们长久安定的存活在这个蓝色的星球上。相信在这个新世纪，人类会更好地利用生物本身的特点，完善人类的生产生活，使我们这个星球大大小小的各领域都能够飞速运转起来！

第三篇：仿生学论文

大自然的启示——浅谈军事仿生技术

投资学专业 谭苏航

摘要

自古以来，大自然都是人类的老师，人类向自然学习，模仿自然以适应自然，从而在自然界中谋求生存，人类经历了从初级仿生造物到高级仿生造物的漫长过程，并在近现代形成了一门较为系统的仿生学学科体系。而军事仿生技术是仿生学的一个重要组成部分，由于战争需求的牵引，有无数人致力于武器仿生与战术仿生的研究，此技术应运而生。

本论文综合相关文献资料，对军事仿生技术进行了概述，对其研究内容进行了阐述，同时对军事仿生技术发展的历史进行了简要介绍。本论文着重介绍军事仿生技术在武器装备的制造与战术战略设计上的应用，并列举大量实证进行分析。最后，本论文对军事仿生技术的未来发展趋势作了简要探讨。

关键词：仿生学军事仿生技术 武器仿生 战术战略仿生发展趋势

一、军事仿生技术概述

（一）仿生学概述

1.仿生学的基本概念

仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios（生命方式的意思）”和字尾“nlc（‘具有„„的性质’的意思）”构成的，它是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的学科。

2.仿生学的历史与发展 在人类文明的早期，人类为了生存就不得不对其周围世界的动植物的生活习性与各种自然现象进行观察，因此，实际上从远古时代起，人们就开始从事仿生学工作了。例如，相传在春秋战国时代，鲁班在上山伐木途中，手指被茅草划破，从而受到启发，制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯。此类模仿大自然的例子不胜枚举，直到20世纪40年代，调节理论和控制论的建立，逐步推动仿生学的建立，同时在1960年，“仿生学”作为一门独立学科被正式命名。此后，仿生学地位不断提升，研究领域不断扩大，应用性不断增强，具有非常好的学科前景。

（二）军事仿生学概述

1.军事仿生学的基本概念

军事仿生学是仿生学的一项重要内容，是军事科学和技术的一个极具影响力和生命力的研究领域。它是模仿生物系统的原理和特异功能来发展军事高技术，提高武器装备的性能，发展军事战略技术，提高军队后勤保障的能力的一种技术。

2.军事仿生技术的历史和发展

在古代，人们为了满足战争需要，模仿动物的角、嘴、牙、爪制造弓箭、长矛、戈、戟、刀、抓、钩、鞭、锏等十八般兵器，到现代模仿飞禽昆虫发明的飞机，模仿鱼和海兽制造的军舰，模仿飞鱼和响尾蛇制造的导弹，模仿昆虫制造的太空飞船和机器人，提高了武器的威力，丰富了战争的形式和内容。

二、军事仿生技术的应用

（二）军事仿生技术在武器制造上的应用 1.蛛网与装甲

蜘蛛在世界上分布很广，约 4万种，栖息干除南极洲以外的六大洲。剧毒蜘蛛能攻击人类并致人死命；普通蜘蛛以织网闻名。丝线为骨蛋白，在体内呈液体状态，到体外遇空气才硬化成丝。蜘蛛丝具有很强的轴滞性，小昆虫一巳进入蛛网，便只有等着成为蜘蛛的腹中物了。在美国南部的佛罗里达州和许多拉美国家，生活着一种别名叫作“金眼”的蜘蛛，它素以结网粘捕飞鸟而著称。近年来，美国军方经过研究，发现它的蛛丝的抗张强度和弹性俱佳，其强度相当于同等直径的钢丝的 5 倍，是制作防弹衣物极为理想的材料。目前，科学家们已经开始运用仿生学理论研制人工蜘蛛丝，以期求得强力更高且重量更轻的防弹材料。受此启示，英国剑桥一所技术公司试制成一种犹如蜘蛛丝一样的高强度纤维。利用纺织技术把这种纤维加以纺织或者做成复合材料，可以用来作防弹衣、防弹车、坦克装甲车等的结构材料。

2.蝴蝶与卫星温控系统

蝴蝶因其美丽的外表而惹人喜爱，蝴蝶一般色彩鲜艳，身上有好多条纹，色彩较丰富，翅膀和身体有各种花斑，最大的蝴蝶展翅可达28～30厘米左右，最小的只有 0.7 厘米左右，然而，如此小巧美丽的昆虫却藏着大奥秘，蝴蝶身体表面生长着一层细小的鳞片，这些鳞片有调节体温的作用。每当气温上升、阳光直射时，蝴蝶身体表面的鳞片会自动张开，以减少阳光的辐射角度，从而减少对阳光热能的吸收；当外界气温下降时，蝴蝶鳞片会自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把体温控制在正常范围内，这曾解决了曾困扰研究人员很久的问题，遨游太空的人造卫星，当受到阳光强烈辐射时，卫星温度会高达 2000℃，而在阴影区域，卫星温度会下降至-200℃左右，这很容易损坏卫星上的精密仪器仪表，而蝴蝶则带给人启迪，从而人们为人造卫星设计了一套温控系统。

3.乌贼和鱼雷诱饵

乌贼身体扁平柔软，非常适合在海底生活。乌贼平时做波浪式的缓慢运动，可一遇到险情，就会以每秒15 米（54公里/小时）的速度把强敌抛在身后。有些乌贼移动的最高时速达150 千米。它不但逃走快，捕食更快。乌贼是水中的变色能手，其体内聚集着数百万个红、黄、蓝、黑等色素细胞，可以在一两秒钟内做出反应调整体内色素囊的大小来改变自身的颜色，以便适应环境，逃避敌害。乌贼的体内有一个墨囊，里面有浓黑的墨汁，在遇到敌害时迅速喷出，诱骗攻击者上当，掩护自己逃生，潜艇设计者们仿效其设计成鱼雷诱饵。现在鱼雷诱饵酷似一艘袖珍潜艇，既可按潜艇的航向航行，航速不变；也可模拟噪声．螺旋桨节拍．声信号和多普勒音调变化等。正是它这种惟妙惟肖的表演，令敌潜艇或攻击中的鱼雷真假难辨。

（二）军事仿生技术在战术战略设计中的应用

1.进攻战术

猛虎战术 在自然界中，有强大的动物，也有弱小的动物，强大的动物进攻能力也很强，老虎就是其中一个例子，它身强体壮，牙利爪尖，凶狠无比，在自然界中除了狮子和大象之外，其他动物均不是它的对手。老虎属于夜行性，善于游泳，以凶猛 而闻名于世。我国军队就从其中受到启发，发明了夜战，成为了克敌制胜的传统战法，还模仿老虎扑食的凶猛动作创造了猛冲，猛追，猛打的三猛战术，许多部队通过这种猛虎战术取得了辉煌的成果。我国著名军事学家刘伯承元帅对猛虎扑食的方式十分感兴趣，并据此发明了猛虎掏心的战术，在解放战争中取得了辉煌战果。

狼的战术

狼是一种十分狡猾的动物，拥有善于奔跑的长足，锐利的牙齿和大口，有的人认为狼凶暴残忍，有的人认为狼重视族群，懂得忍耐与放弃。狼通常群居活动，其战术有以下三个特点。第一，突然袭击，出其不意，第二，选择孤立弱小的目标四面攻击，使其顾此失彼，第三，多路追击，平行追击。狼的战术引起了西方资产阶级军事家的重视，第二次世界大战期间，纳粹德国潜艇部队的司令员邓尼茨模仿狼群攻击猎物的方法，创造了狼群战术，既潜艇协同攻击战术，在第二次世界大战初期获得了巨大战果，一度给同盟国的大西洋运输造成了严重损失。

2.防御战术

动物合群抗敌与环形防御

进行群体生活的动物能获得多方面的好处，一方面，它们能依靠群体力量抗击强大敌人的袭击，另一方面，环形防御没有暴露薄弱部位，能抵抗来自四面八方的进攻，人们把这种战术在军事中运用为装甲防护圈，装甲防护圈有以下几个好处：第一，防御快，第二，防御坚固，第三，没有暴露的一侧和前后方之分，第四，应变能力强，可变性大。

迷彩伪装

自然界中的动物在长期淘汰和竞争中，逐渐形成了用颜色保护自己的本能，其身上的颜色多与之生活的环境相适应，比如北极熊，北极熊长年累月在北极的冰天雪地中生存，身上长满了白毛，与冰雪的颜色保持一致，猎豹长期生活在草原和丛林，身上有淡黄色花纹，与地面的颜色相似。

3.仿生战略

战略和战术不同，一般指从总体和全局出发，对战争的全局设计，是一种谋略。在自然界中，有很多动物具有天然的生存策略，比如蜘蛛，蜘蛛是一种食肉性动物，它捕食的生物不仅数量多，种类广，而且手段相当高明，它在狩猎捕食的时候，具有令人惊叹的勇气和极大的耐心，它不怕失败和从不灰心的行为曾经给许多战略家以启发，在美国独立战争期间美国第一任总统华盛顿所率领的军队曾被英国的殖民军大败，他本人也被殖民军赶到了荒野，他开始对战争的胜利感到灰心了，他在无意中看到自然界中的蜘蛛面对各种阻碍，依然没有放弃，从而成功织网。从此，在战争中，当他面临困境时，总会用蜘蛛织网的故事来鼓励自己与自己的军队，最终赢得了美国独立战争的胜利。1794年的深秋，法国资产阶级革命家拿破仑率军攻打荷兰，荷兰人打开各条河流的水闸，用用洪水阻挡法军，当法军正准备要撤退的时候，却接到了大量蜘蛛在吐丝织网的报告，拿破仑当机立断，下令就地待命，原来，蜘蛛吐丝织网预示着干冷天气即将到来，不久，寒潮果然来袭，河水冰冻，法军踏冰前进，攻陷了荷兰的乌得勒支城。华盛顿和拿破仑均从蜘蛛身上受到启发，受到鼓舞，制定了正确的军事战略，这便是仿生战略中的一个典例。

三、军事仿生技术的发展趋势

（一）由表及里

军事仿生技术由外形、动作模仿向微纳结构仿生的发展几乎都以自然新原理、新方法、新规律、新现象的揭示与发现为基础，由“由表及里”生物结构表征技术水平所决定。生物结构表征技术是仿生技术发展的源动力，亟需发展“由表及里”生物结构表征新方法、新原理、新装备，为揭示自然神奇奥秘提供技术手段。

（二）由简到繁

人们不断学习、借鉴自然界生物运动机理及其特性，使得仿生技术的思想由简单的外形单一仿生逐渐向复杂整体和系统仿生发展，从而导致了许多新概念武器装备的出现。大量事实表明，仿生技术应用于军事及其他领域无不经历设计“由简到繁”、最终导致新概念武器装备出现的过程。

（三）由宏到微

生物材料、生物结构的多尺度微纳结构特征是导致其优异功能的主要因素，往往会产生出军事领域所需要的新效应、新效能，如蝴蝶翅膀鳞粉光子效应可用于隐身；荷叶疏水的多级微纳结构可用于减阻自洁。为获得与生物材料、生物结构一样的新效应、新效能，发展仿生材料制造技术，满足多尺度复杂微纳结构成形制造要求，就成为仿生材料发展的核心关键。因此，必须大力发展仿生材料制造技术，突破“由宏到微”仿生材料制造技术瓶颈，实现一系列军事所需新效能，为武器装备发展带来变革性的突破。

参考文献

［1］刘福林.仿生学发展过程的分析［J］ 安徽农业科学 2007 35（15）4404-4405 ［2］朱天阳 周俊良 姚敏.浅谈仿生学在军事发展中的应用［J］ 学术论坛 2015 133 ［3］张德远，陈华伟，张 鑫，梁建宏.军用仿生技术发展趋势［J］ 国防科技 2013 Vol．34，No．6 1-5 ［4］李娜.自然睿智的启示——当代仿生形态设计方法研究［D］中国美术学院 2013 1-53 ［5］马文庆.动物与军事仿生学［J］ 科学之友 2007 22-23

第四篇：仿生学听课笔记

仿生学听课笔记

资源环境学院09资源环境科学3班 孙怡

200930210319

我一直特别愿意学习对自己有用的东西。这个就是我选修仿生学的原因。

在我看来，与其说仿生学是一门学科，我更愿意把放生看作一种能力。这个不同于生物学或者设计学，仿生是必须基于对生物的了解之后才能进行“仿”这个创造设计的步骤。

从定义上来看，仿生学是涵盖生物电子学、生物传感器、生物仿真材料、生物物理学、生物电机和生物大分子的自装配等的一门交叉学科。而仿生学主要是研究和建立一类人工系统，使之具有生命系统的某些特性的学科。

上课始伊，是被那些外表绚丽的家居用品，汽车所吸引。那个时候就发现自然界的美丽是必须要经历了时间的洗礼之后才能够感悟的。那些生动的沙发椅子书桌的时候，我以为这个就是仿生学了。把生物形态或者说是大自然的瑰丽全部应用与产品设计中。那些创意独特的产品吸引了很大一个群体的注意力，以此来提高购买率。当然仿生产品在生活中渐渐加深的渗透也是我们的生活变得趣味无穷。在这个创意至上的年代，同一个功能的东西，也许两者就是一个创意的差别，在售价上就出现了很大的差别。然而这个时候才明白知识就是力量，能力就是金钱的真正寓意啊。比如说，一只简单的桃木椅子，在宜家也不过就是300多块钱，可是加入了仿生的新型概念椅子，却可以在展览上卖到五位数。这个就是差距。然而学习可以弥补差距。了解仿生学，我想除了学习到这样的一种理念之外，更多的时候是为了让我们自己的思维面拓宽，以后做任何创意设计的设计可以往这方面想想。

随着课程的加多，我慢慢的了解到。仿生学的意义不仅仅在于让我们的生活变得更加缤纷多彩。仿生学在国防军事上的应用也有着重大的意义。

从鱼雷到雷达这些已经耳熟能详的军事用品，到机器人军队，这些都是仿生科技在军事领域的功劳。要是没有前人想到将生物界各种动物的各种看家本领引申到人类科技上，可想而知人类世界将不会像现在这般便捷告诉的发展。我记得原来有人给我说过，每种生物都有自己最擅长的技能，这些技能都是人类所没有办法达到的，然而人类最大的优势就是在于具有学习借鉴能力。这个才是最重要的。从夜视仪到电光鹰眼，我就发现，一场现代军事战争除了战略上认为的制订，其他的更像一场自然界各种生物的技能大比拼。好的，你有蝙蝠的雷达，我却有夜蛾的反雷达技术。这个时候已经不仅仅是靠战士们拼勇搏杀的时候了，而是科技作战数字作战了。这个时候仿生学的重要性相信已经不言而喻了。已经到达国防的高度了，那么这门学科的实际意义更加是重要了。

在学习仿生学之前，我以为这门学科只是和那些花里胡哨的家居饰品，或者奢华的饰品有关。但是我知道仿生学除了与军事领域息息相关之外，仿生学在很大程度上也改善了我们的生活。

之前我只以为仿生学只是把生物的形态颜色借鉴到产品设计中。然而后面才发现在农业和食品问题上，仿生学也发挥着举足轻重的作用。从农药到仿生栽培上，在民生之本的农业上，我们也不难发现仿生学的理念。这个时候仿生学就不仅仅只是一些形态的模仿了，更多的是利用这些概念，来简洁便利我们的生产活动。大棚蔬菜，就是一个最为常见的仿生例子在农业上的发展。这里的仿“生”仿的就不是生物了，而是生态。可以说，仿生学的精华而不是在于生物的特性，而是“仿”这个概念，这种思维模式。善于借鉴。

终于要说到这一个学期的课程中，我印象最为深刻的一课。

某日上课的时候，两位同学为我们放了一段视频，说的就是外国一个医生科学家，利用仿生学，让已经瘫痪了患者可以自理自己的生活。这个是事实，不是猜测估计，或者是对于现代科技的美好愿望。是真正已经发生了的事情。

看到这个的时候，我的情绪是震惊的。这位医生利用身体神经，做了一些类似于我们神经工作的电冲脉装在病患身上，从而让他可以开始自理自己的人生。看到这个的时候，我才想到，其实仿生学早就在医学方面为我们做贡献了，不是吗？从助听器到假肢，这些都是聪明的医疗工作者利用仿生学为病患争取到的第二次机会。如果是这样的话，仿人体大脑，这个人类最为重要的一个器官是不是也是指日可待了呢？这个太悬乎，我说不一定，可是寄予美好的想象也是可以的。我只能说随着科技的日益发展，我相信有一天脑死的患者也可以重新开始自己的人生。仿生在医疗上的应用时最为我多感动的。第二次这样的机会是多么可贵。我相信很多人都感受到了仿生学所带来的福利。

一个学期的课程的学习，让我觉得学习仿生学，学习应该是一种理念一种态度。或许仿生学应该成为一门基础课。每一个学科都将会和仿生学挂钩，仿生学在我们的生活中无处不在，还有什么会比这个更要呢？正是仿生学的无处不在，所以才证实了这门课的重要性。

仿生学的巨大前景在于，我们需要。随着科技的发展，我们需要这样的智慧与技术。

09资源环境科学学院

孙

怡

***

第五篇：仿生学与新材料

仿生学与新材料

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，强化了许多优异的结构和特殊功能，值得人们很好地借鉴并发挥。仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大的开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。关键词：仿生学 仿生设计 军事 能源

1.引言

早在远古时期，人类就从自然生态系统中领悟到自身生存、发展和进步的真谛，蒙昧时代进入文明时代就是在模仿和适应自然规律的基础上发展起来的。回顾世界文明史，人们很早就留下了模仿自然生态的痕迹，人首龙身、羽化飞升等大量事例记述了人们对自然生命形态和功能创造性的模仿。

人类师法自然思维由来已久，这便促成了仿生学的诞生。仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学，属于生物科学与技术科学之间的边缘学科，其目的就是分析生物过程和结构，并将结果用于未来的设计。

仿生学思想是建立在自然进化和共同进化基础上的，人类所从事的技术就是为使其达到互相间的协调，而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好途径，恰似“桥 梁”和“纽带”，连接着生物科学与技术科学[1]。人们向生物系统索取设计蓝图，使军事、化工、机械、建筑等科学领域发生了根本性的变化，新事物层出不穷：从雪 地行走的企鹅，人们发现了越野汽车；利用六角形结构蜜蜂窝，生产出了蜂窝材料；从青蛙突出的眼睛，制造电子蛙眼；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；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。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。

在工业化进程加速的基础上，仿生学已被广泛应用到社会生产、生活的各个方面，仿生学的相关设计开始占据举足轻重的地位，人们由此得出仿生设计学（Bionics Design）[2]。仿生设计学是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴学科，它与原有的仿生学成果应用不同，是以自然界万事万物的“形”“色”“音” “功能”“结构”等为研究对象，同时结合仿生学的研究成果，为设计提供新的原理和方法。从某种意义讲，仿生设计学可以说是仿生学的延续和发展，作为人类社 会生产活动与自然界的契合点，正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。2.仿生学的研究范围

仿生学的研究范围非常广阔主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。

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。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速。

分子仿生，是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。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫。

能量仿生，是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。信息与控制仿生，是研究与模拟神经元与神经网络、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。例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通过训练，改变元件之间联系的权重来进行学习，从而能实现模式识别。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。我们可以从不同的角度多方面研究仿生学的原理与方法，更好的应用仿生法。3.仿生学的应用

3.1仿生学在军事上的应用

随着时代发展与变化，军事仿生设计越来越受到人们的关注。在漫长的进化过程中，生物为了生存、自卫、竞争和发展的需要，逐渐形成了许多优异的结构和特殊功能，值得人们在军事研究中很好地借鉴。军事仿生学就是模 仿生系统的原理来建造先进军事装备技术系统或者使人造军事装备技术系统具有或类似于生物系统特征的一门科学。随着人类科学技术的进步，军事仿生学的研究 范围越来越广泛，已经渗透到与军事相关的各个领域，只要生物界具有的优异之处而军事装备上又很需要的，都值得军事研究人员去揣摩、模仿。

仿生设计在军事上的成功应用有很多例子。如猫的眼睛与夜视仪。漆黑的夜晚，猫能清楚地观察老鼠的一举一动并敏捷地抓住它，其原因在于猫眼的视网膜上具有圆 锥细胞和圆柱细胞，圆锥细胞能感受白昼普通光的光强和颜色，圆柱细胞能感受夜间的光觉。一般只能在白天活动的动物如鸟、鸡等，它们的视网膜中常常只有圆锥 细胞；而另一些只能在夜间活动的动物如猫头鹰，其视网膜上只有圆柱细胞。此外，猫眼还有一个特点，在它感受弱光时，瞳孔能够随着光的不同强度而自动调整。所以，阳光很强时，你会看到猫眯着它的双眼，瞳孔已缩小成直线般的细缝，保证只让少量的光线进入瞳孔内。而在光线十分微弱的晚上，瞳孔又能放大呈圆形，以 便保证在黑暗中也能看清楚各种物体。军事科学家们便模仿猫眼的奥妙研制出了大有用处的微光夜视仪。这就是军事仿生学。世界上有许多军事发明，也都是科学家在探 索动物奥秘中得到启迪而设计、发明的。例如：蝴蝶与卫星控温系统。位于太空的人造地球卫星，在受到阳光的强烈照射时，卫星表面温度会高达2000度；而在 阴影区域，卫星表面温度会下降至零下200℃左右，很容易烤坏或冻坏各种仪器仪表，这曾使航天科学家伤透了脑筋。后来，科学工作者从蝴蝶身上受到启迪，原 来在蝴蝶体表生长着一层细小的鳞片，有着调节体温的作用。每当阳光直射、气温上升时鳞片自动张开，以调整阳光照射的角度，从而减少对热能的吸收；而当外界气温下降时，鳞片自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把温度控制在正常范围内。科学家为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。

仿生设计在军事上的成功应用，推动了军事科技的发展。在当今信息时代，人们对设计的要求和过去不同，既注意功能的优良特性，又追求形态的清新、淳朴，同时注重个性[3]。而仿生设计本身就是人们在长期向大自然学习的过程中，经过积累经验，选择和改进其功能、形态，从而来创造更优良的人造物。所以，运用仿生性思维进行军事方面设计，不仅创造功能完备、结构精巧、用材合理、美妙绝伦的军事化及军需化物品，而且以生命的象征，让设计回归自然，增进人类与自然和谐统一。

仿生设计在军事上的应用有着巨大的潜力和发展前景，随着科学的高速发展和人们对自然界认识的不断提高，将会有更多的仿生发明应用于军事科技领域。两个领 域的结合将使军事研究向着更为科学和完美的方向发展，为军事研究开辟新的空间；同时，仿生设计也拥有了更广泛的用武之地，为其自身进一步发展壮大奠定了基础。

3.2仿生学在新能源上的应用

2008年8月Angewandte Chemie杂志报道了澳大利亚莫纳什大学的利昂·斯皮西亚、罗宾·布里姆布来可比和安妮特·可罗，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的格哈德·斯伟格斯和美国普林斯顿大学的查尔斯·迪斯莫克斯共同开发了由一层涂层和维持植物光合作用的基本化学物质——锰组成的系统。该系统可模拟植物的光合作用，为利用阳光将水分解成氢和氧开辟了一条新途径。此项技术突破有望革新制氢工艺，从而利用太阳光大规模生产清洁的绿色能源——氢气。光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。对于生物界的几乎所有生物来说，这个过程是赖以生存的关键，而在面临能源和环境瓶颈的今天，这一过程中的能量转换也为人类提供了极其重要的启示。由于自然光谱的吸收率等原因，光合作用在多数植物中效率非常低，通常均低于0.5%。在人工设计的系统中，研发人员借鉴其光反应与电子传递的机制，并提高通量转化的效率，使其适于太阳能的转化利用。事实上，在上述模拟光合作用的研究取得突破前，微生物制氢的已经成为了研究热点。自然界已发现有类似甲烷菌的制氢菌，但其菌种繁育不如甲烷菌那样简单。若能建立合适的菌种群落，制造氢气也会像制造沼气一样得到大规模应用。

模拟光合作用制氢或者微生物制氢过程正是仿生学“向自然学习”的思想典型。20世纪40年代以来，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，认识到二者包含自动调节系统。此后，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方面进行类比的科学理论基础。之后，斯蒂尔提出了仿生学的研究理念。自上个世纪末以来，人们认识到大约35亿年的生命演化与协同进化过程优化了生物体宏观与微观结构，形态与功能具有无可比拟的优越性，仿生学也因此显示出巨大的生命力。

从研究模式上看，仿生学作为模仿生物建造技术装置的科学，是一门新兴的边缘科学，研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和设备，创造新技术。模拟光合作用制氢过程的例子很好地诠释了这一点。在植物的光合作用中，锰参与几种酶系统。由于锰 可以在正二价和正四价两种化合价之间转换，所以主要在氧化还原和电子转移中发挥作用。这一思想为斯皮西亚等人的研究提供了启发。他们在确定锰簇是植物利用水、二氧化碳和阳光制造碳水化合物和氧气的中心枢纽后，开发出这种人造锰簇，并利用这些分子的能力将水分解成氢和氧。研究者将一层质子导体――Nafion薄膜覆盖在一个电极上，形成一层仅几微米厚的聚合体膜，这层聚合体膜充当锰簇的载体。锰在正常情况下不溶解于水，但可以和Nafion薄膜小孔中的催化剂结合，形成不易分解的稳定结构，当水到达此催化剂时，在阳光的照射下便发生氧化反应。

在能源和环境领域，这一技术显示了仿生技术的巨大应用潜力和价值。初步测试表明，此催化剂连续使用3天之后还有活性，由此分解出来的氢气和氧气可以在燃料电池中结合成水，产生电力供住宅和电动车全天24小时使用，且不排放碳而是排放水。虽然此系统的效率还有待提高，但研究者可以不断地从自然界中学习，使之更为高效，从而使氢这一能效高且没有碳排放的绿色清洁能源为未来社会所用。

生物体的电子传递过程在能源仿生技术上的另一重点研究领域是生物发光。生物发光和光合作用都是“电子传递”现象，而从某个角度上看，生物发光可以看作是光合作用的逆反应。光合作用是绿色植物吸取环境中的二氧化碳和水分，在叶绿体中，利用太阳光能合成碳水化合物，同时放出氧气。光能从水分子上释放电子，并把电子加到二氧化碳上，产生碳水化合物，这是一个还原过程。光合作用把光能转变成化学能，而生物发光是电子从荧光素分子上脱下来和氧化合，形成水，产生光。生物发光是将化学能转变成光能。生物光作为冷光源，具有效能高、效率大、不发热、不产生其它辐射、不会燃烧、不产生磁场等特点，对于手术室、实验室、易燃物品库房、矿井以及水下作业等，都是一种安全可靠的理想照明光源。通过模仿发光生物把一种形式的能量转换成另一种形式的能量，制造冷光板使其不需要复杂的电路和电力，就能白天吸收太阳光，晚上再将光能释放。人们先是从发光生物中分离出纯荧光素，后来又分离出荧光酶。现在已能人工合成荧光素，这就使人类模仿生物发光，创造一种新的高效光源——冷光源成为可能。然而，人们对于萤火虫等发光机制的研究仍然有待深入。如果将光合作用和生物发光机制在仿生学框架下同时加以研究，就有可能在能量利用的电子传递现象中取得进展，从而实现能源利用更为巨大的进步。

从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力，在能源技术上的应用潜力也极其巨大，有助于破解人们所面临的能源瓶颈问题，同时解决石化能源等所带来的环境问题。

3.3仿生学在医学的应用

医学仿生学包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外，还在研究建筑仿生、农业仿生等。美国科学家宣布，他们将活细胞和硅化电路相结合，创造出他们表示可使医学技术革命化的“仿生学晶片”。伯克利的加州大学研究人员宣布，他们成功地把人类的组织细胞装置在电脑晶片的小室内。带领这项研究的一位教授鲁宾斯基说：“这是以硅为基本成份的晶片，跟任何电脑或电子装置使用的晶片类同。我相信它是真正的仿生学晶片。” 研究人员表示，这是人类活细胞首次被电脑讯号控制。科学家透过指挥微小的装置打开或关闭细胞，希望有一天能命令癌细胞自行打开，容许有害的力量侵入，从而自我毁灭。

医学仿生学——已制成的有原子动力心脏，人工肾，能做出六个基本动作的假手，仿生学是一门综合科学，需要生物学、生理学、心理学、生物物理学、生物化学、控制论、数学、电子学、通讯、航空、航海、医学等等许多科学工作者进行合作，去解决各自需要解决的问题。仿生学是一门新生的科学，前途广阔，不久的将来将在生产、生活各个领域里得到广泛的应用。目前医学仿生学研究的重点是“感觉器官的模拟”、“神经元和神经网络的模拟”。在仿生高分子，我认为比较具有前沿研究的，一个是在医用材料里面，比如说仿生骨的研究，已经很多进入临床状态，四川大学李玉宝教授做的仿生的羟基磷酸钙人造骨，作为脊椎骨治疗腰椎盘突出取得比较好的成绩。仿生医学的研究对解决目前器官供需的严重不平衡应该有所帮助。4.结束语

德国著名设计大师路易吉·科拉尼曾说：“设计的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中”，道出了自然界是蕴含着无尽设计宝藏的天机。在现今科学 技术飞速发展的时代，学习和利用生物系统的优异结构和奇妙的功能，已经成为技术革新和技术革命的一个新方向。未来仿生“电子眼”、仿生“电子神经系统”的诞生，将是仿生学划时代的贡献。所有这些都预示着仿生科技前途似锦，而且仿生科技的探索永无止境。

另一方面，大自然向人类展示着精妙绝伦的生命形态和绚丽多姿的悦人色彩，同时，大自然还无声地阐释了自然界的生存哲学——和谐与共生。这种和谐的设计哲学呼吁人类社会与大自然之间的高度和谐统一，共生的设计哲学则呼吁着人与机器、生态自然与人造自然之间合理的建构。因此，设计师要学会师法自然的仿生性设计思维，创造人、自然、机器和谐共生的对话平台[4]。仿生设计的应用有着巨大的潜力和发展前景，随着科学的高速发展和人们对自然界认识的不断提高，将会有更多的仿生发明应用科技领域。参考文献

[1]于帆，陈嬿.仿生造型设计.华中科技大学出版社，2005.[2]智一君惕.仿生学与现代化.湖南教育出版社，1985.[3]王建成.简明军事科技发展史.国防工业出版社，2005.[4]许书民.设计概论.上海科学普及出版社，2005.