仿生设计的现代工业设计的应用前景论文[范文模版]

第一篇：仿生设计的现代工业设计的应用前景论文[范文模版]

摘要：仿生设计是工业设计中非常重要的一种设计方法和设计思维。本文指出了仿生设计对现代工业设计的重要价值，归纳出现代工业设计中仿生设计的主要应用方式，包括形态、功能、结构、色彩、肌理等，并提出了仿生设计在工业设计中的应用前景。

关键词：仿生设计；工业设计；设计方法；仿生学

自然之美是设计之源，仿生设计自古有之。从学科上来讲，仿生设计也称为设计仿生学，是在仿生学和设计学基础上发展起来的综合性交叉学科。其研究范围涉及生物学、数学、材料学、人机学、色彩学、美学、工程学等诸多学科。仿生设计因其独特的价值，在现代工业设计中不仅非常常见而且应用广泛，对工业设计的发展和设计价值的实现发挥着重要的作用。

一、仿生设计对现代工业设计的主要价值

仿生设计并不是对自然对象形态的简单模仿，而是根据一定的目标，经过复杂的观察研究和设计技术，为工业设计提供一种有价值的解决思路和设计方案的过程。它对工业设计至少有如下几种价值：第一，丰富设计造型，提供更多设计选择。地球有丰富多彩的自然形态，自然中的形态、结构、功能、色彩、肌理都可以成为仿生学和仿生设计的对象，为工业设计提供无穷的思路和方案。第二、优化产品功能结构，节省设计成本。仿生设计通过对符合设计目标对象的研究，能够为设计找到一条便捷而方向准确的道路，不仅能够获得最优化的设计方案，还能大大节约设计研发的时间、资金、技术等成本。第三、增加产品情趣，提升产品附加值。仿生不仅高效地满足设计对功能的需要，还能因为仿生具有的形态或交互趣味，增加设计的附加值[1]。美国社会未来学家约翰奈斯比提出：“无论何处，人都需要补偿性的高情感，这种补偿的高情感尤其体现在当今社会，社会越进步，人们离大自然越远，亲近大自然的感觉反而越强烈。”第四、增加产品内涵，丰富设计文化。许多生物在人类长期的历史文化中成为了图腾或者与民族优秀的历史文化有着紧密的关联。仿生设计可以为产品增加文化内涵，为设计目标提供符合品位和符号象征的设计方案。

二、仿生设计在现代工业设计中的主要应用方式

按不同的角度或不同的目的划分，现代工业设计中的仿生设计可划分为不同的方法种类。例如，按生物所属种类来分，可分为动物仿生、植物仿生、昆虫仿生、人类仿生和微生物仿生；按模仿的逼真程度来分，可分为具象仿生和抽象仿生；按模仿的完整性可分为整体仿生和局部仿生；按被模仿生物的态势来分，可分为静态仿生和动态仿生[2]。目前，按照生物系统结构的划分来探讨仿生设计种类是最普遍的方式。据此，仿生设计在现代工业设计中的应用方式有主要如下几种：1.形态仿生设计通过研究生物（包括动物、植物、微生物和我们人类自身）的内外形态及其象征寓意，经过相应的设计技术和艺术手法将其运用到设计之中的过程即是形态仿生设计。形态仿生包含局部形态仿生和整体形态仿生。形态仿生设计是工业设计中应用最大的仿生设计形式。例如，玛莎拉蒂的Kuba概念车就是运用局部形态仿生设计的案例，该车前脸上大大的格栅像极了鲶鱼的厚嘴，因此也被称为“鲶鱼车”。奔驰的Boxfish设计（见图1）是整体形态仿生设计的典型代表。这款汽车以箱鲀为设计原型，设计师模仿箱鲀的外形形态将汽车风阻值降低到了0.06，使得汽车不仅外观更加流畅，而且油耗降低了20%，氮氧化物等的排放量减少了80%。家喻户晓的甲壳虫汽车、熊猫汽车，其独特的外形早已成为经典，深受人们青睐。家具设计和儿童产品设计中形态仿生设计案例更是比比皆是。2.功能仿生设计功能仿生设计是通过对生物功能实现的机理进行研究，将其运用到产品设计中的方法。早在春秋战国时期，著名的木匠鲁班在一次外出时，不慎被带齿的草叶划伤了皮肤，他从中得到启发，发明了锯子。功能是大部分产品最大的价值，因此在现代工业设计中功能仿生是设计师和工程师们十分热衷的设计方法。比如，潜水艇是对鱼的仿生。鱼通过鱼鳔肌控制鱼鳔的收缩和膨胀可以使体内空气的含量产生变化而调节身体的密度，在水中产生的浮力也会随之变化，达到上升或下沉的目的。设计师们模仿鱼类的这一功能特性，设计出了潜水艇，利用蓄水仓的注水变化，模仿鱼鳔功能，下潜时就往蓄水仓中注水，增加潜艇重量，潜艇就下潜；要上浮时就往外排水，清空仓中积水,减轻潜艇重量。除此之外，还有诸多经典的功能仿生设计案例。诸如模仿了蝙蝠的超声波定位系统的雷达、仿生章鱼遇险喷黑色墨汁功能的烟雾弹等等。功能仿生由于其应用的广泛性、实用性和自然性，让我们在使用相关产品时几乎忘了这些产品功能本身的源头是大自然的生物。3.结构仿生设计结构仿生是以研究生物结构为主，以工程力学原理为基础，进而对材料、结构、系统进行仿生模拟，以此设计和优化产品结构[3]。比如，在直升飞机中就运用了结构仿生设计。飞机在高速飞行时，常会引起共振现象，甚至会折断机翼引起飞机失事。昆虫早在三亿年前就飞翔在空中了，它们却没有颤振的危险。生物学家通过研究发现昆虫每个翅膀前缘的上方都有一块深色的角质加厚区——翼眼或称翅痣。这一区域直接影响昆虫的飞行稳定。根据这一发现，人们在飞机的两翼上加上了平衡重锤，使得这一问题得到解决。在如今科技发达的现代社会中，人们依然在设计中运用结构仿生并达到了极好的效果。德国工程公司Festo根据象鼻子的结构特点，创造了新式的象鼻机械臂（见图2），先进的仿生设计使它能灵活地搬运沉重的货物，并进行伸缩和弯曲动作，使机械臂的性能在灵活度、伸缩性和柔韧度上都提升到了新的高度。4.色彩仿生设计美国视觉艺术心理学家布鲁莫曾说：“色彩唤起各种情绪，表达感情，甚至影响我们正常的生理感受。”色彩仿生通过借鉴和运用生物的颜色，能够为产品设计提供多样的色彩方案，为产品吸引消费者和实现价值发挥着极其重要的作用。玫瑰红、宝石蓝、咖啡色等等诸多颜色都是提取自自然，自然万物丰富的色彩不仅为人们的视觉审美提供了丰富的资源，也为更好地实现产品功能，保护用户的安全提供了设计思路。例如，军用迷彩服和汽车就是借鉴变色龙的伪装原理，运用自然环境中的颜色，降低在自然环境中的辨识度，达到安全保护的作用。还有在工业生产和机械操作中，我们广泛采用黄蜂的黄黑色搭配（图3），以警醒人们注意安全。5.肌理仿生设计借鉴和模拟自然物表面的纹理质感和组织结构特征属性，发挥产品的实用性，以及表面纹理的审美、情感体验，即为产品的肌理仿生设计[4]。肌理仿生设计不仅能够让用户体验到有如生物对象表皮的质感，还能通过对生物表皮机构的运用实现特殊功能。在现代服装设计和一般工业产品设计中，模拟动物皮革或皮毛的设计非常多见，人造皮革已经成为设计应用中最广泛的材料之一。荷叶表面是由很多密集排列的突起组成，它们之间存在纳米级的微小的空隙，而在此之上还存在更为细小的突起，形成双重的结构突起。水滴在荷叶上极易滚动，与此同时带走尘埃细菌。荷叶表面这种不沾泥水和自清理的肌理结构原理，被广泛应用在现代工业设计中。比如，自清洁玻璃通过利用荷叶表面多尺度结构与表皮生物蜡的存在起到清洁的目的而制成，起到自清洁和防结冰的作用。

三、仿生设计在现代工业设计中的应用前景

事实上，仿生设计早已经广泛应用于工业设计中，它不仅是一种设计方法和手段，也是许多设计师所坚持的设计观念和设计思维。著名设计师科拉尼一生热爱仿生设计，设计了涵盖汽车、航天器、家具、家电等许多种类的经典仿生产品。他说：“我所做的无非是模仿自然界向我们揭示的种种真实。”[1]英国设计师亚历克斯麦克迪尔米德热衷于游艇仿生设计，设计出诸如Iwana、penna、conch等一系列仿生游艇。著名设计师罗斯拉古鲁夫的设计理念则是把抽象的大自然的事物赋予具体的有机造型。[6]随着人们环保意识和回归自然思想的不断加强，仿生设计毫无疑问会在工业设计中受到越来越多的设计师的青睐。在具体的设计方法上，随着科学技术的不断进步和消费情感化需求的不断增加，未来仿生设计也将面临诸多新的挑战。首先，仿生设计将更加科学化和高新化。比如，利用眼动跟踪技术，根据可视化和量化的数据进行形态仿生将为形态仿生设计提供更为科学合理的依据。[7]随着神经网络算法技术的提高，特别是人工智能的不断发展，仿生设计将与前言科技的结合更加紧密。比如，智能机器人通过预算行为轨迹能够打乒乓球或羽毛球。其次，仿生设计的多学科交叉融合性进一步增强。仿生设计的本质就具有学科交叉性，在今后的仿生设计中，随着“以人为本”的设计理念的进一步加强，交互体验需求和要求的增加，技术工程和人文艺术将结合更加紧密。最后，仿生设计对象将更加丰富多彩。借助微生物技术的发展和科学设备、仪器的进步，人们将会探索发现更多的生物对象，以往难以观察到的深海生物、微生物等将会被越来越多的了解。这些未知生物的形态、结构和功能必然为今后的仿生设计提供更加丰富的创意来源。总而言之，仿生设计有着越来越广阔的应用前景，合理充分地运用仿生设计既能够促进工业设计的发展，亦能促进人与自然的和谐。当仿生运用于现代工业设计时，要注意不要将形式与功能、形式与结构、形式与材料人为分离，而使得设计形神分离。在具体产品设计中，既要强调形神一体，也要强调内外一致，将自然形态与人文思想相结合。既要考虑模仿对象的自然属性,又要考虑产品的社会属性，做到“取于自然，高于自然，人与自然统一”的人文精神，只有这样方能使仿生设计在工业设计中发挥出更大的作用。

参考文献：

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第二篇：现代工业设计论文[推荐]

工业设计的现代主义论文

电技131班–––––余波 学号：1307010021 首先，很荣幸能选上谢老师的这门课，因为设计是我一直都很喜欢的事情，只是没机会去展现自我。在我的生活中，我经常会设计一些小玩意，来充实我的课余时间，即使到了大学，也是如此。为我的生活带来许多方便，但是这些东西看起来非常不起眼，毕竟没受过什么专业的教学。

在本学期的学习下来，我知道了什么才是真正的设计，什么才是好的设计。简单的来说设计就是一种创造发明，给人们带来许多的方便与快捷，设计已经融进了人们的衣、食、住、行，人们现在的生活已经离不开设计也无法离开设计。

工业设计通常又被称为“功能主义设计”，或“技术美”，或“机器艺术”。它的发展可以分为三个历程，早期的设计主要注重实用功能，不注重外观的美学艺术，更不注重人机关系。工业化、批量化的生产。中期就是后工业时代的设计，而到了现在，就是后现代主义设计。它流行始于70、80年代的欧美。若以单纯的历史发展角度来说，最早出现后现代主义的是哲学和建筑学。当中领先其他范畴的，尤其是六十年以来的建筑师，由于反对全球性风格缺乏人文关注，引起不同建筑师的大胆创作，发展出既独特又多元化的后现代式建筑方案。后现代主义的设计它是一种反理性、将求个性、一切以人性作为前提，一切都围绕着人来设计，求的就是一个“我与别人不一样”反对设计的单一化，主张以游戏的心态来设计的一种高端艺术形态（自认为高端）其艺术风格也有很多形式，比如构成主义、抽象主义。具体点就是波普艺术、行为艺术等等。

现代主义以科学为基础，讲求理性逻辑，实验探证，并主张无神论。其中牛顿的力学理论、达尔文的进化论及弗洛伊德对自我的研究为现代主义奠定重要的基础。很多现代主义者认为,透过拒绝传统,他们可以从根本上发现新的方法去创造艺术。总的说来，现代派艺术家重感性和主观内在的精神表现，用感觉代替观察，运用综合、抽象和半抽象代替具象，不再表现客观存在的形，而努力追求发掘自我心灵的形，否定艺术的功利性，认为艺术只是有意味的形式。现代艺术是传统艺术发展的必然，也是现代社会在艺术家精神上反映的产物。

而今天，在设计上却出现很多的问题。身边就有很多这样的问题。比如建筑的设计就有很多不合理的地方，首先就是自然采光、这问题还没有引起规划部门、发展商、建筑师的高度重视，这一点不仅表现在朝向与门窗设计上，同时，也体现在很多建筑相互之间的间距上。再如空间上，楼层很低很低。还有在比如像我们这样的大学，高中等。没有残障人士专用通道，安全出口。楼梯狭窄过道拥挤。虽然在新校区那边貌似有了这方面的改善。环保问题也是需要设计师们和消费者引起高度注意的一个问题。积极主动地使用一些无毒，无污染的装修材料，更换绿色电器，选购一些可循环材料制成的家具，减少木材的使用都会对保护环境，提高下一代的环保意识起到实际的促进作用。

公共场所上的设计不足。公共标识缺失，这是一个比较普遍的问题，比如在一些公共游泳场，儿童在玩耍，而游泳池的水位也很深，但很多这样的场所却没有发现“儿童游玩须家长陪同，请勿戏水”的警示。这确实应该设立一个警示牌，毕竟不会游泳儿童在游泳池里玩耍是十分危险性。在贵阳机场出口一条繁忙道路的一人行横道，我们看到，从这里横过马路的行人很多，但却没有一个对车辆提醒行人的黄色标志牌，很多车辆从这里经过时也不减速，这样容易造成事故隐患。

标识系统过于孤立混乱，这是现代中国许多城市存在的最为严重的问题，城市标识是一个城市视觉文化不可缺少的一种表现形式，从中国整个城市发展与设计发展关系来看，城市的快速发展和中国设计行业的薄弱以及此类法制不健全形成也明显的对比，如很少从整个室外环境考虑，使标识牌显的突兀，和整个外部环境不协调。而且对整个城市的标识系统政府没有一个统一协调的规划，这就使得在需要时临时决定标牌的位置、材质、大小等等，再加上不同的公司进行设计，一些单位设置标识时随意性很大。有的设计人员没有受过专业培训，不了解有关标准，只从自己的创意出发。从风格上不能统一把握，所以整个城市标识系统处一种混乱分割的局面。

设置不合理，设置不合理主要表现在标识牌的位置、大小、材料等等。标识牌在造型、设置和布局等方面应严格遵循国际标准、国际惯例，深蓝色为底色，工艺讲究，美观醒目。在设置方面，根据人们的行为习惯和人体工程力学的原理，控制标牌的高度、视距、间距以及字体大小等，其中远视距为25到30米，中视距为4到5米，近视距为1到2米；悬挂高度为2到2.5米；中英文字体的大小比例为31；字体以标准中文黑体字为主，连续设置的间距为50米。（此数据仅供参考）另外，有些标识牌在位置上也存在问题，如被大型物体或者建筑、树木等遮挡，也会给人们带来很大的麻烦。

很多地方只注意设置提示标识，而忽略了导向标识的设置。在材料的选择上，应该充分考虑室外因素，比如高、低温度，雨水量等，在安顺黄果树一带，室外的标识牌大多采用木与不锈钢材料，这样只考虑到美观而忽视了其材料的局限性。南方雨水较多，木材的标牌容易变形腐朽。

第三篇：仿生材料在环境保护中的应用现状与前景

仿生材料在环境保护中的应用现状与前景

摘要：仿生材料是材料学科的一个新的研究领域，本文介绍了环境材料的研究现状，指出环境材料的合理应用在环境保护中发挥的重要作用，并从仿生材料科学与工程以及净化环境的观点介绍了仿生材料材料的主要研究研究现状及其环境保护中的应用现状与前景，并展现与生态环境协调的材料和系统的构思。关键词：仿生材料、环境材料、环境保护 前言：

材料是直接或间接利用自然资源来制造成有用物件的物质[1],是人类社会文明进步的物质基础和先导，材料科学家把材料科学与工程定义为关于材料的组成、结构、制备工艺与其性能及使用过程间相互关系的知识开发及应用的科学[2]。长期以来，材料的生产—使用—废弃过程，可以说是一个提取资源，再大量地将废弃物排回到环境之中的恶性循环过程。在这一过程中，人们在材料设计时很少注意到自然资源和生态环境对此恶性循环的承受能力。基于此，曾汉民提出了促进可持续发展的材料设计与自然资源密切关系的模式[3]，它充分反映出材料的设计、应用与环境、资源的和谐、协调。他认为化学组成、物理结构是材料的2个基本要素，决定了材料的性质、使用性能和制备工艺。同时，这些因素与环境及资源都紧密相关且相互作用。

所谓生态材料(eeomaterials)系指从生态学角度构思与环境协调的材料。随着社会的发展，资源消耗急速增加，大量废弃物及有害物的排出，使周围环境、地球环境日益恶化。21世纪世界人口将突破100亿，为了解决资源和环境的协调问题，必定要在材料科学与工程学科的发展中反映环境意识[4]。

在环境材料中有一类是仿生材料，它指模仿生物的各种特点或特性而开发的材料。我们在现实生活中接触过许多动物与植物，他们都属于生物的范畴。在地球上所有生物都是由理想的无机或有机材料通过组合而形成，例如能够跳动80年都不停止的人类心脏，几乎不发热量的冷血昆虫。从材料化学的观点来看，仅仅利用极少的几种高分子材料所制造的从细胞到纤维直至各种器官能够发挥如此多种多样的功能，简直不可思议。因此，仿生材料学的研究内容就是以阐明生物体的材料构造与形成过程为目标，用生物材料的观点来思考人工材料，从生物功能的角度来考虑材料的设计与制作[5]。但是迄今为止该学科未开拓的领域和未解决的问题非常之多，可以认为仿生材料学的学科体系还没有完全形成。

1、生态材料的仿生领域 1.1仿自然材料

自然界中的物质和生物经数亿年以上的进化，迄今已具有最适宜的结构。由生态材料的观点考虑，这些生物消耗适度物质和能量而生存，能适应环境，当其主要功能丧失后，转变为夭然存在的材料。如树苗吸收太阳的能量、水分、CO2及土壤中的养分成长为树木。树木死亡后细胞木质化、心材化便得到可再生的资源，其材料化过程耗能430kWh/t，要比炼铝的17000Wh/t和炼钢的2700Wh/t小得多，而且废木料燃烧时放出的热能可再利用，在自然界中废木料经细菌作用可再循环。木材和人们关系密切，因它具有高绝热性、容积比热大可调节室内气温；它的近表面的微粒子状物质的扩散反射，能很好地吸收紫外线，反射率低适应人眼的视觉；此外它为多孔性结构，含有水分和空气，而内部的空气层有吸音和隔音性能。

又如日常接触的土壤具有许多优异的功能。土壤是支撑动、植物活动的结构材料，具有通透空气和水并保持它们存在的功能；土壤中存在荷电物质故有离子交换功能。

天然材料的自然循环特性是显而易见的，如源于岩石的石材复合结构中各种矿物经水合、水解，相应成分溶解使母材解体，而残留于土壤中。这种天然物质长期的解体、再生的循环可于低负荷下进行。模仿这种材料的自然循环性，研究与开发了易解体材料。

实际上生物的形状及构成生物的骨和纤维等材料，其结构能很好地适应重力、风和生物本身的运动。这和材料的微结构、材料组成及结构密切相关。例如在非洲南部灼热气候中生长的称为Fenstraria的植物，其主体埋于地下，仅叶尖露出地面，此叶端相当于透明的窗，作为吸收光的入口，同时作为有害紫外线的滤光器，光通过叶内部的透明质均匀地在地下的叶壁分配。具有这种结构的光能变换元件，其单位表面积的变换效率甚高，现正以此为模式设计三维集成化器件。1.2仿生过程 为有效地协调生产物与自然环境之间的生态平衡，人们研究与开发了模仿生物功能的人工过程，兹举例说明。

(1)利用细菌过程。土壤受重金属污染可用细菌处理，如人们从重金属污染的土壤中分离出镉耐性菌，将其在含50g/m3的培养导报基上培养20h，此菌可存贮27.3mg镉，该量相当于干燥菌体重的53%。亦有用六价铬耐性菌和水银耐性霉等吸收除去Cr和Hg的报道。此外利用微生物除去活性污泥中的金属，这可能与微生物所含的多糖、蛋白质、脂质和核酸等的官能基与金属结合有关。迄今地球上存在的微生物仅很少一部分被利用。极限环境(高温、强酸性、高碱性、高盐性环境、深海底和地热等)下微生物的检索、采集、培养与利用是很有意义的课题。

(2)生物吸着过程。生物吸着是指利用生物物质吸着水溶液中的金属离子使其浓缩的过程。吸着介质可为特定的菌类和藻类，其吸着量可达33-72Omg/g。此藻类和菌类的细胞壁由蛋白质和多糖类组成，其氨基、羧基、酰胺基和羟基能与金属离子结合，故生物吸着机理是在细胞表面迅速产生离子交换反应，随之进行扩散与还原以及配位反应等。调节藻类溶液的pH可改变其离子吸附特性。利用生物物质可开发出经济的金属回收方法，但需进一步研究生物生与死时吸着机理的差异。1.3仿生科学与工程

旨在阐明自然过程的特征，且以人工的合成分子组成反应装置或机械，来模拟自然过程。以此构思金属的精制和金属化合物的合成过程。下面介绍以细抱为基本单元的物质传递控制功能，以启迪仿生的思路。

(l)选择性主动传递过程。物质经细咆膜的传递过程与一般精制和分离过程迥异。前者是以分子或离电化学位为基础的主动传递现象，对特定分子和离子传递的选择性特别受人注目。从细胞的分子生物学分析，K+在细咆内的浓度比细胞外的浓度高约20倍，Na+的浓度则相反，这是由于输运体蛋白质腺苷三磷酸酶(ATPase)将Na+向细咆外，而将K+向细胞内主动传递的结果。

为模仿细胞膜的这种选择性的主动传递过程，应设计柔性的物理或化学载体，它可使膜在低浓度侧选择性结合特定离子；而在膜的高浓度侧此离子脱离。(2)选择性被动传递过程。细胞膜由于具有离子通道开闭的门功能，它的选择性要比一般分离膜高得多。因此，仿照生体膜的离子传递体系，可将人工离子通道预埋于脂质体中，进行Co2+的选择传递研究，开发具有开关功能的特定物质传递器件或自动控制物质传递器件。

(3)利用人工微球过程。自1965年Bangham用磷脂质制成了接近细胞膜的人工脂质双层膜以来：生体膜的物理化学发展甚快。如研究与开发了微球状封闭的双层脂质体，其大小可调节(由直径25nm的微脂质体到数μm大小的红血球)。此外，模仿生体膜又制成直径μm级的微囊，其内部的芯物质和外部环境隔离成微小容器。此芯物质微粒子分散在连续介质中，由界面聚合法成膜，膜厚可在nm到μm范围调节。上述脂质体和微囊类具有物质传递控制功能。

(4)利用膜动传递过程。细胞独特的物质传递是很有意义的现象。细胞内外的蛋白质、多糖等巨大分子通过细胞膜的变形、粘连、融合和分离可在细胞内外出入，即细胞的内摄作用和细胞排粒作用。仿照细胞膜动态传递过程虽有困难，但可启发人们构思选择效率高的浓缩装置[3]。

2、仿生材料在环境中的应用 2．1人造生物纤维

最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。对蚕或者蜘蛛吐出的丝，人类自古就有很大的兴趣，这些丝纯粹是由蛋白质构成，特别是蚕丝，具有温暖的触感和美丽的光泽。二十世纪以来，人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法，此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维，例如，牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维(东洋纺)，商品名为稀苤的高吸湿性纤维(旭化成)等等。这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与内部构造取得了成功[6]。另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究(日本农业生物资源研究所)，并且对蜘蛛丝也进行了研究(日本岛根大学)，研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。2．2抗污染表面图层材料 “荷叶效应”和“非光滑表面理论”的同时发现和相继发展，展示了国内外学者在仿生学研究中的竞争和挑战。1971-1990年，Bonn大学植物学家Borthlott等[7]发现荷叶表面的乳状突起构型，研究其抗污染的自清洁效应，并将模仿荷叶所制备的纳米表面涂层材料应用于汽车制造工业和建筑工程（图1）。吉林大学任露泉等人20世纪80年代起开始研究蜣螂、蚯蚓、蝼蛄等所谓土壤动物体表不被粘附的问题。生物界存在着光滑和非光滑两种界面。传统上认为，界面越光滑，阻力越小，越不被粘附。任露泉等[8]发现，在一定的条件下，生物体的一定的非光滑表面具有减粘、脱附、降阻和耐磨效应。他们开发出仿生犁壁、推土板和不粘锅等系列的减粘脱附仿生产品（图2）。

图1荷叶表面的乳状突起和污染的自清洁效应（仿Barthlott等，1997）.左：荷叶表面排污现象；中：荷叶表面的乳状突起；右：仿荷叶涂料的自清洁效应，其中左侧为普通涂料，右侧为仿荷叶涂料（4年后）2．3仿生材料对水体中POPs的富集

POPs是指持久存在于环境中，通过食物网积聚，并对人类健康及环境造成不利影响的化学物质，具有持久性、生物累积性、长距离大气传输性和毒性。近几十年来，国内外饮用水源水中发现存在持久性有机污染物[9-11]。检测到的POPs在水体中浓度很低，甚至在ng/L~pg/L的浓度级[12-13],直接导致了监测和有效去除的困难。所以开发新型的富集材料来实现有效监测和去除POPs就显得非常重要。

在职业病毒理学和环境毒理学方面，皮肤一般被认为是有毒物质被摄入的通道。因此皮肤作为一种能够吸收有毒物质的膜受到了关注。早在1988年，Joy Houk和Richard H.Guy[14]在他们关于皮肤渗透研究模型回顾中详细介绍了1988年以前在仿皮肤渗透膜方面取得的一些研究进展。Huckins等设计了包含三油酸甘油酯的半透膜采样器(Triolein-SPMDs)应用于环境污染监测[15]，是基于模拟生物、替代生物进行环境监测构思的基础上加以设计的。低密度聚乙烯薄长带为半渗透膜，三油酸甘油酯涂布于带内，整个结构为“三明治状”层叠式。大多数的有机污染物分子通过被动扩散的方式进入膜材料并在三油酸甘油酯内得到富集。疏水性的聚乙烯薄膜表面对水分子的排斥作用导致溶解态的疏水性有机污染物通透能力差，减慢了富集速度。为此一系列以亲水性的高分子膜内嵌三油酸甘油酯的复合膜得到开发。

包含类脂的取样器件能够长期富集水体中的有毒有机污染物，适用于环境中低剂量的POPs富集分离检测，在环境监测中得到了广泛的应用。3展望

以上概要地介绍了生态材料的主要研究领域、现状及今后的发展趋势。先进国家自由市场经济的发展是以地球环境的破坏为代价的。现今环境意识已逐步为人们所共识，技术与环境的协调将促进文明。随环境经济的提出，生态材料的研究与开发刻不容缓地摆在人们面前，实际上以仿生科学与工程为基础的生态材料学的发展必将促进材料科学与工程学科的发展，无疑地将促进经济发展，并造福人类。参考文献

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[15] Huckins J N,Tubergen M W,Manuweera G K.Semipermeable Membrane Devices Containing Model Lipid:A new Approach to Monitoring the Bioavailability of Lipophilic Contaminants

and

Estimating

Their

Bioconcentration Potential[J].Chemosphere,1990,20(5):533-53.

第四篇：仿生智能材料在生活中的应用论文

仿生智能材料在生活中的应用设想

学

院：生命科学学院 班

级：1班

年级专业：11级生物科学 学

号：1109010318 姓

名：吴小华

电

话：*** 序

号：

材料是人类一切生产和生活水平提高的物质基础, 是人类进步的里程碑。随着科技的发展, 特别是20世纪80年代以来,现代航天、航空、电子、机械等高技术领域取得了飞速的发展, 人们对所使用的材料提出了越来越高的要求, 传统的结构材料或功能材料已不能满足这些技术的要求, 材料科学的发展由传统单一的仅具有承载能力的结构材料或功能材料, 向多功能化、智能化的结构材料发展。20世纪80年代末期, 受到自然界生物具备的某些能力的启发, 美国和日本科学家首先将智能概念引入材料和结构领域, 提出了智能材料结构的新概念。智能材料是指具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。

1.仿生智能材料

1.1智能材料的仿生特点

从生物学角度看，人类能够对外界做出主动性反应是因为人体具有收集、分析外界信息并做出适当反应的能力。收集信息需要“神经元”（如触觉神经、视觉神经等），分析信息需要“大脑”，对信息做出适当反应需要“肌肉”；“神经元”、“大脑”及“肌肉”相互之间的信息传递则需要“神经网络”。因此，与人类相类似，具有仿生功能的智能材料和由它所构成的系统应具备以下四个要素：

（1）含有附着的、埋入的或内在的传感器，它是智能材料的“神经元”，用以感知外界变化并收集外界信息。

（2）含有中央处理器，它是智能材料和结构的“大脑”，用它对传感器所收集到的外界信息进行分析、处理并发出适当的、适时的动作指令。

（3）有附着的、埋入的或内在的执行器，它是智能材料的“肌肉”，其作用是根据中央处理器发出的反应指令进行相应的动作，因而也称之为动作器。

（4）拥有通信网络，它是智能材料和结构的“神经网络”，担负着传感器、执行器与中央处理器相互间的信息传输任务。此外，智能材料和结构还应具有与人的骨架功能相类似的先进复合材料，用以支承、连接这些硬件系统和受控结构。由此可以看出，智能材料是一种用来描述自身含有传感器、执行器、中央处理器及通信网络的仿生材料。它具有与生物体相类似的自适应功能，能够对周围外界环境的变化作出适时、灵敏和恰当的反应。1.2智能材料的特征

因为设计智能材料的两个指导思想是材料的多功能复合和材料的仿生设计，所以智能材料系统具有或部分具有如下的智能功能和生命特征：

（1）传感功能（Sensor）能够感知外界或自身所处的环境条件，如负载、应力、应变、振动、热、光、电、磁、化学、核辐射等的强度及其变化。

（2）反馈功能（Feedback）可通过传感网络，对系统输入与输出信息进行对比，并将其结果提供给控制系统。

（3）信息识别与积累功能能够识别传感网络得到的各类信息并将其积累起来。

（4）响应功能能够根据外界环境和内部条件变化，适时动态地作出相应的反应，并采取必要行动。

（5）自诊断能力（Self-diagnosis）能通过分析比较系统目前的状况与过去的情况，对诸如系统故障与判断失误等问题进行自诊断并予以校正。

（6）自修复能力（Self-recovery）能通过自繁殖、自生长、原位复合等再生机制，来修补某些局部损伤或破坏。

（7）自调节能力（Self-adjusting）对不断变化的外部环境和条件，能及时地自动调整自身结构和功能，并相应地改变自己的状态和行为，从而使材料系统始终以一种优化方式对外界变化作出恰如其分的响应。一般来说智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分构成。

2.仿生智能材料的应用设想

2.1 在医疗方面

智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人体肌肉的平滑运动，利用其可控的形状回复作用力，灵巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。药物自动投放系统也是智能材料一显身手的领地。日本推出了一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，聚合物条带会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带。借助于这一特性，这种聚合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰岛素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作。血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人血糖浓度就会始终保持在正常的水平上。2.2军事方面 在航空航天器蒙皮中植入能探测激光、核辐射等多种传感器的智能蒙皮，可用于对敌方威胁进行监视和预警。美国正在为未来的弹道导弹监视和预警卫星研究在复合材料蒙皮中植入核爆光纤传感器、X 射线光纤探测器等多种智能蒙皮。这种智能蒙皮将安装在天基防御系统平台表面，对敌方威胁进行实时监视和预警，提高武器平台抵御破坏的能力。智能材料还能降低军用系统噪声。美国军方发明出一种可涂在潜艇上的智能材料，它可使潜艇噪声降低60 分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。2.3智能皮肤

研制出触觉灵敏、能够自我修复、自我愈合的“智能皮肤”是人类梦寐以求的愿望，如今这一理想正在变为现实。用光纤材料或高分子材料制成能像人的手那样可以“感觉”和“动作”的传感器与执行器；运用电子技术和计算机技术制造出能够像人的大脑那样可以分析判断、逻辑推理及综合理解的微型数据信息处理系统；将这些传感器、执行器及控制系统埋入到结构材料之中就形成了一种具有类似人皮肤那样功能的复合智能材料结构。这种“智能皮肤”不仅可以用来制成飞机的机翼和机身的蒙皮，以防止鸟撞飞机等意外事故的发生；而且，它还可以用在潜艇上，吸收来自声纳的反射波，使其摆脱敌方声纳系统的监控，成为一个真正的“秘密”武器。2.4智能生活用品

在日常生活方面，智能材料结构也具有广阔的应用前景。在不久的将来，家庭中由智能材料结构制成的物品到处可见：坐椅可根据人的体型调整其形状和温度，使人能更好地解除疲劳；餐桌可使用磁感应来保持食品的温度；墙壁上的智能装饰材料能够改变颜色和纹路，使人们免受洗衣机、吸尘器、抽油烟机等家电带来的噪声之苦；由电致变色智能材料制成的“智能灵巧窗”可以随气候的变化和人们的活动而自适应地调节热流和采光。此外，用在高级轿车挡风玻璃上的智能雨刷可自动感觉雨量的大小并将其调节到最佳的运动速度。“随身听”是当代青年人所喜欢的娱乐用品之一。它上面的磁头定位器是由智能材料———压电陶瓷晶片制成的。这种压电陶瓷定位器可以控制磁带始终垂直地贴紧磁头，精确地沿着磁道轨迹运动，使我们能够听到悦耳动听的音乐。

3.结束语

仿生智能材料现已成为材料科学中的重要研究课题，各国科学家正为此不懈地努力，相信终有一天会出现各种实用的仿生智能材料。

附：参考文献：

[1] 张文毓.仿生智能材料研究进展[J].船舶物资与市场.2010(06)[2] 张青,戴起勋,赵玉涛,程晓农.仿生材料设计与制备的研究进展[J].江苏大学学报(自然科学版).2003(06)

[3] 谢建宏,张为公,梁大开.智能材料结构的研究现状及未来发展[J].材料导报.2006(11)

第五篇：现代工业设计有感

设计作为人类活动的延续和发展，有着悠久的历史，它是一门古老而又年轻的学科。设计作为一门独立完整的学科经历了漫长的演变和发展。人类设计活动的历史大致可以划分为三个阶段：设计的萌芽阶段、手工艺设计阶段和现代设计阶段。而现代设计又可大致划分为三个发展时期。第一个时期是1750年-1914年，现代设计的酝酿探索时期，在此期间发生了轰轰烈烈的工艺美术运动和新艺术运动，新旧设计思想开始交锋。第二阶段1915-1939年，这是现代设计形成发展时期，现在设计的理论和时间在这一时期有所突破。第三个时期是在第二次世界大战之后，这一时期设计与工业生产和科学技术紧密结合，因而取得了重大成就。

然而我们经常说到的现代设计是以现代主义的理念贯穿整个设计过程的设计活动，它是基于现代社会、现代生活的计划内容，受现代市场、一般心理学、人体工程学约束，具有高度应用性的设计活动。主要包括:现代建筑设计、现代产品设计、现代平面设计、广告设计、服装设计、纺织品设计、为平面设计和广告设计服务等等。但是现代设计是一个不太准确的称谓，与其说是一个设计风格概念，还不如说是一个时间概念来得准确。应该说是它是现代建筑、现代工业产品、现代平面设计的总称

通过学习和总结《世界现代设计史》的《世界现代设计》

（一），让我对世界现代设计又一次深入的理解。从设计的萌芽阶段到今天提倡的绿色设计，生态设计等现代设计观念，是经历了多风格变化，设计师们的亲身体验不断演变和发展的。主要从斯堪的纳维亚的五国，日本，意大利，英国等几个欧洲国家，在建筑设计，家居设计，产品设计，服装设计进行说明各个国家现代设计的发展和特点，在面对影响最大、最流行的设计风格-国际主义设计风格，各个国家是如何保持自己本民族、本地区的文化和设计特点的。

斯堪的纳维亚国家有着独特的地理位置和悠久的民族文化艺术传统。在艺术设计领域至今还保持着自己的艺术特色，设计的文化品位和艺术精神。他们倾向于一种手工艺观念和工业设计混合体，使得北欧的家具，灯具等工业设计有着简朴，而又有一种温和高雅德形态，天然材料，色彩明亮是中产阶级式的，却又是民主大众的。但是自从20世纪初以来北欧设计更代表一种生活方式：他们的设计原则是设计是用来配合人类及其环境进入自然状态的，因而设计的产品都是与人的比例和舒适（人体工学），需求（功能主义）和精神（美观）相关联。从而可以看出北欧的设计思想主要有重视产品的经济法则和大众设计，即价廉物美；强调有机设计思想和产品的人情味，善用自然材料；提出以人体工学为原则进行理性设计，突出功能性。北欧的家具设计闻名于世，其中最为著名的是家具的弯木生产工艺。设计师非常注重木材的加工处理被称为“有机功能功能主义”，例如著名的家具设计师啊纳 雅各布森，他以人体功能学的尺度为依据，将刻板的功能主义形式转化成优雅的形式。1952年他以热压的方法，将胶合板弯曲成一个整体的曲面，制成一张三条钢管腿制成的胶合板椅子。

从《世界现代设计史》中可以知道，谈到世界现代设计的发展不得不提到意大利，因为在20世界50年代以后意大利称为现代设计最活跃的地方。意大利的设计既不同于商业味极浓的美国设计，也不同于传统味极重的斯堪的纳维亚设计。意大利绝不抄袭他人，一直专心发展出自己的设计体系，因而形成了一个与众不同的意大利设计系统。意大利人视设计为一种文化，哲学，而不仅仅是理论和实践。它的设计是传统工艺、现代思维，个人才能，自然材料，现代工艺、新材料等为一体的综合设计。他们能实用主义和技术知识与坚实古典文化相结合，从而使他们的设计从战后至今都打上了自己的烙印，表达了一种充满想象和个性的设计文化，赋予人性和诗意的价值。在工业设计的进程中，他们一方面引进现代批量生产方

式，一方面又尊重传统工艺。正是由于他们能够坚持民族特色才使意大利称为首屈一指的设计力量。意大利只通过短短那个世界的时间，把自己从二战时期的废墟中建成一个工业大国，而它的设计在促进国家繁荣富强的过程中扮演了重要角色。目前，意大利的设计是杰出设计的代名词。

而与意大利不同的日本是一个吸收和包容外来文化很强的国家。自从第二次世界大战以后开始发展现代设计以来，它的传统设计基本没有因为现代化而被破坏。它的传统设计和现代设计一样，都达到几乎完美的地步，都是令人侧目的。因为日本在面对国际主义市场的到来，日本现代设计实行传统与现代双轨并行体制，针对日本国内市场与国际市场不同的两种设计体制。世界上很少国家能够在发展现代化时能够完整地保持、甚至发扬了自己的民族传统设计。

我们从日本的发展历史可以知道，日本文化中之所以出现这种双重性，也是有历史原因的。首先，日本总体文化多元化，日本人珍惜他们辛辛苦苦学习和发展出来的每一个文化体系、每一个文化模式、每一个文化类型，尽量做到兼收并蓄，所以他们使每一个模式与类型都得到发挥。此外，是日本人的哲学观念影响。他们一向认为世界的发展是比较辨证的，宇宙一切都像四季，变化交替，周而复始，循环不已，因此在设计上不追求永世不变的单一标准，而更加具有宽容，在观念上和设计上更加具有高度的弹性。

在我们读完日本现代设计史之后，其实日本对于传统设计的完整的保护和发展是最值得大家钦佩的。从总的来看，日本人把不少传统的东西都保存完好，并且和现代设计的内容融合一体。比如：日本的传统食品、传统服装、传统包装与平面设计、传统建筑等等，都具有相当高水平的传统保存因素。日本的传统食品，如寿司、甜不辣、米酒等等，基本没有什么本质的变化。日本的传统服装，比如美丽的和服，包括和服的丝绸、刺绣、印染设计在内，都具有高度的传统性，完全没有受现代服装的影响。具有相当鲜明的民族特征，在世界包装当中独树一帜，不但受到人们的喜爱，同时还影响到远东不少国家的包装设计。因此，我们可以看出日本现代设计的道路，是一条双轨并行的道路：传统和现代设计平行发展，互相不干预，但是在可能的时候也互相借鉴。现在，日本设计是良好设计的同义词，日本制造是优秀产品的同义词。

英国是现代设计运动产生的国家之一，这个曾经是世界上最强大的国家，但是已经逐步的衰退了，无论国力还是政治影响都无复往昔。在当别的国家实行现代设计时间的时候，英国还停留在理论的探讨上，而没有能够在设计实践上发展，因此，英国的现代设计有相当一个时期是落后于国际水准的。

与意大利人不同，英国对于凡是与文化这个字眼联系的设计问题都非常怀疑，他们不喜欢把设计当作文化来看，因为文化这个词近来已经成为商业化的代名词了，采用文化这个字眼，会有商业化的嫌疑。因此，英国设计家往往采用传统这个字眼，比较不容易与商业化联上。而传统这个字眼，则又与比如古典的、历史的、英国的内容联系，所以，英国设计家在很大程度上具有强烈的设计风格历史化倾向。因而，自然对战后现代主义，或者国际主义设计风格，特别是米斯·凡德洛的“少则多”原则非常反感。虽然从总体来看，英国的现代设计并不太强，但是，具体到商业室内设计和展示设计来看，英国则具有很特别的优势。比较具有国内和国际影响的室内设计集团是康兰设计集团，这个集团从事大量的商业室内设计和企业形象设计，成绩显著，并被评论界称为“高街风格”。

与英国隔海相望的法国，设计上则有与其它各国不同的发展方式。法国的现代设计是基于法国悠久的设计传统的，这个传统的核心内容具有强烈的法国资产阶级味道，即设计是

为富裕的上层人的活动，设计的内容是豪华、奢侈的产品，设计不应该是民主的、大众的，而应该是权贵的、高尚的。里兹·戴维斯曾经说：法国的设计就是豪华的的设计，高尚的设计。”这种情况，自然造成法国设计，特别是与百姓生计密切相关的工业产品设计、普通的平面设计的水平落后于其它国家。法国强烈的民族主义情绪，使法国人对于他们厌恶的美国式的设计非常反感，以至在1983 年正式由法国政府下令，禁止使用具有强烈美国色彩的设计这个字眼。这种以民族情绪取代科学的方法，显然是非常愚昧的。

在强烈的民族情绪和民族主义精神影响下，法国政府希望能够通过设计，特别是宏大的建筑和工程项目，来表达法兰西民族的伟大，这种情况造成法国政府项目的宏大和国计民生的产品设计水平的萎缩形成鲜明对比。法国前任总统佛朗斯瓦·密特朗对于设计非常重视，他在任期间努力形成法国设计的面貌，法国政府全力支持一些重大的设计项目，比如美籍华人设计家贝幸铭设计的罗浮宫大玻璃金字塔；英国设计家里查·罗杰斯设计的蓬皮杜文化中心；都是这种国家主义精神下的作品

从上面各个国家的现代设计的发展，我们可以知道由于各个国家现代设计起步时间不同，设计的基础不同，同时受本国传统文化的影响，现代设计的思想、原则、特点都不尽相同。国际主义设计对各国的现代设计产生了非常之大的影响。但是，国际主义设计对现代设计的发展是双面的影响我们大家都清楚，一方面，国际主义设计方向比较统一，目标群体明确，设计者更容易把握设计方向，但是也会产生程式化、统一化。如同日本针对国内市场和国际市场的不同的设计风格和价值取向，采用了传统与现代双轨并行体制。因此，对于我们学设计的学生来说，面对设计的全球化，一定要把本民族的文化特色与国家文化相结合，在满足国际消费市场上的基础上，把本民族的文化发扬光大。