(共38张PPT)
——向自然学习
热爱自然、保护自然、自然和谐相处，我们就会从自然中获得智慧和灵感
仿生设计
仿生学
在20世纪60年代，1960年9月13日，在美国召开的第一届仿生学研讨会上，斯蒂尔博士首次提出了仿生学(Bionics)的概念，并定义仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学，简而言之，仿生学就是“模仿生物的科学”。
性质
仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门模仿生物系统并具有生物系统特征或类似特征的新兴边缘科学。
仿生学的研究主要包括三个阶段
首先是根据工程技术的目标、任务进行生物相关性的基础研究或者以生物学的发现与研究成果为启示和基础筛选出对其他科学技术有意义有价值的内存；
然后对基础研究的成果进行分析、综合，并提炼、概括出相关理论和概念，揭示内在规律，建立数学模型；
最后在前两个阶段的基础上进入具体模拟研究、试验制造的应用研究阶段，最终创造出人工化的成果。
方法
复制不是仿生学的研究目的，对生物系统工作原理的本质认识、理解和应用是最终目标。在这个过程中发散性地进行类比、模拟和模型化是仿生学研究的主要方法，数学模型是从生物原型到应用模型的关键。
但是对复杂生物系统的认识往往是一个长期的研究过程，并依赖于先进科学技术的支持，需要多学科的交叉、合作，所以仿生学的研究是一个系统工程，存在相当大的难度。
仿生学研究的分支
力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息和控制仿生等
电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生、人体的仿生、宇宙仿生等
形态仿生、形式美感仿生、功能仿生、结构仿生、机理仿生、色彩仿生、意象仿生
仿生设计
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。
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。
众所周知的例子
蝙蝠与声纳定位
鸟与飞机
船与鱼
对萤火虫和海蝇地发光原理的研究，获得了化学能转化为光能的新方法，从而研制出化学荧光灯等等。
肌理与质感仿生
（以纺织仿生为例）
亚马逊河流域的闪峡蝶因其翅膀的外壳和基部翅瓣中特有的周期性多层结构，使周身散发钻蓝的色彩，具有金属般的光泽。受此启发日本帝人公司开发了光显色纤维。
在研究天然蚕丝结构和性能后，成功开发了异形纤维和超细纤维等仿真丝纤维和纺织品。
肉色袜
我们的服装与仿生还有哪些关系？
孔雀裙、燕尾服、荷叶领、灯笼裤
变色龙与迷彩服
2008年奥运会上的高科技泳衣
美国华盛顿大学的研究人员正在试图揭示蜘蛛吐出的水溶性蛋白质是如何变成不溶的、强度比防弹背心还要坚韧的丝的奥秘。科学家们已开始运用仿生学理论研制人造蜘蛛丝。
功能仿生
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。
可恶的苍蝇给我们的启示？
免疫力（活蝇蛆可接种于伤口之中，起杀菌清创，促进愈合之作用。 ）
平衡能力（飞行器的平衡）
嗅觉（传感器、捕蝇器）
棘毛的作用（减粘）
超强的生殖能力（苍蝇具有一次交配可终身产卵的生理特点，一只雌蝇一生可产卵5-6次，每次产卵数约100-150粒，最多可达300粒左右。一年内可繁殖10-12代。每只雌蝇能产生2000个后代，则100只雌蝇只需经过10个世代，繁殖的总蝇数将达到2万亿亿个）
由乌龟想到的？
生命力强
静——寿命（生命在于运动？）
坚硬的外壳
（坦克）
中国人对乌龟的特殊意象？
忍辱负重？高寿？忍垢偷生 ？
电子蛙眼
青蛙的眼睛很奇怪，他们看活动的东西很敏锐，对静止的东西视而不见。人们从中得到启示，发明了电子蛙眼。
保鲜膜
结构仿生
例如：食蝇草与发卡
结构仿生
白蚁冢与建筑仿生
白蚁冢具有良好的通风、保温、保湿功能
锯齿草 与锯（鲁班）
瑞士猎人乔治从苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。
形态仿生
天鹅形的观光船 仙鹤音响
剪子
综合仿生
仿人机器人
肌肉和骨骼
——现代假肢
飞机的诞生
1870年，德国人奥托.利连塔尔制造了第一架滑翔机。利连塔尔是十九世纪末的一位具有大无畏冒险精神的人，他望着家乡波美拉尼亚的鹳用笨拙的翅膀从他房顶上飞过，他坚信人能飞行。1891年，他开始研制一种弧形肋状蝙蝠翅膀式的单翼滑翔机，自己还进行试飞；此后五年，他进行了2000多次滑翔飞行，并同鸟类进行了对比研究，提供了很有价值的资料。
莱特兄弟发明了真正意义上的飞机。在飞机的设计制作过程中，怎样使飞机拐弯和怎样使它稳定一直困绕着他们。为此，莱特兄弟又研究了鸟的飞行。例如，他们研究鶙鵳怎样使一只翅膀下落，靠转动这只下落的翅膀保持平衡；这只翅膀上增大的压力怎样使鶙鵳保持稳定和平衡。
未来的飞机是个什么样？
太阳能
袖珍
房顶是飞机场
翅膀收缩调整
可以振翅
可以俯冲空中停止
如今飞机的平衡锤仿生了苍蝇的平衡棒
汽车与仿生（案例之二）
形态仿生
汽车的功能仿生
螃蟹壳——轻而强
一种内部高压造型技术由此诞生。将金属管置于模具中，高压状态下将液压液体或气体注入金属管两端，使金属在2400巴的高压下形成模具的形状。这一技术保证了零件精准的尺寸和形状，在充分利用空间、赢得更多轴力度和硬度的同时减轻了重量。
汽车的骨架
在自然界，发泡材料出色的能量吸收性能发挥最突出的例子是猫头鹰和大象的头部，虽然象头只有几公斤，却能轻松移动几百公斤的重量。
仿制轻骨架组织———发泡金属进一步研究发现，泡孔组织结构的零部件强度/密度比极佳。如果向铝模具内充气或把将要发生化学反应的小颗粒注入铝模具，形成发泡铝的多孔组织，就能充分吸收能量，缓冲和降噪。
小阻力的外形
宝马H2R氢燃料汽车外型和设计的灵感来自海豚、企鹅的低阻身材。圆鼓的前脸、收起的尾部，极小的正锋面，成就了其0.21的阻力系数。同样，尺寸庞大的宝马7系得益于其流线造型，阻力系数也仅为0.29。
仿生机器人（案例三）
工业机器人——焊接机器人
机器人本体
某种机械手的运动简图
并联机器人
未来机器人的构想
机器人是仿生的结果，它的发展一刻也离不开仿生
学习能力、决策能力、感觉能力……
仿生设计学的研究方法
仿生设计学的研究方法主要为“模型分析法”：
1、创造生物模型和技术模型 ① 从功能出发、研究生物体结构形态——制造生物模型。 ② 从结构形态出发，达到抽象功能——制造技术模型
仿生设计学的研究方法
2、可行性分析与研究
① 功能性分析
找到研究对象的生物原理，通过对生物的感知，形成对生物体的感性认识。从功能出发，对照生物原型进行定性的分析。
② 外部形态分析 对生物体的外部形态分析，可以是抽象的，也可以是具象的。在此过程中重点考虑的是人机工学、寓意、材料与加工工艺等方面的问题。
仿生设计学的研究方法
③ 色彩分析 进行色彩的分析同时，亦要对生物的生活环境进行分析，要研究为什么是这种色彩？在这一环境下这种色彩有什么功能？
④ 内部结构分析 研究生物的结构形态，在感性认识的基础上，除去无关因素，并加以简化，通过分析，找出其在设计中值得借鉴合利用的地方。
⑤ 运动规律分析 利用现有的高科技手段，对生物体的运动规律进行研究，找出其运动的原理，针对性的解决设计工程中的问题。
仿生设计的基本程式
有些仿生设计是从生物概念开始到产品概念，有些仿生设计是从产品概念开始到生物概念，但都遵循如下基本程式：
(1)确定仿生设计概念
根据产品设计目标与产品概念的需求，明确描述仿生的思维方式和内容方向。具体来说，是对与产品构成要素相对应的自然生物形态、功能、结构、美感、意象等特征的方向性确定与描述，并与产品概念融合形成目标产品的仿生设计概念，然后在自然生物系统中寻求搜索与仿生概念相关的仿生目标对象，通过观察、认知、研究来筛选并确定对仿生设计有启迪意义的内容。
(2)仿生设计发想
所谓发想是设计活动中寻求“金钥匙”的过程，是利用一定的思考技术来帮助设计师发倔解决问题的方案。仿生设计的发想在仿生设计概念的指导下，凭借设计师感性和直观的思考，以及在对具体仿生目标对象进行进一步的认识与归纳的基础上进行设计创新的探索与尝试，然后再用理性和推理的思考方式来验证这种感性和直观认识的价值并进行修正。
(3)仿生设计提案
在完成前期设计发想的各种意向性草案以后，必须以产品构成要素为核心，综合产品设计的相关因素，先进行一次或多次的分析、评价，而后筛选出有发展可能与价值的草图，经过探讨和修正而得到比较符合产品概念和设计目标需要的若干较为详细、完善的仿生设计方案。最后对设计方案进行预想效果的表现。
作业
畅想未来的社会
计算机、飞机、机器人、交通、家居、医疗、工厂、农业、娱乐……(共32张PPT)
产品创意元素设计
仿生设计方法解析
仿生设计的基本概念
仿生设计学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，为设计提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途径。
师法自然的仿生设计是一种重要的设计方法。建构人与机器、生态自然与人造自然之间的高度和谐，是仿生设计的主要目标。
仿生设计的发展历史
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。古代庙宇中大殿之前的山门的建造，就其建筑结构来看，颇有点像大象的架势，柱子又圆又粗，仿佛像大象的腿。
我国古代劳动人民对水生动物——鱼类的模仿也卓有成效。通过对水中生活的鱼类的模仿，古人伐木凿船，用木材做成鱼形的船体，仿照鱼的胸鳍和尾鳍制成双桨和单橹，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。还有古代水战中使用的火箭武器 “火龙出水” 。
仿生设计的主要内容
1、形态的仿生
2、功能的仿生
3、结构和材料的仿生
形态仿生的分类
1）具象形态的仿生
具象形态是真实的外界形态映入眼帘刺激神经后，观察者所感觉到的存在形态。由于具象形态具有很好的情趣性、可爱性、有机性、亲和性、自然性，人们普遍乐于接受，在玩具、工艺品、日用品应用比较多。但由于其形态的复杂性，很多工业产品不宜采用具象形态。
设计案例：
设计案例：
设计案例：
8
设计案例：
设计案例：
2）抽象形态的仿生
抽象形态是用简单的形体反映事物独特的本质特征。此形态作用于人时，会产生“心理”形态，这种“心理”形态依据生活经验的积累，经过联想浮现于脑海中，那是一种虚幻的，不实的形，但是这个形经过个人主观的喜怒哀乐联想所产生的形变化多端、色彩丰富，这与生理上感觉到的形大异其趣。
形态仿生的分类
9
设计案例：
设计案例：
设计案例：
设计案例：
设计案例：
设计案例：
设计案例：
设计案例：
设计案例：
设计案例：
---形态高度的简化性和概括性
---形态丰富的联想性和想象性
---同一具象形态的抽象形态的多样性
抽象的仿生形态具有以下特征：
功能仿生设计
功能仿生设计主要研究生物体和自然界物质存在的功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新的技术系统，以促进产品的更新换代或新产品的开发。
蜻蜓的飞行原理与直升飞机
昆虫单复眼与生物显微镜
高级研究用正置生物显微镜：
内置“复眼”照明，使数码成像更为理想。
3、结构和材料的仿生
人们在“仿生制造”中不仅是师法大自然，而且是学习与借鉴他们自身内部的组织方式与运行模式。有的结构精巧，用材合理，符合自然的经济原则；有些甚至是根据某种数理法则形成的，合乎“以最少材料”构成“最大合理空间”的要求。这些为人类提供了“优良设计”的典范。
蜂巢与散热器
有效散热
节省材料
坚固(共55张PPT)
——开启新技术的钥匙
前言
信息仿生
控制仿生
拟态仿生
力学仿生
化学仿生
整体仿生
目录
前言
.仿生学的简介
.仿生学的研究
中国古汉文中的仿生思想
前言
一、仿生学简介
仿生学之起源
前言
凤蓬草 轮子
鱼尾 船橹
人眼晶状体 透镜
生物电 电池
鸟 飞机
生活中的仿生学
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
前言
仿生学的概念
前言
二.仿生学研究
仿生学是一门建立在多学科边缘上的综合性学科，包括生理学、神经学、医学、化学、数学、电子学、信息学等学科。
仿生学的相关领域
前言
生物体
生物模型
数学模型
技术模型
技术装置
仿生学的研究方法
数学
生物
电烙铁
前言
仿生学符号
.青蛙与电子蛙眼
.水母与电子耳
信息仿生
信息仿生
青蛙与电子蛙眼
神经节细胞有4种：
“边缘侦察器”、“昆虫侦察器”、“事件侦察器”、“光强减弱感受器”
青蛙的视觉系统
信息仿生
青蛙与电子蛙眼
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
青蛙的视觉系统
信息仿生
“水母耳”风暴预测仪
水母耳与电子耳
.蛇的红外探测
.蝙蝠与超声波
.蛾的反雷达技术
.动物的天然导航
控制仿生
控制仿生
蛇
田鼠
热血动物身体向外散热
蛇通过感受器
探测到热源
蛇的红外探测
控制仿生
颊窝
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
蛇的红外探测
控制仿生
飞行中的蝙蝠
超声波
声音反射波
蛾
蝙蝠的捕食
蝙蝠与超声波
控制仿生
蝙蝠的回声定位
超声信号被反射
蝙蝠与超声波
脑
控制仿生
蝙蝠与超声波
蝙蝠的声纳处理
参考波刺激
接受器
载有信息
的超声波
发出的
超声波
控制仿生
夜蛾的反雷达技术
反雷达技术使夜蛾死里逃生
控制仿生
夜蛾的反雷达技术
鼓膜器
鼓膜器
振动器
胸神经节
神经纤维
气囊
听觉
细胞
感受器
鼓膜
角质皱折
非听觉
细胞
听觉系统
控制仿生
千里迁徙
万里洄游
动物的天然导航
控制仿生
动物的天然导航
一些动物利用日月星辰导航，也有些动物利用海流、海水成分、地磁场、重力场等进行导航，为研制通讯设备和新型导航仪器提供启迪
定义 生物界中普遍存在着拟态，现将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生
拟态仿生
拟态仿生
拟态仿生
动物的拟态与保护色
拟态仿生
拟态仿生
坦克的迷彩着装
三色迷彩的德国“豹”I坦克在电视成像下的效果
拟态仿生
拟态仿生
坦克的迷彩着装
.生物与造船
.生物与飞机
.生物与建筑
力学仿生
力学仿生
生物与造船
模仿鳕鱼、鲇鱼外形建造的“复仇号”帆船
体形的模仿
力学仿生
生物与造船
体形的模仿
力学仿生
生物与造船
体形的模仿
俄罗斯海军新型核潜艇
力学仿生
生物与造船
模仿鲸的胸鳍给船装上了船鳍
结构的模仿
力学仿生
生物与造船
结构的模仿
模仿鱼和鲸体表粘液合成了几种人工粘液，以减小湍流
力学仿生
生物与造船
结构的模仿
潜水艇在航行时会造成巨大的湍流
海豚游泳时身边的水流很小
力学仿生
鹰击长空
啸傲云天
生物与飞机
力学仿生
生物与飞机
达芬奇设计的扑翼飞机
飞鸟与飞机
力学仿生
生物与飞机
飞鸟与飞机
飞鸟的体形和翅膀在滑进飞行时与飞机的飞行极为相似
力学仿生
生物与飞机
现代先进的飞机能够
模仿昆虫在空中作各
种花样演习
昆虫与飞机
力学仿生
生物与飞机
昆虫与飞机
昆虫翅膀的运动
昆虫飞行时翅膀的运动
很复杂，其角度的变化
控制比目前的飞行自动
驾驶仪还好
力学仿生
生物与飞机
昆虫与飞机
飞机仿造蜻蜓的翅膀配重防止振颤
力学仿生
薄壳结构
艺术珍品—
澳大利亚悉尼歌剧院
生物与建筑
东京中银舱体楼
力学仿生
生物与建筑
舱体结构
力学仿生
生物与建筑
圆顶屋
美国佛罗里达的
未来世界博物馆
.人工嗅觉
.仿生物膜
化学仿生
化学仿生
狗的嗅觉过程
狗的嗅觉 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
人工嗅觉
化学仿生
人工嗅觉
嗅敏检测仪
采集
系统
嗅敏
元件
放大
系统
报警系统
报警系统
电源
嗅敏电阻是一类以SnO2为主体的金属半导体，它是一种表面效应很强的材料
化学仿生
细胞膜的结构特点
仿生物膜
蛋白分子
磷脂分子
镶嵌蛋白
跨膜蛋白
(形成通道)
跨膜蛋白
细胞膜的流动镶嵌模型：(1)
脂双层形成框架；(2)蛋白质镶嵌其中；(3)具有动态特点
化学仿生
仿生物膜
人工膜
人工膜的特点 化学组成和厚度与天然膜相似：能有效地分开两种不同的水相；具有结构和化学两侧不对称性，易于操作，能用来研究膜的向量功能（如传递等）
机器人检修宇宙飞船
整体仿生
整体仿生
自动化机器
自动化机器人从月球土壤中提取气体
智能机器人
整体仿生
智能机器人
自然语言\语音\图形\图像信息
知识库
管理软件
求解问题
推理软件
智能
接口软件
内核软件（智能操作系统、
编译系统等）
并行处理体系结构
知识库
硬件
推理机
硬件
智能接
口硬件
智能计算机组成
人机接口
软件
硬件
整体仿生
智能机器人
生物计算机
生物计算机的特点
能制成超高密度的线路
能使生物本身固有的自我修复机能得到发挥 ， 即使芯片中出了故障本身也能修复 ，从而使它成为一种具有永久性的不出故障元件
只要用少量的能量就能工作 ，不存在发热问题
前言
信息仿生
控制仿生
拟态仿生
力学仿生
化学仿生
整体仿生
本章小结
