基于动物的仿生学设计.docx

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1、中国矿业大学 11-12 学年其次学期通识教育公共选修课生物材料与人体仿生作业姓名王迎春学号12105180专业年级英语 10-6二 一 二 年 四 月1基于动物的仿生设计学摘要：仿生是高科技的代名词，它是指运用尖端的科学技术，来仿照生物的各种官能感觉和思维判功能，更加有效地为人数效劳。各国都在不遗余力地加大在仿生学方面的争论。并且，随着对宇宙的开发、生疏，又将使人类不但生疏宇宙中形式的生命，而且将为人类供给崭的设计，制造出地球上前所未有的的装置，造福于人类关键词：动物；仿生学；设计引言：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根底上进展起来的一门兴

2、边缘学科，主要涉及到生物学、物理学、把握论、人机学、伦理学等相关学科。它是以自然界万事万物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“构造”等为争论对象，有选择地在设计过程中应用这些特征原理进展的设计，同时结合仿生学的争论成果，为设计供给的思想、的原理、的方法和的途径。在某种意义上，仿生设计学可以说是仿生学的连续和进展，是仿生学争论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，使人类社会与自然到达了高度的统一，正渐渐成为设计进展过程中的亮点。1. 仿生设计的历史自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理及重大制造的源泉。生物界有着种类繁多的动植物及物质存在，它们在漫长的

3、进化过程中，为了求得生存与进展，渐渐具备了适应自然界变化的本领。人类生活在自然界中，与四周的生物作“邻居”，这些生物各种各样的奇异本领，吸引着人们去想象和仿照。人类运用10其观看、思维和设计力气，开头了对生物的仿照，并通过制造性的劳动，制造出简洁的工具，增加了自己与自然界斗争的本领和力气。人类最初使用的工具木棒和石斧，无疑是使用的自然木棒和自然石块； 骨针的使用，无疑是鱼刺的仿照全部这些工具的制造、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，是人类初级制造阶段，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、外表的，但却是我们今日得以

4、进展的根底。1.1 国内渊源在我国，早就有着仿照生物的事例。相传在公元前三千多年，我们的祖先有巢氏仿照鸟类在树上营巢，以防范猛兽的损害；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制造轮子，做有装成轮子的车。古代庙宇中大殿之前的山门的建筑，就其建筑构造来看，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仿照也卓有成效。通过对水中生活的鱼类的仿照，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消灭的龙船， 多少受到了不少动物外形的影响。古代水战中使用的火箭武器 “火龙出

5、水”， 多少有点仿照动物的意思。以上事例说明，我国古代劳动人民早期的仿生设计活动，为开发我国光辉绚烂的古代文明，制造了非凡的业绩。1.2 国外渊源外国的文明史上，大致也经受了相像的过程。在包含了丰富生产学问的古希腊神话中，有人用羽毛和蜡做成翅膀，逃出迷宫；还有泰尔制造了锯子，传奇这是从鱼背骨和蛇的腭骨的外形受到启发而制造出来的。十五世纪时，德国的天文学家米勒制造了一只铁苍蝇和一只机械鹰，并进展了飞行表演。一八 年左右，英国科学家、空气动力学的创始人之一凯利，仿照鳟鱼和山鹬的纺锤形，找到阻力小的流线型构造。凯利还仿照鸟翅设计了一种机翼曲线，对航空技术的诞生起了很大的促进作用。同一时期，法国生理学

6、家马雷， 对鸟的飞行进展了认真的争论，在他的著作动物的机器一书中，介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。德国人亥姆霍兹也从争论飞行动物中，觉察飞行动物的体重与身体的线度的立方成正比。亥姆霍兹的争论指出了飞行物体身体大小的局限。人们通过对鸟类飞行器官的具体争论和认真的仿照，依据鸟类飞行机构的原理，最终制造了能够载人飞行的滑翔机。那么，在海洋中浮沉灵敏的潜水艇又是运用了哪些原理？虽然我们无据考察潜艇设计师在设计潜艇时是否请教了生物界，但是不难设想，设计师确定懂得鱼鳔是鱼类用来转变身体同水的比重，使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陆两栖动物，体育工作者就是认真争论了青蛙在水中的运动姿势，总结出一套既省

7、力、又快速的游泳动作蛙泳。另外，为潜水员制作的蹼，几乎完全依据青蛙的后肢外形做成，这就大大提高了潜水员在水中的活动力气。2. 仿生设计的进展到了近代，生物学、电子学、动力学等学科的进展亦促进了仿生设计学的进展。以飞机的产生为例：在经过很屡次仿照鸟类的飞行失败后，人们通过不泄的努力，最终找到了鸟类能够飞行的缘由：鸟的翅膀上弯下平，飞行时，上面的气流比下面的快，由此形成下面的压力比上面的大，于是翅膀就产生了垂直向上的升力，飞的越快，升力越大。1852 年，法国人季法儿制造了气球飞船；1870 年，德国人奥托.利连塔尔制造了第一架滑翔机。1891 年，他开头研制一种弧形肋状蝙蝠翅膀式的单翼滑翔机，自

8、己还进展试飞；此后五年，他进展了 2023 屡次滑翔飞行，并同鸟类进展了比照争论，供给了很有价值的资料。19 世纪末，内燃机的消灭，给了人类有史以来始终梦寐以求的东西：翅膀。不用说这种翅膀是笨拙的、原始的和不行靠的，然而这却是使人类能随风伴鸟一起飞行的翅膀。莱特兄弟制造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始终困扰着他们。为此，莱特兄弟又争论了鸟的飞行。例如， 他们争论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。后来，随着飞机的不断进展，它们渐渐失去了原来那些笨重而难看的体形，它们变的更简洁，更加有用。机

9、身和单曲面机翼都呈现出象海贝、鱼和受波浪冲洗的石头所具有的自然线条。飞机的效率增加了，比以前飞的更快，飞的更高。到了现代，科学高度进展但环境破坏、生态失衡、能源枯竭，人类意识到了重生疏自然，探讨与自然更加和谐的生存方式的高度紧迫感，亦生疏到仿生设计学对人类将来进展的重要性。此后，仿生技术取得了飞跃的进展，并获得了广泛的应用。仿生设计亦随之获得突飞猛进的进展，一大批仿生设计作品如智能机器人、雷达、声纳、人工脏器、自动把握器、自动导航器等等应运而生。目前，仿生设计学在对生物体几何尺寸及其外形的仿照同时，还通过争论生物系统的构造、功能、能量转换、信息传递等各种优异特征，并把它运用到技术系统中，改善已

10、有的工程设备，并制造出的工艺、自动扮装置、特种技术元件等技术系统；同时仿生设计学为制造的科学技术装备、建筑构造和工艺供给原理、设计思想或规划蓝图，亦为现代设计的进展供给了的方向，并充当了人类社会与自然界沟通信息的“纽带”。3. 仿生设计学的特点与争论内容仿生设计学是仿生学与设计学相互穿插渗透而结合成的一门的边缘学科，其争论范围格外广泛，争论内容丰富多彩，特别是由于仿生学和设计学涉及到自然科学和社会科学的很多学科，因此也就很难对仿生设计学的争论内容进展划分。这里，我们是基于对所模拟生物系统在设计中的不同应用而分门别类的。归纳起来，仿生设计学的争论内容主要有：1、形态仿生设计学争论的是生物体包括动

11、物、植物、微生物、人类和自然界物质存在如日、月、风、云、山、川、雷、电等的外部形态及其象征寓意，以及如何通过相应的艺术处理手法将之应用与设计之中。2、功能仿生设计学主要争论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筑的技术系统，以促进产品的更换代或产品的开发。3、视觉仿生设计学争论生物体的视觉器官对图象的识别、对视觉信号的分析与处理，以及相应的视觉流程；他广泛应用与产品设计、视觉传达设计和环境设计之中。4、构造仿生设计学主要争论生物体和自然界物质存在的内部构造原理在设计中的应用问题，适用与产品设计和建筑设计。争论最多的是植物的茎、叶以及动物形体、肌肉、骨骼的构造。从国内外仿

12、生设计学的进展状况来看，形态仿生设计学和功能仿生设计学是目前争论的重点。4. 仿生设计学的争论方法仿生设计学的争论方法主要为“模型分析法”：1、制造生物模型和技术模型首先从自然中选取争论对象，然后依此对象建立各种实体模型或虚拟模型， 用各种技术手段包括材料、工艺、计算机等对它们进展争论，做出定量的数学依据；通过对生物体和模型定性的、定量的分析，把生物体的形态、构造转化为可以利用在技术领域的抽象功能，并考虑用不同的物质材料和工艺手段制造的形态和构造。 从功能动身、争论生物体构造形态制造生物模型。找到争论对象的生物原理，通过对生物的感知，形成对生物体的感性生疏。从功能动身，争论生物的构造形态，在感

13、性生疏的根底上，除去无关因素，并加以简化，提出一个生物模型。比照生物原型进展定性的分析，用模型模拟生物构造原理。目的是争论生物体本身的构造原理。 从构造形态动身，到达抽象功能制造技术模型依据对生物体的分析，做出定量的数学依据，用各种技术手段包括材料、工艺等制造出可以在产品上进展试验的技术模型。牢牢把握量的尺度，从具象的形态和构造中，抽象出功能原理。目的是争论和进展技术模型本身。2、可行性分析与争论建立好模型后，开头对它们进展各种可行性的分析与争论： 功能性分析找到争论对象的生物原理，通过对生物的感知，形成对生物体的感性生疏。从功能动身，比照生物原型进展定性的分析。 外部形态分析对生物体的外部形

14、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。 颜色分析进展颜色的分析同时，亦要对生物的生活环境进展分析，要争论为什么是这种颜色？在这一环境下这种颜色有什么功能？ 内部构造分析争论生物的构造形态，在感性生疏的根底上，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。 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展争论，找出其运动的原理， 针对性的解决设计工程中的问题。5. 动物仿生设计案例5.1 蝴蝶五彩的蝴蝶颜色粲然，如重月纹凤蝶、褐脉金斑蝶等，尤其是萤光翼凤蝶， 其后翊在阳光下时而金黄，时而翠绿，有

15、时还由紫变蓝。科学家通过对蝴蝶颜色的争论，为军事防范带来了极大的稗益。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范设施。苏联昆虫学家施万维奇依据当时人们对伪装缺乏生疏的状况，提出利用蝴蝶的颜色在花丛中不易被觉察的道理，在军事设施上掩盖蝴蝶花纹般的伪装。因此，尽管德军费尽心机，但列宁格勒的军事基地照旧无恙，为赢得最终的成功奠定了坚实的根底。依据同样的原理，后来人们还生产出了迷彩服，大大削减了战斗中的伤亡。人造卫星在太空中由于位置的不断变化可引起温度突然变化，有时温差可高达两、三百度，严峻影响很多仪器的正常工作。科学家们受蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照耀方向自动变换角度而调整体

16、温的启发，将人造卫星的控温系统制成了叶片反两面辐射、散热力气相差很大的百叶窗样式，在每扇窗的转动位置安装有对温度敏感的金属丝，随温度变化可调整窗的开合，从而保持了人造卫星内部温度的恒定，解决了航天事业中的一大难题。5.2 甲虫甲虫防卫时，可喷射出具有恶臭的高温液体“炮弹”，以迷惑、刺激和惊吓敌害。科学家将其解剖后觉察甲虫体内有 3 个小室，分别储有二元酚溶液、双氧水和生物酶。二元酚和双氧水流到第三小室与生物酶混合发生化学反响，瞬间就成为100的毒液，并快速射出。这种原理目前已应用于军事技术中。二战期间，德国纳粹为了战斗的需要，据此机理制造出了一种功率极大且性能安全牢靠的型发动机，安装在飞航式上

17、，使之飞行速度加快，安全稳定，命中率提高，英国伦敦在受其轰炸时损失沉重。美国军事专家受甲虫喷射原理的启发研制出了先进的二元化武器。这种武器将两种或多种能产生毒剂的化学物质分装在两个隔开的容器中，炮弹放射后隔膜裂开，两种毒剂中间体在弹体飞行的 810 秒内混合并发生反响，在到达目标的瞬间生成致命的毒剂以杀伤敌人。它们易于生产、储存、运输，安全且不易失效。萤火虫可将化学能直接转变成光能，且转化效率达100%，而一般电灯的发光效率只有 6%。人们仿照萤火虫的发光原理制成的冷光源可将发光效率提高十几倍，大大节约了能量。另外，依据甲虫的视动反响机制研制成功的空对地速度计已成功地应用于航空事业中。5.3

18、蜻蜓蜻蜓通过翅膀振动可产生不同于四周大气的局部不稳定气流，并利用气流产生的涡流来使自己上升。蜻蜓能在很小的推力下飞行，不但可向前飞行，还能向后和左右两侧飞行，其向前飞行速度可达 72 公里/小时。此外，蜻蜓的飞行行为简洁， 仅靠两对翅膀不停地拍打。科学家据此构造根底研制成功了直升飞机。飞机在高速飞行时，常会引起猛烈振动，甚至有时会折断机翼而引起飞机失事。蜻蜓依靠加重的翅膀在高速飞行时平稳无恙，于是人们效仿蜻蜓在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因高速飞行而引起振动这个令人麻烦的问题。为了争论滑翔飞行和碰撞的空气动力学以及其飞行的效率，一个四叶驱动，用远程水平仪把握的机动机翼翅膀模型被研制，并第一

19、次在风洞内测试了各项飞行参数。 其次个模型试图安装一个以更快频率飞行的翅膀，到达每秒 18 次震惊 的速度。有特色的是，这个模型承受了可变可调整前后两对机翼之间相差的装置。争论的中心和长远目标，是要争论使用“翅膀”驱动的飞机表现，以及与传统的螺旋推动器驱动的飞机效率的比较等等。5.4 苍蝇家蝇的特别之处在于它的快速的飞行技术，这使得它很难被人类抓住。即使在它的后面也很难接近它。它设想到了每一种状况，格外留神，并能快速移动。那么，它是怎么做到的呢？昆虫学家争论觉察，苍蝇的后翅退化成一对平衡棒。当它飞行时，平衡棒以确定的频率进展机械振动，可以调整翅膀的运动方向，是保持苍蝇身体平衡导航仪。科学家据此

20、原理研制成一代型导航仪振动陀螺仪，大在改进了飞机的飞行性能，可使飞机自动停顿危急的滚翻飞行，在机体猛烈倾斜时还能自动恢复平衡， 即使是飞机在最简洁的急转弯时也万无一失。苍蝇的复眼包含 4000 个可独立成像的单眼，能看清几乎 360 度范围内的物体。在蝇眼的启发下，人们制成了由1329 块小透镜组成的一次可拍 1329 张高区分率照片的蝇眼照像机，在军事、医学、航空、航天上被广泛应用。苍蝇的嗅觉特别灵敏并能对数十种气味进展快速分析且可马上作出反响。科学家依据苍蝇嗅觉器官的构造，把各种化学反响转变成电脉冲的方式，制成了格外灵敏的小型气体，目前已广泛应用于宇宙飞船、潜艇和矿井等场所来检测气体成分，

21、使科研、生产的安全系数更为准确、牢靠。5.5 蜂类蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由 3 个一样的菱形组成，这些构造与近代数学家准确计算出来的菱形钝角 109.28，锐角 70.32完全一样，是最节约材料的构造，且容量大、极结实，令很多专家赞美不止。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层构造板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的抱负材料。蜜蜂复眼的每个单眼中相邻地排列着对偏振光方向格外敏感的偏振片，可利用太阳准确定位。科学家据此原理研制成功了偏振光导航仪，被广泛用于航海事业中。5.6 其它跳马蚤的跳动本领格外高强，航空专家对此进

22、展大最争论，英国一飞机制造公司从其垂直起跳的方式受到启发，成功制造出了一种几乎能垂直起落的鹞式飞机。此外，日本利用昆虫形态及特性开发研制了六足机器人等工学机器和建筑物的构造方式。昆虫在亿万年的进化过程中，随着环境的变迁而渐渐进化，都在不同程度地进展着各自的生存本领。随着社会的进展，人们对昆虫的各种生命活动把握得越来越多，越来越意识到昆虫对人类的重要性，再加上信息技术特别是计算机一代生物电子技术在昆虫学上的应用，模拟昆虫的感应力气而研制的检测物质种类和浓度的生物传感器，参照昆虫神经构造开发的能够仿照大脑活动的计算机等等一系列的生物技术工程，将会由科学家的设想变为现实，并进入各个领域，昆虫将会为人类做出更大的奉献。参考文献1.妙趣横生的仿生学 曹福成.余音 编著 学问出版社 2023.03 2.曾理江.昆虫运动机理争论及其应用J .中国科学基金3.惊异的仿生学 德.马廷.策尔西 湖北教育出版社 2023.07 4.蜻蜓膜翅构造特征和纳米力学行为及仿生分析 赵颜如5.世界科技全景百卷书科技大趋势系列10仿生学 2023.04.22 6.身边科学 365 系列：仿生科学 曹媚编著7.仿生学与现代化 智一 君惕著 湖南教育出版社 1986.03 8.仿生学浅说 日. 迁三郎 杉江升 科学出版社 1982.049.仿生学 宋建峰 北京读书堂国际文化进展责任 2023.10.08