生物模仿技术范文

导语：如何才能写好一篇生物模仿技术，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词：模糊数学；城区生活垃圾；污染防治

1 概述

随着城镇发展规模的不断扩大，城市的生活垃圾也随之大幅度增加，城市生活垃圾对居民生活环境的破坏越来越严重，治理城市生活垃圾污染对提高居民生活质量，改善居民生活环境有着举足轻重的作用，这项工作也一直受到各地政府环保部门的高多重视。因此，构建符合巢湖市城区自身特点的生活垃圾转运系统，寻求防治巢湖市城区生活垃圾污染的方法具有重要的理论和现实意义。

2 模型建立

2.1 传统综合评价模型

从众多的综合评价的方法来看，所能建立的数学模型的基本形式是多种多样的，而其中通过建立指数数学模型的方法对进行综合评价应用较为广泛，该评价方法主要如下，首先是对每个指标确定最大值和最小值，形成有效评估区间；其次，找到当前样本集合数据在第一步中所建立的区间中所处的位置；最后，将所有指数进行平均，得到一个总的综合评价指数，这种方法主要是运用了综合评分的数学思想[1]，根据这种数学思想所建立的数学评价模型如下式表达[2]：

这其中i为第i个指标，j为第j个原因分组，pj为污染因素结构权重，Ki为各指标权重，xi为基期单指标测试平均值，xij为报告期单指标测试平均值，fi为调节因子。这种评价方法的优点在于指标结构简单，只涉及到单一的指标，并且所涉及到的指标一般而言都有一定的实际意义，可以让非数学专业人士也能理解；然而不足之处在于，我们所了解的污染体系绝不仅仅是只涉及到单一的指标，而往往是一个多维度的复杂体系，另外，这样一个多维度的复杂体系中的各个指标也会随着污染种类的变化发生相应的变化，这更是一个复杂的问题，因而，仅仅用单个指标来代表复杂的污染因素将会有很大的困难，并且直接会影响到评估的有效性。本文基于模糊数学理论所建立的污染综合评价模型就能很好地避开传统模型的难点，具有较好的可行性。

2.2 基于模糊数学理论的数学模型的建立

构建评价系数矩阵， 首先要调查所在城市的所有污染源（实际评估中可以选取几种重要的污染源），并且根据所选取的污染源所造成的严重程度予以打分，根据所打的分就可以确定一个矩阵R，这个矩阵称为指标评价系数矩阵，具体如下矩阵所示[3]。

接着，通过（3）式来计算评价权重的一个向量W，如下所示

最后，参考文献[4，5]的方法将所计算出来的权重向量予以归一化处理，并且将代表较好和较好以上级别的权重（较好及以上的权重才有评价的意义，忽略权重级别较低的指标）相加，将所得的和值乘以100，将这个值作为所研究的污染源之一的得分。

3 算例仿真

现在巢湖市城区生活垃圾进行综合评价，经过调查研究巢湖市城区生活垃圾的几个重要影响因素为：人口数量、城区面积、城市经济承载力、居民收入、消费结构、回收再利用率，以上因素通过调查统计所得数据如表1。

通过层次分析法计算出他们的权重向量：

4 结束语

根据上面的算例仿真结果，可以看出本文所介绍的评价模型较好地克服用单个指标来代表复杂的污染因素从而对评估结果的有效性不确定性的影响，并且在评价城市城区污染因素方面能够做到有效的定量分析，一定程度地保证了评价结果的有效性，除此之外，也使得评价结果更加清晰直观。正如前文所述，对于城区垃圾污染的评价来说，城区垃圾污染问题本身就是一个多维度的复杂体系所构成的，它是一个复杂且模糊性的数学问题，用模糊数学综合评价方法来进行评价具有较高的可操作性与可靠性，是一种实用且科学的方法。

参考文献

[1]L. Liu. Application of fuzzy mathematics： Shaanxi science and technology press，1996.

[2]C.L Bai， Y.Luo， The construction of students' physique monitoring and evaluation system， China'seducation，2008（9）：134-135.

[3]R. Cai， C.M Jiang， Y.D Zhen and Y.M Zhang， Establishment of Mathematical Model of National Fitness Composite Index， 2005， 25（3）： 30-32.

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关键词：生物技术专业；地方型本科高校；人才培养模式

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）28-0174-02

进入21世纪，生物产业迅猛发展，已成为增长最快的经济领域，涌现出大量生物产业成果，表明生物产业能够在环境、健康、能源和粮食等重大问题的解决中发挥不可替代的作用。国内外都高度重视生物产业的发展，纷纷制定中长期发展规划，加大投入，试图占领生物技术领域的各块高地。我国在“十一五”期间就把生物产业作为重点发展的领域，将生物产业列入战略性新兴产业；“十二五”期间制定了《“十二五”生物技术发展规划》，全面推进生物产业的快速发展。“十二五”以来，我国生物产业复合增长率达15%以上，2015年产业规模超过3.5万亿元。最近，发改委印发《“十三五”生物产业发展规（2016-2020）》，提出到2020年，我国生物产业规模达到8至10万亿元，生物产业增加值占GDP的比重超过4%，成为国民经济的主导产业。生物产业的迅猛发展，对生物技术专业人才的需求量也在逐年上升。

生物技术是一门多学科交叉融合、理论与实践并重的新型综合性学科，具有很强的实践性和应用性，在国家经济社会发展中的地位和作用日益突出。由于生物技术专业涉及的领域非常广泛，任何一个高校都不可能培养面面俱到、行行精通的生物技术人才，特别是对于一些新建地方本科院校，由于师资力量、办学经验以及生源质量等方面的限制，其人才培养模式与那些“211”、“985”等高水平大学相比有很大的不同[1]。地方型本科高校的生物技术专业在办学中一定要结合自身优势，办出特色，本文就地方型本科高校生物技术专业人才培养中存在的一些问题及改进措施进行探讨，以期为这些高校生物技术专业的发展提供新思路。

一、认清学校办学定位，明确人才培养目标

按高等教育人才培养目标定位划分，高等学校培养的人才主要有三种类型：重点大学培养的是以学术为主的研究型人才、普通本科院校培养的是以开发性和应用性为主的应用型人才、高职类院校培养是以技能为主的应用型人才。作为地方型本科高校，其主要目的是为地方行业培养各类应用型、技术型和复合型高级专门人才，培养的毕业生大多到企业、公司等生产一线从事技术工作。地方型本科高校在确定生物技术专业人才培养目标时，首先应认清自身的办学定位，制定符合学校及地方经济实际的人才培养方案。因此，地方型本科高校生物技术专业在制定人才培养方案时一定要注意立足地方实际的原则，在人才培养目标及模式上也要避开与“211”、“985”等重点大学撞车，而是需要寻找新的突破口[2]。笔者认为，这个突破口可以从两个方面来确定：一是办学实际，审视自身在多年办学中形成的特色是什么；二是要参考地方经济需求，因为地方型本科高校的生源大多都来源于学校驻地附近，学生的就业也大多会选择在学校驻地周边，因此培养地方经济发展所需要的生物技术人才尤为重要。

二、基于全面发展和重点突出相结合的原则，优化理论教学内容

生物技术专业涉及领域非常广泛，包括与国民经济息息相关的诸多产业，如农业、能源、环保、化工、医药、卫生、食品等。生物技术专业包含的理论课程非常多，包括专业基础课程（如高等数学、普通物理学、无机及分析化学、有机化学等）、专业课程（包括植物学、动物学、生物化学、细胞生物学、遗传学、微生物学、分子生物学、基因工程、细胞工程等），以及专业选修的课程（如生物统计学、生物信息学、免疫学等）等。生物技术专业总共可以开设的课程达70余门，这些课程有些内容相互交叉融合，有些课程自成体系，这么多课程在开设与否及学时安排上不可能同等对待。所以，每个高校必须根据自己的师资现状及人才培养目标，对这些课程进行有重点的教学。对于内容有交叉的课程，需要统筹梳理，进行理论教学内容的优化，精简生物技术专业的课程体系，突出重点课程。

三、强化实验课程，提高学生的动手能力和创新思维

实践能力培养对生物技术专业应用型人才培养质量来说至关重要。实践能力主要是通过实验、专业实践及生产实习来进行培养的。生物技术专业的实验课程大体可分为三种类型：一是“验证性”实验，主要是一些基础课的实验。二是“理论+技能性”实验，这些实验课程既能够验证知识，又锻炼学生的实验技能，主要是一些专业课的实验。三是“开放性”实验，是学生在掌握一定相关知识的基础上，运用已学的实验方法、自行设计实验方案，并在开放实验室独立完成，自主分析实验数据并做出相应结论，在整个实验过程中指导教师对学生只进行宏观地指导监督。“开放性”实验可以让学生主动开拓知识面，灵活运用和归纳知识，培养学生的创新思维和创新能力，对于提高学生的综合素质具有不可替代的作用。但限于经费、设备及师资力量，地方型本科院校中“开放性”实验开设较少。在生物技术人才培养中，应加大“开放性”实验的投入，改善开放实验室条件，强化“开放性”教学。同时，在实验项目的选择、教学模式等环节进行改革，提高实验教学效果，使学生能够通过实验课程真正地领会知识，掌握实验技能。

四、保障实习环节，零距离接触企业生产

实习是高校实践教学的重要组成部分，对于以培养应用型人才为主要目标的地方型高校来说，实习环节尤其重要。虽然各个高校都建有一定数量的校内外实习基地，但学生的生产实习仍面临一系列的困难。首先，校内实习基地不健全，有些实习基地专业对口性较差，难以真正起到作用。其次，已建的校外实习基地多数流于形式，虽然签有实习协议，但并没有真正执行。甚至有些学校把实习环节全部交给学生，让学生通过个人途径自行联系实习。第三，大多数学校还没有建立完善的实习考核机制，没有跟踪学生的实习过程，仅仅依靠学生的实习鉴定表就授予学分。因此，在地方型高校生物技术专业的改革发展中，切实保障实习环节的真正施行是一个重中之重。笔者认为可以从下几个方面入手：（1）通过加强校企合作来促进实习基地建设。可以聘请企业人员给学生介绍企业生产问题，与企业合作开展科技攻关、员工培训等，增强学校与企业的互动，建立良性合作关系。（2）强化实习过程管理，增强带队老师的责任感，督促学生自始至终完成实习过程。（3）建全实习考核机制，采用结果考核与过程考核相结合的原则，全面真实地考核学生在企业所学到的技能。（4）有计划地培训或引进双师型教师，完善双师型教师队伍。

五、严把论文选题，保证毕业论文质量

毕业论文是高等院校教学计划最后的也是最重要的教学环节，是本科教育人才培养计划中的重要组成部分，与本专业的人才培养质量直接相关。毕业论文在选题类型上大体可分为三种类型，即科研型、生产型和综述型。科研型论文是指论文内容主要侧重于理论研究；生产型论文是指论文内容主要侧重于实际生产应用，包括在实验室中研发、小试，或者是学生参与到一些企业的科研项目中；而综述型论文是指学生利用网络、数据库等搜集某一领域的研究现状，梳理概括，并对该领域的下一步发展提出一些展望或建议。从地方型高校的办学定位及培养目标来看，生产型论文尤其是参与企业科研的类型是最适合学生的类型，而在实际中，这一类型的论文开设很少，相反，有很大比例的学生毕业论文是综述型的，这与学校的培养目标是不相符合的[3]。因此，学校应在提高毕业论文质量上下大功夫，创造条件提高生产型论文的比例，这对于培养生物技术专业人才的应用性和实用性极其重要。发展生物技术产业已提升到国家科技重点发展的战略高度，地方型本科高校生物技术专业就是为生物技术产业的发展培养主力军和实际生产者的。地方型本科高校应以适应地方经济发展需求为目标，制定适合的生物技术专业人才培养模式。在理论教学上要以学生就业及学生自身的未来发展为导向，把握主要内容，取舍有度。通过实验教学、生产实习及毕业论文等环节，着重培养学生的实验技能和创新思维。同时，应该创造条件，让学生多走进企业，了解企业的管理模式和生产方式，还要加强对学生的就业指导，引导学生树立正确的择业观和成才观。

参考文献：

[1]王彦杰，韩毅强，晏磊，等.生物技术专业“落地人才”培养模式的探索与实践[J].安徽农学通报，2012，（18）：150-151.

[2]胡晓倩，张界，黄松.生物技术专业地方性应用型转型建设研究[J].黄山学院学报，2013，（5）：135-137.

[3]倪雯，沈露露，晶，等.生物技术专业毕业论文现状的调查分析[J].高校生物学教学研究，2015，（5）：38-43.

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关键词：大型交通建筑；建筑仿生；建筑仿生设计

中图分类号：TU248

文献标识码：A

文章编号：1008-0422(2011)08-0097-03

1　前言

随着建筑学的不断发展，建筑设计的方法越来越多。近年来，大型交通建筑设计的方法和发展趋势主要包括高技术生态设计、仿生设计、地域主义设计等等，力求以新的方法创造出新的建筑形象和更加生态化的建筑作品。经济社会的发展也为大型交通建筑的设计提出了更高的要求，建筑仿生思想作为人类传统文化中的一个要素重新引起了建筑师们的重视，利用建筑仿生方法设计出具有时代感和动感的大型交通建筑，让我们的城市空间更加美化和具有特色，从而为城市的发展做出贡献，成为对大型交通建筑设计探索的重要方向之一。

2　建筑仿生学

2.1仿生学的起源

早在远古时代人类就开始模仿自然界的生物在树上营巢，制造骨针等工具，这也许是人类最初级的有意识的创造性活动，是人类为了生存而表现出的仿生行为，也是仿生概念与思想发展的基础，是现代仿生学的雏形。

随着生产的需要和科学技术的发展，自20世纪50年代以来，生物学家和工程师们合作，开始从生物界获得知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备，将生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新的科学――仿生学。

2.2建筑仿生学的产生

公元前8000年的旧石器时代，人类的定居点就开始使用动物的皮毛和骨头作为结构来建造棚屋，这也许是人类早期比较有代表性的建筑活动之一。建筑作为人与自然的中介，既要适应人的需求，又应该与自然有机的结合。人类在建筑技术上遇到的难题，自然界中似乎早已有了相似的解答，生物学与技术科学产生了相互联系和交流的迫切需要。上世纪中期，在对生物有机体功能和结构的研究领域形成了系统的理论和经验，确立了基本的研究方法前提下，建筑仿生学作为仿生学的一个科学分支出现了。此后，随着生物学与建筑学的不断发展，建筑师和规划师以仿生学理论为指导来探索生物体的形象、功能和结构在建筑方面的应用，使建筑、人和自然成为有机的统一体。

2.3建筑仿生学的涵义

建筑仿生学从仿生学的观点出发来研究建筑，把建筑与人看做是一个统一的“生物体系”，在这个体系中，生物和非生物的因素相互作用，并以共同功能为目的而达到统一。

刘先觉在《仿生建筑文化的新趋向》中定义建筑仿生学是根据自然生态与社会生态规律，并结合建筑科学技术特点而进行综合应用的科学。

2.4传统设计观与仿生设计观的比较

在传统设计观的影响下，建筑师常常会将建筑视为静止而不可变的实体，因此在建筑与环境适应性上缺乏仔细的研究。若从仿生设计的角度出发，考察建筑所处环境，就可能对建筑师的方案有更恰当的定位。仿生设计观更加提倡尊重自然、顺应自然、合理的利用自然，如表1所示。

3　建筑仿生在大型交通建筑设计中的意义

3.1为大型交通建筑设计的创新性提供有效的设计方法

德国著名设计大师路易吉・科拉尼(LuigiColani)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。”由此可见，来源于自然的设计思想和方法应用到建筑中，可以使建筑的形象具有创新性。因此，建筑仿生设计方法的运用成为丰富当今大型交通建筑形象的手段之一。

3.2为探究大型交通建筑设计的科学性提供了良好的平台

建筑仿生设计方法的应用并不是对生物形态的简单模仿，它是通过研究生物体的形态、结构等深层原因，未进一步探讨在建筑上应用的可能性。通过这种系统性和科学性的设计方法，使大型交通建筑在功能、结构和形象中有机的结合，为大型交通建筑的设计提供理性指导。

3.3为大型交通建筑设计的可持续性提供途径

通过对大自然的理解，运用自然界中科学合理的规律来进行设计，对运用的新方法和新技术进行探讨，使建筑设计与仿生方法有机的结合，突出以人为本的理念，设计出生态化的建筑，达到环境的可持续发展。

4　大型交通建筑仿生设计方法

仿生建筑的原型来自于形态丰富的大自然，人类从大自然中得到启示，力图创造出更多新的形态，从而为人们观赏和延用。自然形态把自然界的信息传递给人类，建筑师通过对自然形态的认知，提高了建筑设计的能力。建筑仿生设计主要是通过仿生物形式美，仿生物功能和仿生物结构三个方面未达到建筑设计的目的。

4.1仿生物形式美的设计

仿生物形式美，也可以理解为一种具象的模仿，是建筑师通过对自然形象的模仿未表达自己的设计意图，从而运用到建筑造型的创作上。这种模仿很容易让人们在建筑物中发现生物体的特征，例如，鸟是天空中生物的经典代表，因而成为机场建筑里频繁出现的设计手法。

西班牙建筑师圣地亚哥-卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)的创作经历在建筑史上是非常独特的。法国里昂机场航站楼是展现卡拉特拉瓦设计地区标志性建筑的实例之一。卡拉特拉瓦说：“如果你观察20世纪的城市，会发现这些城市的区域是糟糕和丑陋的……我对于我的项目中关于城市复兴的部分非常自豪。此外，这些项目中的许多都提高了城市的机动性……。”正是基于这种设计思想，航站楼的建设不仅是要把机场高铁与其距离约20km的里昂连接起来，更重要的是地标性的建筑象征着新的交通枢纽给该地区带来的经济发展前景。

在里昂机场航站楼中，一只振翅欲飞的大鸟是最明显的动物模仿，但是这只是众多形象模仿中的一个，从正面看，这更像是一只蝴蝶，落地的V形混凝土结构与屋脊的钢拱结构相连接形成“腹部”，宽大的“翅膀”竖立于脊背之上(如图1)。从侧面看，建筑整体的弧形曲线隐喻着飞行，休・奥尔德西一威廉斯(HughAldrsey-Williams)也在《当代仿生建筑》中描述其“钻地的长鼻和带有斑纹的玻璃大厅自然而然地让人想到食蚁兽的形象(如图2)”。在内部，V形钢结构与玻璃的组合形成丰富的几何形状，不禁会让人想起蜻蜓翅膀的花纹和类似于植物叶脉交错的纹理(如图3，4)，而航站楼人行通道的拱顶不仅与动物的胸廓有些相像，还有“叶式”的天窗采光，十分好看(如图5,6)。

在建筑设计中，仿生物形式美的设计手法，使建筑的形式更别致，形象和生动，更具有表现力。人们在欣赏和审视建筑的同时，也对建筑留下深刻的印象。

4.2仿生物功能的设计

功能是指事物或方法所发挥的有利作用。建筑的功能往往是错综复杂的，如何有机的组织好各种功能形成一个综合的有机整体，自然界中的生物为我们提供了多种组合的范例。建筑与生物的区别在于，后者是可以移动生长的，由于在建筑设计中增加的机械制造，使建筑可以有轻微的移动，正是这种移动使建筑师和工程师对生物仿生产生了兴趣，使得建筑向多功能发展，在有限的空间内高效低耗的组织好各个功能的关系，突显建筑设计的实用性。

英国建筑师尼古拉斯・格雷姆肖(NicholasGrimshaw)设计的滑铁卢国际火车站，锥形不对称的建筑造型会让人联想到与动物形态的相似性(如图7)。然而这座建筑更深层次的涵义要比其单纯的形式模仿更加深刻。车站西侧覆盖的大块无数矩形玻璃板与复杂的屋顶曲线相配合，彼此像瓦一样交错搭接，机械制造使玻璃板在三个向度上都可以活动，休・奥尔德西一威廉斯(Hugh Aldrsey-Williams)在《当代仿生建筑》一书中介绍了此种特点：

每一块玻璃板的一边都通过可调节的支架悬挂在钢制结构上(如图8)，而另一边可以自由移动，下边缘被一个可折叠的垫圈垂直的封住，而附加的风挡刮水器形成了一个滑动的水平封条，这样组合的结果在视觉和工作原理上都像穿山甲或披甲蜥蜴等动物的鳞片结构(如图9，10)。这种会呼吸的鳞状物表皮结构使该车站不仅具有明显的动物形态特征，同时赋予了建筑新的生命。尽管这种活动与一个运动的生物相比微乎其微，但是得到的效果却与之十分相似。

4.3仿生物结构的设计

英国学者特奥多・安德列・库克(Theodo)曾说道：“凡精巧之建筑，其设计基础无不意味着纯结构之美……。”仿生物结构的设计主要是运用生物体和自然界物质的内部结构原理，对植物的茎、叶以及动物形体、肌肉、骨骼等结构进行研究，设计出更加坚固合理的建筑作品。仿生物结构设计已经成为建筑师设计的新原理和新方法的来源之一，在建筑设计中占有重要的地位。

以人的头骨为例，当人的大脑受到外界侵袭时，头骨中产生不同的弹性形变，保护大脑不受损伤。头骨中的骨缝参差不齐，连接的十分紧密，人们可以将这样的裂缝与建筑物混凝土墙上的接缝相比较，当建筑物受到重大撞击时，可以控制冲击力所引起的裂缝出现，不会导致其他更大的裂缝产生。埃罗・沙里宁设计的环球航空公司候机楼的屋顶就是模仿人的头骨的结构形式(如图11)，每一条曲线和每一块“骨”的衔接都遵循了结构秩序，形成自由形态的壳体结构，其造型如同飞翔的雄鹰(如图12)，是建筑与技术组构出的杰出作品。

再如卡拉特拉瓦1998年设计的里斯本东方车站(如图13)，创造性的模仿了树干分叉的生长态势(如图14)，设计的“树”形支柱与折形顶棚恰如其分的组合在一起，取得了非凡的艺术效果(如图15)。

篇4

摘要：

通过详细介绍仿生学在石油工程领域的发展现状，提出了石油工程仿生学的概念，指出了建立石油工程仿生学的必要性，概括了石油工程仿生学的特点和研究方法，并梳理了其发展趋势。目前，仿生学在钻井、管道、井筒等领域取得了实质性进展。未来石油工程仿生学研究应遵循科学的研究方法，按生物原型阶段、数学模型阶段和工程实现阶段循序渐进地加深研究成果，尽可能避免模仿的复杂性；同时加强在模仿中的创造与创新。石油工程仿生学发展应以生产中的技术需求为根本出发点，以改善现有的或创造崭新的技术系统为目的，有层次、分阶段地开展应用研究，在功能材料、表面性能、信息获取与处理、工程实现等方面为关键技术问题的突破提供创新性解决方案和技术手段，经知识积累、成果转化和工业化应用3个阶段，逐渐形成涵盖勘探、开发、工程的仿生技术体系。

关键词：

仿生学；石油工程仿生学；仿生技术体系；材料仿生；表面仿生；信息仿生；工程仿生

为了适应环境、延续生命，自然界中的生物经过亿万年的进化和优胜劣汰，造就了近乎完美的结构、形态和功能。五彩缤纷的自然界一直是人类产生各种技术思想和发明创造灵感的不竭源泉，从千百年前模仿蜘蛛织网发明渔网，到近代模仿鸟类飞翔发明飞机，再到21世纪模仿鲨鱼皮结构发明鲨鱼皮泳衣，人类一直在向大自然学习，利用仿生原理和思想推动技术进步，对仿生学的使用也从无意识向有意识转变。仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学［1］。自仿生学诞生到20世纪末，科研工作者经过几十年的探索，逐步加深了对仿生学的认识和理解，初步掌握了仿生学研究方法，完成了基础知识的积累。进入21世纪，仿生学的思维和方法迅速渗透到各个学科和行业，研究成果大量涌现，根据发表科学论文数量推断，这一阶段的成果占了总数量的近90％。在这一时期，仿生学在石油工程中也出现了应用案例，不仅利用仿生学理论解决了钻井、管道防护等技术难题，并且对石油工业的技术创新理念和思维也产生了日益重要的影响。本文介绍了仿生学在石油工程领域的一些重要研究成果，在对仿生学在石油工程领域发展历程深入分析的基础上，提出了建立石油工程仿生学的必要性，并概括了石油工程仿生学的研究特点和方法，梳理了其发展方向。

1仿生学在石油工程领域的应用现状

仿生学的本质是模拟生命系统，其学科结合和行业结合的特点促进了优秀的仿生研究成果从科学研究走向生产实践，最终投入实际应用。仿生学和石油工程的交叉在钻井、管道、井筒、油藏等领域也产生了一些研究成果。

1．1钻井领域

1．1．1仿生钻井液井壁稳定问题一直是困扰国内外钻井的难题，水平井比直井的井壁失稳问题更加突出［2］。中国石油大学（北京）根据海洋生物贻贝足丝蛋白的超强黏附能力，研制了仿生强固壁钻井液体系［3］。该技术在聚合物主链上接枝类似贻贝足丝蛋白中的一种关键基团，合成类似贻贝蛋白质的水溶性聚合物。仿生钻井液体系在岩石表面自发固化形成致密且具有黏附性的“仿生壳”，起到维持井壁稳定的作用。试验井现场钻井试验表明，该仿生钻井液体系在抑制钻屑分散、稳定井壁、携屑等方面效果显著［4］。此外，模仿细菌结构开发了含仿生绒囊的钻井液［5］，在钻井过程中无需固相即可暂堵漏失储层。目前，仿生绒囊钻井液已在煤层气欠平衡钻井、空气钻井、防漏堵漏、快速钻进等方面发挥了作用。

1．1．2仿生PDC钻头机械钻速与使用寿命是衡量钻头性能的两个重要指标［6］，聚晶金刚石复合片（PDC）钻头因其出色的切削岩石速度和较长的使用寿命已成为最常用的破岩工具之一。然而，常规PDC钻头依然存在金刚石与硬质合金结合力不足、防黏效果不明显、磨损较快等缺点，为此，吉林大学开展了仿生钻头研究工作，研发的仿生钻头已从最初的单一功能仿生，发展到目前的耦合仿生，钻头性能也由单一的减黏脱附发展到减阻、耐磨、切削效率等指标的综合提升［7－9］。仿生耦合PDC钻头借鉴了竹子中纤维素和木质素的分布方式，牙齿中有机／无机2种不同材料的梯度复合形式，树木的年轮排布，贝壳表面的非光滑形态，以及蝼蛄前足的快速挖掘特点等多种生物特性，并将其进行耦合设计，如图1所示。现场试验表明，仿生耦合PDC钻头比常规PDC钻头钻进速度提高1．5倍，缩短了施工周期，降低了钻井成本。

1．2管道防护

1．2．1仿生水草海底防冲刷技术海底管道是海上石油输送上岸的主要方式［10］，然而，海底复杂流场所引起的海底冲刷造成了管道悬空，给海洋采油安全和海洋环保带来重大风险。由于常规水下抛石、砂包堆垒、混凝土沉排垫等方法效果不理想，中国石油大学（华东）和中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司提出了一种模拟海草黏滞阻尼作用的仿生水草海底防冲刷技术［11，12］，原理如图2所示。当海底水流经过仿生水草时，其流速降低，减小了对海床的冲刷；同时，仿生水草促进海流携沙的沉降淤积，逐渐形成被仿生水草加强的海底沙洲，达到了埋管目的。现场试验表明，防冲刷仿生水草施工1年后泥沙淤积厚度达20～50cm，防护效果良好。该技术在海管悬空治理中得到了大范围推广应用。

1．2．2仿生血小板管道修复技术英国Brinker公司模仿血小板在伤口处凝结的原理，开发了一种管道修复技术［13］。在管道流体中加入Platelets微粒，当其流至裂缝处时，流体压力迫使其进入裂缝，达到阻止泄漏的目的，如图3所示。该技术已应用在BP公司Foinaven油田的注水管道和阿帕奇公司在Forties油田超期服役的原油集输管道上，为管道安全运行发挥了重要作用。

1．3井筒领域

1．3．1仿生泡沫金属防砂技术中国疏松砂岩油藏分布范围广、储量大，开采过程中必须采取防砂措施。根据骨松质的三维立体结构，提出了一种仿生泡沫金属防砂技术［14］。泡沫金属内部为三维孔隙结构［图4（a）］，砂体进入孔隙后沉积在其中，但流通孔道不会被堵死，实现了常规平面防砂到三维立体防砂的转变［图4（b）］。基于仿生泡沫金属的复合防砂管［图4（c）］，由不同孔隙度的多个泡沫金属防砂层、导流层、保护层等组成，该结构不仅扩大了防砂的粒径范围，还保障了防砂管的渗流能力和结构强度。目前，已发展出防砂粒径0．15mm、0．25mm、0．35mm的系列化仿生泡沫金属防砂工具，在油田应用5口井，对于出砂严重的井，防砂效果显著，大幅延长了检泵周期。

1．3．2仿生非光滑表面膨胀锥技术膨胀管作业过程中，膨胀锥与膨胀管内壁间存在巨大的摩擦阻力。为了降低摩擦阻力，提高膨胀锥的耐磨损性能，以穿山甲为仿生对象，模拟其体表的高强度保护鳞片结构，研发了仿生非光滑表面膨胀锥［15］（图5）。仿生膨胀锥变径段采用激光刻蚀、超音速火焰喷涂、离子束沉积等方式进行表面织构蚀刻以及表面硬质涂层涂覆。仿生膨胀锥在中国石油大庆油田进行了4井次的现场试验，结果表明，与传统胀锥相比，仿生膨胀锥降低膨胀压力15％以上，表面无明显磨损痕迹，延长了使用寿命，降低了作业风险。

1．3．3仿生振动波通讯技术自然界中，沙蝎、大象等动物能感受由固体介质即大地所传导的振动波，据此进行信息传递。受此启发，研发了一种仿生振动通讯技术［16］，该技术在井口安装大功率振动信号发生器作为波源，油管或套管为传输介质，将振动信号传输到井下，井下工具接收到振动信号并进行解调处理，实现地面和井下无线传输，技术原理和振动信号发生器如图6所示。

1．4油藏领域纳米机器人是仿生信息感知和传递的典型代表。纳米级机器人随着注入流体进入油藏中，记录分析油藏压力、温度以及流体形态，并将这些信息储存在随身内存中，之后纳米级机器人从产出流体中被分选出来，进而提供了在油藏旅途中提取的重要信息。沙特石油公司已经对纳米机器人的尺寸进行了评估，对加瓦尔油田阿拉伯－D油藏中的850块岩心进行了分析，得到了孔隙－喉道尺寸分布图，大多数孔隙喉道尺寸大于5μm。为了避免桥堵，纳米机器人的尺寸应为孔隙喉道的约1／4。目前，纳米颗粒注入试验以及软件模拟等工作已在进行中［17－19］。此外，国内外近年来提出了仿生形状记忆聚合物材料（ShapeMemoryPolymer，简称SMP）［20，21］，利用SMP材料能够在转变温度控制下随意变形的特性，设计了结构简单、座封可控的仿生封隔器，座封过程不受井下流体性质影响，胶筒尺寸可定制，并且通过调节SMP的转变温度，可适应不同井下温度，以满足不同井深条件下的完井需求。除了硬件，还出现了“软性”仿生研究成果。例如，中国科学院王守觉院士提出了“仿生模式识别”的概念，将传统模式识别的“区分”事物转变为“认识”事物，使之更接近人类“认识”事物的特性［22］。石油工作者将这一理论应用到了油气管道工况识别中，在样本较少的情况下取得了较高的识别准确率［23］。

2石油工程仿生学发展展望

目前，仿生学虽然已经在石油工程领域取得了一定的研究成果，有些甚至已经在油田现场试验，但仿生学与石油工业的结合依然只是“星星之火”，没有达到燎原之势。为了系统、全面地推动仿生学与石油工程的融合，向自然界寻找推动石油工业进步的灵感和启发，2009年中国石油勘探开发研究院成立了中国第一个石油工程仿生研究部门，开展仿生学在石油工程中的应用研究。

2．1建立石油工程仿生学的必要性经过几年探索，笔者所在的石油工程仿生研究部门开展了仿生泡沫金属防砂、非光滑表面、仿生振动波传输等多项研究，取得了阶段性成果，部分已进入现场应用阶段。总体来说，通过专项研究迅速找到了石油工程和仿生学的结合点，并从最初的研究思路转化为研究成果，成功应用于石油工程现场，解决了油田技术需求。这充分说明了开展石油工程和仿生学的结合研究是合理的、可行的，从长远来看，建立“石油工程仿生学”是非常有必要的。“石油工程仿生学”是借鉴生物系统的结构、原理、功能等特征为石油工程技术难题提供解决方案的应用科学。建立“石油工程仿生学”意味着更加系统地开展仿生学在石油工程领域的应用研究，有利于更有针对性地发掘石油工程的仿生创新源头，有利于更有目的性地开展仿生基础研究，有利于加速仿生学科研成果的应用转化，有利于仿生学思维和方法在石油工程领域的普及与传播，以点带面，促进石油工程与仿生学的全面结合。

2．2石油工程仿生学的研究特点石油仿生学研究可以分为3个阶段：生物原型阶段，数学模型阶段和工程实现阶段。首先研究生物某种功能的实现机制和结构特点；然后研究并简化其结构，抽象出物理模型，进而建立数学模型；最后采用技术手段，制备实物模型，实现对生物系统的工程模拟［24，25］。仿生学作为前沿领域，研究成果大多属探索类，注重理论性和超前性，而石油工程作为应用行业，以现场需求为驱动力，更加注重科研成果的实用性和推广性。因此，在科研实践中，石油工程仿生学应以满足生产中的技术需求为根本出发点，以改善现有的或创造崭新的技术系统为目的，有层次、分阶段地进行单元仿生或多元耦合（协同）仿生［26］研究。同时，石油工程仿生学在模仿生物的特性或功能时，要尽可能避免模仿的复杂性，要在模仿中创造（创新），研究成果与仿生原型并不一定完全相同，以期最快地解决生产实践难题，然后循序渐进地加深研究成果的仿生特性，由研究成果实用化向仿生最优化分阶段推进。根据这一特点，确定了石油工程仿生学研究和应用的2种主要方式：①需求驱动型，在石油工业的科研和生产实践中提出技术问题或功能需求，有针对性寻找并借鉴生物的同类或相似功能，经过可行性研究后开展仿生学三阶段研究工作；②源头驱动型，加强与世界仿生学研究机构之间的交流与合作，密切关注仿生学或生命科学研究的最新成果，找准其与石油工业技术需求的结合点，开展应用研究。笔者研究团队的研究成果充分体现了石油工程仿生学研究特点的适用性，验证了研究方法的合理性与可行性。例如，泡沫金属研发之初采用泡沫镍作为基材，虽然在技术上具有明显优势，但高昂的价格阻碍了推广应用，为此，继续开展研发工作，开发出不锈钢泡沫技术，使其具有了推广应用的条件；仿生非光滑表面膨胀锥技术则是充分借鉴了其他研究机构的成果，优化改进之后应用于膨胀锥，不仅解决了油田生产难题，还促进了仿生研究成果的应用转化；仿生振动波通讯技术则是在原理上借鉴了动物的通讯方式，但在实现过程中通过大幅提高信号发射强度的方式避免了高灵敏度、小信号接收器开发的复杂性，从而在最短时间内实现生产井指令由地面到井下的无线传输。

2．3石油工程仿生学的发展方向

随着石油工程仿生学系统性研究的启动，研究内容体现出了明显的方向性，但研究的深度和广度依然不足。根据石油工业的技术现状、需求和特点，以及仿生学的整体发展水平，未来石油工程仿生学应注重材料仿生、表面仿生、信息仿生和工程仿生4个方面的系统性研究，以点带面，形成涵盖勘探、开发、工程的仿生技术体系。

2．3．1材料仿生材料仿生的目的是仿制天然材料或利用生物学原理设计和制造具有生物功能，甚至是具有真正生物活性的材料。石油工程领域的材料仿生主要分为2类：①在机械、电学、化学、物理等方面具有仿生特性的主体材料，此类材料或在宏观上体现出明显的仿生特征，或通过外场刺激可调控其分子的长度、结构、化学组成、表面形貌等，进而调控材料性能，如轻质高强材料、仿生记忆材料、压电材料、可降解材料等，该类仿生材料主要用来替代石油工业中常用的钢铁、橡胶、陶瓷等，作为其核心功能部件，或作为传感器敏感元件，大幅提升现有材料、工具以及传感器的性能指标；②具有强化、修复、、保护等作用的微观仿生材料，提高现有制剂性能、界面结合效果等，此类仿生材料多以添加剂的方式应用。

2．3．2表面仿生自然界许多生物体的表面结构是非光滑的，无论是陆地、海洋或是天空中的生物，其表面的不同形貌往往都是为适应不同的生活环境经过长期进化而来的，而表面仿生是在仿生对象表面实现类似生物的表面结构，从而表现出更好的表面性能。未来，石油领域的表面仿生多是对机械部件表面进行处理，重点应集中在仿生非光滑表面和仿生浸润性两个方面。加强对不同生物功能表面结构的研究和模仿，将仿生非光滑功能表面应用到大量处于恶劣环境中的设备、管线、平台中，提高运动组件的减阻、耐磨、脱附等性能，以及非动组件的防腐、防垢等特性，延长装备寿命，提高作业效率，降低安全风险；对材料表面进行仿生浸润性处理，使其具有自清洁、亲油、疏油、亲水、疏水等不同浸润性特征组合，从而衍生出新的功能特性。目前正在利用表面仿生技术对前文提到的仿生泡沫金属进行处理，利用低温等离子体表面处理技术，在泡沫金属表面涂覆一层厚度为30～40nm的聚全氟烷基硅氧烷薄膜，使其具有新的表面浸润性特征，根据需要实现疏水、亲水、疏油、亲油等不同特性组合，在工矿、石化、冶金、机械、环保等领域具有广泛的应用前景［27］。

2．3．3信息仿生信息仿生主要是对生物信息获取、大数据处理以及生物间信息沟通、协同等特性的模拟与实现。石油工程领域的信息仿生主要可分为2类：①借鉴生物在信息感知和传递方面的特性，研制新型传感或信息传递装置，提高信号采集的精度、广度及适用范围，此类信息仿生技术可用于油田生产数据的精确采集，以及信息的高效传递，从而提高油田生产状态的实时监测与控制水平；②在信息处理方面借鉴生物的大数据处理机理和方法，提高大数据处理能力和智能化水平，建立决策机制，并将其应用在地震解释、油藏认识、开发方案制定以及油田综合管理等方面，促进油田勘探开发高效运行。

2．3．4工程仿生目前，工程仿生是对生物某种功能的模仿，注重仿生功能的实现，不强调机理相似：①对生物功能的模仿和实现，此类仿生多是受某种生物功能启发，注重结构相似或生物功能的工程实现，体现生物功能的智能性，并能够满足生产实践需求。目前，石油工程领域的控制方式正在由传统的机械方式向自动化和智能化方向转变，在这一转变过程中引入工程仿生，不仅能够优化功能结构和控制方式，还能够促进功能拓展，提高作业效率和便捷化程度。②材料仿生、表面仿生、信息仿生等方面的工程实践方法。现有的诸多仿生学研究成果还局限在实验室环境，在其向工业应用转化的过程中，一方面要解决成果本身的适用性问题，另一方面需要具备切实可行的工程实践手段。

2．4发展展望石油工程与仿生学的结合依然处于初级阶段，大多数研究成果为“形似”仿生。随着生命科学研究水平的提高以及技术手段的完备，生命科学从生物结构、功能、特性等研究，逐渐深入到生命活动规律、发育规律、生命本质、生物之间和生物与环境之间的相互关系等研究。生命科学的发展加深了对生命本质的认识，不仅能够拓宽石油工程仿生研究的广度，更加深了研究深度；反之，石油工程仿生学的发展也使得人们在具体的科研实践中深化了对生物本身及其活动的理解，进一步促进生命科学研究，并将研究成果有形化［28］。此外，电子、材料、控制等学科的技术进步也将促使石油工程仿生研究成果越来越“神似”。石油工程仿生学未来发展大概可以分为3个阶段，即知识积累、成果转化和工业化应用（图7）。2020年前，为知识积累阶段，任何一个学科领域的发展，都需要长期的知识积累，其中既包括仿生学基础理论知识的积累与储备，也包括石油工程仿生学研究人才和研究方法的积累，这一阶段要不断加深对仿生学本质的认识与理解，探索并逐渐形成石油工业与仿生学的结合模式；2020年到2025年为成果转化阶段，对实验室研究成果进行简化和鲁棒研究，使之在性能或功能上能够满足现场应用的要求，形成基本完备的工程实现技术和手段；2025年后，部分研究成果在生产、成本、效率、能耗、作业工艺等方面能够满足大规模工业化应用的要求。2008年提出的仿生井概念是未来石油工程仿生发展的集中体现［17］，代表了未来石油工程仿生研究成果的高度融合。未来的油井会像植物一样“生长”，像植物寻找土壤中湿润的地方一样寻找油气，一旦钻好垂直井（种植井）后，井将会“按自己的方式生长”。一个智能的分支会延伸到一块含油区域，一旦该区域水淹后，就将这个分支“砍掉”，并在另一个含油区域“长出”另一个分支，如此反复。

3结语

篇5

自人类诞生以来就开始从其它动物、植物身上吸收其各自不同的长处来创造自己的文明。不管人类社会发展到哪一个时期，仿生学无时无刻不在影响着人类的生活和活动。仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上。仿生学研究生物系统的结构和性质，为工程技术提供新的设计思想及工作原理。仿生学涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域，属于生物科学与技术科学之间的边缘学科。仿生技术通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的新仪器、机械等产品。

体育仿生学属于体育科学的学科之一，也是仿生学分支。体育仿生学研究如何通过深入认识生物系统的结构和功能，进行模仿、模拟或从中得到启迪，并有效地应用到运动技术、运动训练、运动器械、体育建筑等领域。成千上万年的优胜劣汰使这些优良设计机能完备、结构精巧、用材合理，不但符合自然的经济法则，有些更是合乎数理法则，即以最少材料构成最大合理空间。运用仿生性思维进行设计，并寻求人类社会生产活动和自然界的契合点，是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉，可以实现人类社会与自然界的高度和谐统一。

形态仿生

形态仿生设计主要是指生物体和自然界物质存在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。形态仿生是以最直观的方式对自然进行反应的设计。潜水活动中用到的脚蹼，就是人们认真研究了青蛙在水中的运动姿势和其生长特征后，设计出的产品。它完美地再现了青蛙后肢的形态和功能，大大提高了潜水员在水中的活动能力。

Bionic 手套

为了完成更加复杂的工作，人类的手掌由于内部指骨的原因变得不那么平滑。在做运动时，为了达到足够的摩擦力，骨节部分往往比手掌的其它部分受到更多的压力和摩擦。这样就容易产生水泡、老茧，增加疲劳感。受到猫科动物肉垫的启发，采用仿生学设计的运动手套使手掌与握把或器械的接触面变得平滑。这种利用仿生学设计制作的运动手套就仿佛是运动者的第二层皮肤。即使不用额外用力，手套与器械间增加的接触面积也可以保持足够的摩擦力，令运动更加省力，也大大避免了水泡、老茧等运动伤害的问题。

利用相同原理，运动鞋的设计也有大幅改善。赫赫有名的天足设计也是以贴近地面、减少冲击、快速反应为原理做出的开发应用。

功能仿生

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，以促进已有产品的更新换代或新产品的开发。 很多时候人们都会发现，动植物在某些方面的功能，会远远超越人类自身在此方面的科技成果，因而，通过模拟再现生物学的原理，人类不但可以找到技术的解决方案，而且同时也使得该方案能完全适应自然的需要。运动鞋设计最初都是采用实心鞋底结构，既笨重不舒适，又不能减轻运动对人脚部造成的冲击力。后来人们从小鸡三个脚爪总能抵御冲击并保持良好平衡中受到启发，设计发明了运动鞋的核心部分――脚弓支撑器，大大降低了人脚受损害的几率，提高了运动灵活程度，体现了产品对人性的关怀。再有，潜水用具中的呼吸管就是受到大象在潜水过河时使用鼻子露出水面进行呼吸的启发。目前，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。

X-bionic仿生运动服

普通运动服为了追求排汗效果和穿着舒适度往往采用将湿气吸入材料，通过衣物外表面蒸发达到排汗快干的作用。但这样的设计并不符合动物排汗的基本原理。哺乳动物排汗的作用主要是通过水分带走多余的热量，以在能量大量转化为热能的过程中维持核心体温不会过高。普通运动服的排汗只是带走了湿气，由于要兼顾保暖性能，并不能将身体产生的热量带走。

由瑞士科学家按仿生原理设计的新型纤维不是简单地从皮肤上吸走汗水，而是通过纤维内的微型管道锁住汗水。汗水通过微型管道的过程不仅保持了内部穿着环境的舒爽，且带走了多余的热量。一些水分从衣物外表面蒸发，一些水分凝结变冷，重新被皮肤吸收。微型导管的作用就宛如皮肤内的汗腺，令高科技运动服成为运动员的第二层皮肤。由微管组成的功能区集中在身体出汗集中的区域，胸前、腋下和后背等部位。这些功能板帮助身体输导遗留的水分或在更大的区域蒸发湿气，在排湿的同时达到最大的降温效果。汗水从侧面被吸走，却可以从整个胸部进行蒸发，功能板的面积与产品的降温效果成正比。

考虑到户外环境的多变，例如越野自行车等运动会在寒冷湿润的环境下进行。仿生运动服装曾经将温暖湿气排出的微型管道在这种情况下会起到隔热效果，保护身体周围的温暖空气。这种隔离效果即使在运动结束后仍能保持，减少了运动后肌肉迅速冷却，受到运动伤害的风险。仿生运动服不仅令专业运动员有如神助，即使普通人穿着也可以在消耗更少能量的情况下给身体合理降温，起到提高成绩的作用。汗水转化成能量

紧身功能运动服技术有效压缩了肌肉，提高了肌肉的稳定度和工作效率，提高了成绩，却妨碍了血液循环。仿生服装拉开了压缩间距，通过毛细血管改善了血液循环，从而解决了这个问题。这有助于降温过程，给肌肉添加了新鲜氧气，提高成绩。

结构仿生

结构仿生设计主要是指生物体和自然界物质存在的内部结构原理在设计中的应用问题，适用与产品设计和建筑设计。研究较多的是植物的茎、叶以及动物形体、肌肉、 骨骼的结构。随着仿生学的深入开展，人们不但从外形、功能去模仿生物，而且从生物奇特的结构中也得到不少启发。在仿生制造中不仅是模仿大自然外部结构，而且要学习与借鉴他们自身内部的组织方式与运行模式。身高不到一厘米，大腿又无肌肉的蜘蛛却有着惊人的弹跳力，可跳十几厘米高，并可畅行于网上，行动敏捷，原来在它大腿内充满奇特的液体，相当于一个液压装置，可根据情况自行调节液压的强弱，一旦遇到紧急情况，大腿内就会充满液体而由软变硬。仿生学家模仿这种奇妙的液压腿，研制了液压装置，广泛应用到各类产品中，使许多机械上的难题迎刃而解。宝马所推出的具有强悍性能的越野登山自行车，便是工艺中车体设计与机械原理的经典之作，高刚性车架，能有效分散车身震荡。运用了液压原理作为刹车装置，使之前不可能的设计成为现实。

护具

啄木鸟一天可发出约600次的啄木声，每啄一次的速度可达每秒55公里，比空气中的音速还快1.6倍，而它的头部摇动的速度更快，约每小时2080公里，比射出的子弹还要快一倍多，此时，它头部所受到的冲击力约为所受重力的1000倍。但啄木鸟从不会因此而得脑震荡，原来是它头部的构造与众不同，它的脑壳非常坚硬，被细密而松软的骨骼包裹着，在外脑膜与脑髓之间，有一条吸附着很多液体的狭窄空隙，这样一来，通过流体传播的震动波，也就得到减弱，并且它头部两侧还有强有力的肌肉系统，也能起到防震作用。科学家根据这种浑然天成的特殊构造，设计开发了新型抗震安全帽等护具。安全帽外壳坚固，里层松软，帽子下部有一个保护领圈，避免了因突然而来的旋转运动所造成的脑损伤，比一般防护帽的效果好得多。得益于材料技术的发展，以Visco Elastic Polymer Dough等防水材料制作的护具进一步应用于各种护具中，不仅穿着更加安全舒适，设计也更加人性化。

代代木体育馆

除了体育用品，体育场馆设计中的结构仿生更是屡见不鲜。被称为20世纪世界最美建筑之一的代代木体育馆就是当代仿生建筑的接触代表。亚洲首位普利兹克建筑奖得主，日本建筑师丹下健三以瞬间海浪的漩涡为设计灵感，以海螺的独特造型造就了他表现主义时期的巅峰之作。体育馆大的椭圆形为游泳馆，小的圆形为篮球馆。两座馆都用悬链形的 钢屋面悬挂在混凝土梁构成的角上，状似蜗牛。这座建筑还采用了来源于蜘蛛网灵感的悬索结构，用数根自然下垂的钢索牵引主体结构的各个部位，从而托起了这座总面积达两万多平米的超大型建筑，成为建筑艺术的经典作品。

雅典体育馆

同样是以仿生建筑名扬世界的西班牙建筑师卡拉特拉瓦被建筑界誉为叛逆绅士。由于奥运会在酷热的盛夏举行，他在主体育场的上方架起了两条巨大的拱梁，用它拉起半透明的顶盖，让阳光可以进入体育场，同时又能阻隔热气。体育场两侧上空的顶盖，像一对展开的翅膀，无时无刻不透露出更高、更快、更强的奥运理念，在这样的氛围下比赛，运动员们屡获佳绩。而那两道标志性的拱梁，让这座场馆载入了奥运会的建筑史册。而以拱和斜拉锁造型的标志性设计正是利用了大自然中叶片和叶脉的自然结构和有序分布。叶脉地分布，让叶片拥有了一个宽大的自然结构。这种结构，让叶片稳固而不易受到自然界外力的影响。卡拉特拉瓦从植物的叶脉中找到了能够支撑桥梁的灵感。拱象征着叶子的边，而斜拉索则象征着叶片上的脉络。这种仿生学的设计，让卡拉特拉瓦屡试不爽。

材料仿生

随着仿生学的深入开展，人们不但从外形、功能去模仿生物，从生物奇特的结构和肌理中也得到不少启发。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的组织方式与运行模式。人造纤维就是模仿天然纤维的结构和触感不断更新完善的。模仿生物纤维吸湿、透气的特点，20世纪以来，新纤维、新材料层出不穷。人类仿造生物纤维彪马席位形态与内部构造上的成功使得运动用品和服装在功能和外形上都有了质的飞跃。

AirJordan XIX

乔丹系列球鞋的设计者之一，TateKuerbis最引以为豪的作品就是乔丹19代。鞋子从毒性最强且速度最快的黑曼巴蛇身上汲取设计灵感，19公里的运动时速和百分之百的致命毒液与乔丹在球场上的作风相得益彰。19代以蛇为本，因而充满了蛇灵之气。球鞋表面的编织鞋套采用仿蛇皮结构，在运动中不会产生更多的褶皱并影响脚感，整个鞋套会随着脚的形变而自动扭曲，构成鞋套的硬塑料纤维由于本身的韧性却又可以使鞋面不会过分夸张的变形，既起到了保护脚面不过分变形以致受伤的作用，又不会因为本身的韧性而阻碍使用者在运动过程中脚面的任何合理动作。而在鞋套的两侧面延伸出的磁性搭扣恰好有如蛇一样将后跟盘紧。以脚后跟为稳定中心来换取脚踝的稳定，从根本上来防止脚踝在运动中会出现的任何不稳定因素，用这种理念设计的球鞋还包括Air Zoom Generation、Air Huarache2K4等等。

鲨鱼皮

鲨鱼皮肤表面的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使身体周围的水流更高效地流过。受此启发，材料学家和设计师共同开发了模仿鲨鱼皮的泳衣，以降低水下运动中受到的水流阻力。该泳衣极好的模拟了低阻力的鲨鱼皮素材，与鱼鳞状拨水肌理共同作用，使素材表面有极小的漩涡产生，从而减小百分之四以上的表面摩擦阻力，而且它比以往的素材拥有更大的弹性。通过改进面料的质地和纹理，快皮和曲皮两种织物共同组成泳衣的表面。两种不同表面特质的材料的组合使流经泳衣表面的水流更加接近鲨鱼皮表面的水流情况。一些类似鲨鱼背脊的隆起和鲨鱼皮肤其它部位的低凹处的设计，也可以帮助减少水的压力阻力，实现了材质、肌理与造型的完美匹配。该泳衣无疑是材料仿生设计的里程碑之作，令国际泳坛也为之波澜起伏。

蜘蛛人手套

篇6

植物通过光合作用产生碳水化合物而形成合成植物纤维,也吸收了空气中0.3%的二氧化碳。植物是利用少量二氧化碳在水与光合作用下生成纤维素。其纤维横截面由复杂的多种结构组成,这种纤维素具有相似性。纤维科学家将其定义为“二氧化碳纤维”。这就是说,我们一旦了解更多自然知识,我们就可以避免使用化石能源制造人造纤维,而创造一种环境友好型的生物纤维已成为一种可能。

作为仿真丝的第一种化学纤维,人造丝出现在一个世纪前,这种化学纤维拟态丝是用木浆制成的,随后,人们发现木质浆具有可溶性,还可湿纺加工。而人造丝与木质纤维具有纤维素同样的结构。随之,尼龙又出现了。尼龙是人类模仿天然纤维的杰作。50年后,混纺加工技术出现,合成纤维渐渐成为我们的时尚,也形成一种开发方式。随之,聚酯纤维以标新立异的固有特征使其他人造纤维刮目相看,也与人造丝形成鲜明的对比。然而,却不是所有的真丝特征都可以再造的。例如,光泽特征、吸湿特征、可染特征并没有完全尽如人意地模仿出来。例如,的所有有机要素,如糖类、蛋白质、脂肪、纤维素等均含碳元素。光合作用使碳元素生成新的植物碳元素。据称,每年全世界约有2000亿吨碳元素因光合作用被植物从空气中吸收。其中植物就包含了空气和植物中水分子中的二氧化碳,将其转化为植物糖类。

光合作用使植物需要更多能量。植物糖类所含能量高于其他简单化合物,其能量主要来源于光的吸收,即叶绿素和类胡萝卜素的生成,而植物不仅能生成糖类,而且其化合物可以转化为结构性材料,如纤维素和蛋白质。这种转换要求更多能量,这一趋势又使其分解具有高能量的糖类。在氧化作用下,它再次生成二氧化碳和水。这种能量释出和转换过程被看做植物呼吸与生长的过程,类似于动物的呼吸。而光合作用使植物获得能量后以糖类的形式储存下来。日本农业生物科学研究所(NIAS)马越博士(Dr J. Magoshi)认为,蚕丝的形成经历了这个机械过程,而这个过程在所有动植物体内都会产生。也就是说,所有动植物都可以成为拟态生物纤维的“工厂”。

众所周知,家蚕不是真正的吐丝,而是从口中拉出丝,靠移动编织蚕茧。家蚕可以将蚕丝蛋白固定在平面上。如果能给家蚕下“命令”,它们或许能按照人类的指令,直接给人“纺织”衣服,而省掉了织布这一过程。这与我们传统的人造纤维纺织大相径庭,事实上,天然丝纤维要比人造纤维更有伸缩性,丝纤维的隔热性能、手感、吸湿性都要好于合成纤维。并且,丝纤维具有很好的功能性,甚至可以设计更多的人造功能。

在过去,人们并不知道,家蚕是怎样通过食用桑叶而制造蚕丝的。现在发现,那是因为桑叶被消化后形成氨基酸,然后形成丝腺。就这样,分层的丝蛋白就在蚕的肚子里形成,然后又通过丝腺钙离子形成胶质蛋白丝,而凝胶体又通过吸收空气中的二氧化碳转化为溶胶,最终变为液态水晶体,蚕一边移动一边拉出口中的液态水晶体而形成蚕丝。这个过程与人类合成纤维的生产大同小异。

其实,当提及动物纤维时,人类没有真正理解自己的毛发和羊毛生长的过程。人类毛发和羊毛的生长都是一个氨基酸的聚合过程。倘若毛发在形成过程中,聚合体相互缠绕,形成新的合成纤维,那么聚合体就会形成一种溶体并储存下来,然后从皮肤里冒出来。这个过程可以让我们明白,其实这也是一个人造丝的过程。若能真正模仿这种生物动态,那么人类就可以不断创造无数种拟态纤维。目前,世界上已有许多纤维公司把触角伸向人类毛发生成原理。现代生物技术可以让头发按照人类预期的形状在活体内生长。倘若人发能够复制,那么羊毛也可以用未来的生物拟态技术合成出来。

蜘蛛丝是另一有趣的纤维材料。这种动物性纤维具有很强的韧性,它可以任意伸长。为了使自身产丝更有效地捕捉到昆虫,蜘蛛往往会自动地将丝中的养分加以调整,使其丝的强度能让纤维丝以蜘蛛网的轴心看齐。当蛛丝一边被拉伸时,其韧度却在由中心到边缘加大。蜘蛛丝的韧度相当于凯夫拉尔纤维,其延伸性或抗断裂性高于凯夫拉尔35%。因此,其经纬黏度足以捕捉到比蜘蛛自身大得多的昆虫。但是,当蜘蛛移动时,蜘蛛网上的黏度却不会粘住它。这就是大自然的奇妙。世界顶尖级纤维科学家因此对蜘蛛丝的结构十分感兴趣。他们希望能解释蜘蛛丝结构的物理属性,从而开发像蜘蛛丝一样的拟态非均匀性智能化纤维材料。这或许成为未来开发新纤维材料的关键所在。这样的生物拟态应用信息,确定无疑,将成为今后新型化学纤维诞生的温床。未来的生物拟态技术可利用动植物体内的均质物质和非均质物质开发多种生物纤维,以满足人类更多需求。例如,模仿生物的功能即可强化液晶蛋白纤维的强度。使用这样的纤维材料纺织物,可使人类在炎热的沙漠地带都免受强光的照射和炽热高温的危害。

当然,除了动物纤维,人类也可以利用植物纤维的拟态开发纤维种类。例如,竹子纤维是一种天然的强化型复合材料。其横断面显示具有丰富的纤维素材料,而外部坚硬且密度高,其非均质性结构可帮助人类抵御高寒和强风的袭击。日本东京理工学院教授菊谷先生(T. Kikutani)成功地合成了一种同等密度的竹类生物拟态,这种材料拥有极高强度、高韧度、高系数,因此成为市场需求最迫切的产品。

为了探索聚合体材料的理想功能,人类还需要在聚合体分子量和减少分子结构缺陷上下工夫。而与之相适应的新型纺纱加工技术则成为创新者的另一挑战。因为,未来的生物拟态已不再是传统意义上的纺织,而是利用分子导向控制以实现预设的纤维纺织精准度。

在自然界,单体蛋白质分子量超过200万,但聚酰胺的合成分子量最多为20万。因此,通过自然合成高分子聚合物并制造高自旋为导向的纤维产品将会逐步取代现行的纤维生产方式。

篇7

关键词：生物仿生学；产品设计；仿生设计

一、生物仿生学概述

生物仿生学既是模仿生物的形态或功能结构以实现发明创造的一门科学，主要的目的是提炼自然生物百万年来进化出的适应机制将其通过现代工业技术移植到所需的领域及产品中以达到预期的实用效果，通过这种方法能够更好也更高效的实现技术革新。

事实上早在远古时期的人类就已经发现了仿生的种种益处，早期的人类就已开始借鉴自然界中生物的形态用于工具的制造，例如古时候人类通过模仿鱼的形态来造船，也许当时的人们并不明晰这背后的原理，但通过生活中的实践发现这是行之有效的。到了现代随着科学技术的发展，人们已经掌握了更多的科学方法来研究自然界中的各种生物，从而更好地掌握了生物结构的内在原理，这便为各个领域的技术发展提供了有效的参照。

二、生物仿生学在产品设计中的应用

仿生是产品设计研发中极为常见的方法和手段，自然界总是给我们带来惊喜和期待，通过研究自然、感受自然能够有效地激发出我们无限的创想和灵感，再通过科学手段加以证明和验伪，最终我们能够得到科学有效的新型技术用于实现产品的各项功能。而如今对于生物仿生学的研究已涉及到生物表现的各个层面，从最为直观的外在形态、色彩、肌理到生物精妙的内部结构我们都能以科学的方法加以研究提炼，从中我们汲取了大自然的智慧为我们的生活创造出了高效便利的产品。

（一）生物形态层面的仿生设计

通过进化论的观点我们可以了解到对于美的感受很大程度上受到了我们的内在基因的影响，由于我们的审美这是在自然界中繁衍生息数百万年逐渐形成的，这促使我们会对自然界的许多事物都达成了美学上的认可。正因如此，自然界中总有着无限的美意等待着我们去发现，人类文明发展至今已经创造出了无计其数的人造物，经过不断地探索和尝试我们力求找到匹配自然之美的设计法则，最为直接的方式就是参考自然物的外在形态，即基于自然生物形态层面的仿生设计，这种方法是以自然界中生物或植物的形态作为造型基础，再根据产品的功能需要，使产品在功能和造型上能够得到相应的统一。

而对于形态的提炼上根据设计师的设计意图既可以是抽象的又或是具象的，这使得造型仿生呈现出两种截然不同的视觉体验，而对于设计过程中抽象到具象之间的度的拿捏就要看设计者的个人风格及观念了。世界上许多知名设计师通过这样一种形式的设计创作出了许多经典的设计作品（图1）。

（图1）

（二）生物色彩层面的仿生设计

再从生物色彩的层面来看，我们视觉器官对于色彩有着极高的敏感度，我们对于环境的认知很大一部分是依靠视觉系统，因此我们往往赋予了色彩很多情感因素。色彩仿生既是提取自然界中的色彩并将其运用在产品设计中使产品达到一定的视觉体验，甚至会产生相应的联想，让产品产生更深语义象征和功能属性。这种手法在服装中较为常见，如迷彩（图2）、豹纹、斑点等都是常被运用的自然界的生物色彩，这些色彩不仅具有时尚气息还包含着丰富的情感体验。

（图2）

（三）生物肌理层面的仿生设计

生物肌理仿生（图3）与生物色彩仿生有类似之处，很多时候它是建立在色彩仿生的基础上对其表面质感进一步地深化处理的结果，它不单纯考虑视觉上的仿生体验，而是将自然动植物的表面肌理质感也考虑了进来，这样不仅在视觉上有所映射，还在触觉上也能得到更为真实的触感，这中效果让人耳目一新，从侧面也反应出现代加工技术的卓越成效。

（图3）

（四）生物结构层面的仿生设计

生物结构仿生是伴随着仿生学技术的不断发展，人们对于仿生不再局限在外形上对自然浅层次的模仿。而是从生物奇特的内外结构组织中得到启发，人们根据生物的构建组织以及运行模式拓展了仿生的一个新的层面，结构仿生设计让最终的产品具备更为有用的功能意义。

生物自身结构是非常奇特的，它们经过数百万年的演化成功地经受住了各个时期的灾变，并且一直向着更优良的系统进化着，可以说每个现代生物都有着完美的生理机制，人们通过研究它们的结构能够得到无数的启发性的发现，很多方面不得不承认自然生物依旧领先于我们人类目前的科学技术。因此通过对生物结构的仿生往往可以解决许多目前面临的技术难点，这让生物仿生学在产品设计的领域中再次得到了相当的重视。

结构仿生首先要依据一定的科学理论为研究基础，简单地模仿未必能产生预期功效。因此在结构仿生前要对生物相应的结构进行系统的研究，探明其工作原理证明其确实科学有效，再将其原理解构后以现代的工业技术和手段进行重构，使生物结构通过一种新的形式移植到产品设计当中以发挥其原生物结构的功效。

在众多现代产品设计中我们能够看到很多已经成熟应用了的结构仿生技术，这些技术里有可以分为外在结构仿生和内部结构仿生。

外在生物结构仿生是通过生物的外在结构作为参照，通过外在的仿生以达到生物该结构组织的相应功能。例如吸盘的设计就属于外在结构仿生，它以章鱼触手结构为启发的仿生应用，还有就是魔术贴的设计，也是外在结构仿生的一个极其经典案例，它的灵感来源则是鬼针草的尾部细小倒钩。这些结构仿生设计如今已经随处可见，大量应用在了人们的生活中，在潜移默化中给人们的生活平添了许多便利和帮助。

生物内部结构仿生则是通过对生物内部结构的研究，将生物内在的工作原理进行分析，提炼出对于我们有用的结构并运用在设计当中，使我们的设计产生相应的效应。在高新的建筑、航天工业中就大量地充斥着内部结构仿生的技术应用，例如蛋壳屋顶所运用的薄壳结构以及航天工业中的蜂窝结构等这些结构仿生成果都是极为成功的案例，这些新的技术不仅节约了材料并且让局部的应力性得到显著的提高，使建筑的造型拥有了更加丰富的想象空间，而航天设备也变得更加轻质，而这些都要归功于结构仿生技术的发展，这都将为未来设计提供了有效的技术基垫。

目前结构仿生已经广泛应用在了各类产品的开发中，并收到了很大的成效，可以预见科学技术的不断提高对于生物外在结构和内部结构的研究也会愈加深入，这将会为人们提供更多参考素材。结构仿生将在未来设计中占有相当的分量。

（五）小结

通过以上的论文我们可以看到仿生设计是极为有效的，无论从造型审美还是功能的实现方面仿生都能发挥出很好的效果，这位我们产品的设计和研发提供了新的出路。正因如此，研究和探索生物仿生学是极有价值的，相信在今后的日常生活中还会有更多的仿生产品涌现出来，为我们的生活提供更多的便利。

三、总结

可以预见随着生物仿生学的进一步发展，仿生设计在未来蕴含着极大的潜力和机遇，将会有更多的发现和创新来造福于我们的生活。自然界是无比神奇的，而仿生则让自然与现代工业技术建立了联系，这是一座工业通往自然的桥梁。可以说生物界就是工业创新的一个巨大知识库，是待我们进一步挖掘的宝藏，对此在研究的同时我们还应当提供相应的保护，这样才能让这笔财富可持续地发展下去并为人所用，这是新的机遇也是新的挑战，如何权衡自然与工业的平衡，这需要所有人的努力，期待未来人与自然共存的美好景象。

作者：俞小龙

【参考文献】 

[1]原研哉.设计中的设计[M].朱锷译.济南：山东人民出版社，2006 

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一、历史上的仿生

人类在遥远的岁月似乎就认识到能从自然生态系统中领悟到自身生存、发展、进步的真谛。人类从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。回顾中国的古文明史，不难看到人们较早就留下了模仿自然生态的痕迹。从远古原始人构筑的人首龙身、人面鸟身等“人心营构之象”，到现实生活中以各种动物形态为原型的实用器皿，如牛形灯、猪、鹰形壶等。从神话传说中人的羽化飞升，到春秋战国时期的鲁班从草叶的齿形边缘中“悟”到了锯的原理等，大量的事例记述了人们对自然生命的外在形态和功能创造性地模仿。

国外亦然，古时人们看到鸟儿在天上自由自在地飞翔，就向往人也能象鸟一样飞上天，于是便用各种方法模仿鸟。经过漫长岁月，从最初的木制飞人发展到今天的超音速飞机，终于实现了人类在蓝天上自由飞翔的梦想。达芬奇被认为是现代仿生学之父。在大约公元1500年，他完成鸟翅模型之后，又画了一系列的无法实现的飞行设备草图。大约400年之后，奥托成功了，他根据鹳的翅膀制造的滑翔机成功地飞行了250米，而且他也取得了"滑翔机之父"的称号。而我们小时侯玩的竹蜻蜓，便是现代直升飞机的趋形。一直以来，许多研究者都在不断尝试把自然界的形态和功能类比的应用于科学。

由此可见人类师法自然思维由来已久，这便促成了仿生学的诞生，仿生学是在生物科学与技术科学之间发展起来的，模仿生物系统的原理来建造技术系统的一门新兴边缘学科。仿生学恰似“桥梁”和“纽带”，连接着生物科学与技术科学。仿生设计则是在仿生学的基础上发展起来的。它以仿生学为基础，通过研究自然界生物系统的优异功能、形态、结构、色彩等特征，并有选择性的在设计过程中应用这些原理和特征进行设计。

著名的德国工业设计师路易吉.科拉尼是仿生设计理论的大力倡导者和实践者，他那蕴藏着人类责任感的设计哲学思想，以及呼吁人类社会与大自然和谐统一的设计观念，都具有极其深刻的划时代意义。他鲜明的仿生设计原理与方法、强烈的造型意念和极具旺盛生命力的设计，成功地影响了后代设计师。

运用仿生性思维进行设计，可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高度的和谐统一，仿生设计正逐渐成为工业设计发展的大趋势。

二、现代工业设计中的仿生

现代社会文明的主体是人与机器。人类在这种文明所导致的生态失调状况下开始反思并力求寻找新的出路，建立人与自然、机器的对话平台，共生哲学观强烈地呼吁人与机器、生态自然与人造自然之间合理的建构，创造人类社会与自然高度的和谐。那么，师法自然的仿生设计就是一种良策和新理念。

仿生设计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。尤其是当今的信息时代，人们对产品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，同时注重产品的返朴归真和个性。提倡仿生设计，不但创造功能完备、结构精巧、用材合理、美妙绝伦的产品，同时赋予产品形态以生命的象征，让设计回归自然，增进人类与自然统一。

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”。这话道出了自然界是蕴含着无尽设计宝藏的天机。归纳现代工业设计中的仿生，其主要表现在以下几个方面：

1、形态的仿生

形态从其再现事物的逼真程度和特征来看，可分为具象形态和抽象形态。

1）具象形态的仿生

具象形态是透过眼睛构造以生理的自然反应，诚实地把外界之形映入眼睛膜刺激神经后感觉到存在的形态。它比较逼真的再现事物的形态。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。

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”形态必需生活经验的积累，经过联想和相象把形浮现在脑海中，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起趣。

归纳起来抽象的仿生形态具有以下特征：

1）形态高度的简化性和概括性

形态高度的简化性和概括性，指的是形态本质的抽象表现。通过对生物形态或非生物形态的科学分析，结合的我们的生活经验，均可证明一切形态的本质都是一种内力的运动变化。这种内力运动变化是产生形态的根据。在研究形态时，设计者从知觉和心理角度有意无意地都把形态的内力运动变化感受为生命活力，再通过形态抽象变化，用点、线、面的运动组合来表现生命活力。因此，形式上表现为简化性，而在传达本质特征上表现为高度的概括性。

这种形式的简化性和特征的概括性，正好吻合现代工业产品对外观形态的简洁性，几何性以及产品的语意性的要求，因此，它大量的应用于现代产品设计。

2）形态丰富的联想性和想象性

抽象仿生形态作用于人时，产生的“心理”形态必需生活经验的积累，经过联想和想象才浮现在脑海中。因此，它充分地释放了人无限想象力。同时因人的生活经验不同，因此经过个人主观喜好联想产生的“心形”也不尽相同，产生形态生命活力的感受自然丰富多彩。

3）同一具象形态的抽象形态的多样性

设计者在对同一具象形态进行抽象化的过程中，由于生活经验、抽象方式方法以及表现手法不同，因此抽象化所得形态有多种。

抽象仿生形态应用于产品开发时，在生产和销售中有以下优点：

1）生产便捷

抽象形态的形式简洁，这吻合了现代工业产品提倡的简练几何外观的特征，因此，对生产设备并没有特殊的要求，开发商可以方便快捷的进行生产，这为各种工业产品的仿生生产提供了无限可能。

2）产品形态多样化

具象形态不胜枚举，抽象后的形态更是不计其数，这为仿生的工业产品形态的多样化提供了选择的可能。

3）满足不同层次的顾客

抽象形态的联想性和想象性充分地释放了顾客的自由想象力，人们不但可以感受到产品形态的有机、可爱、情趣、亲和、运动等特点，同时因联想和想象不同，有的想起自己可爱的小宠物，有的想起一段美好的爱情，有的想起一个老朋友，有的想起一次愉快的旅行等，正所谓仁者见仁，智者见智。顾客从不同的角度感受到仿生形态赋予产品的艺术美感和想象空间，这就更容易满足不同层次的顾客，从而激起他们共同的购买欲望。

4)产品回归自然

抽象仿生形态的本质特征是由内力运动变化而产生的生命活力。这种特征赋予仿生产品以生命的象征，让产品回归自然，建立了人、机器、自然对话的平台，这种共生的哲学观合理地构建人造自然和生态自然之间的和谐，增进了人类和自然的统一。仿生型家具是模仿动物、植物等生物形体制作的家具，其形象十分逼真，以寄托对大自然的依恋之情，此种家具给人以大自然的感觉。

总之，具象仿生停留在模仿生物表层，思想性和艺术性的含量相对低一些；抽象仿生集中于提炼物体的内在本质属性，是一种特殊的心理加工活动，属于高层次思维创造活动，它侧重揭示物体的理念内涵。在现代仿生设计中，高、新、精、尖的工业产品，更适合用抽象仿生。

2、功能的仿生

人们发现，动植物的某些方面的功能，实际上远远超越了人类自身在此方面的科技成果。生存在自然界中的各种各样的动植物能在各种恶劣复杂的环境中生存与运动，这是因为其运动器官和形体与恶劣复杂环境斗争进化的结果。植物和动物在几百万年的自然进化中，不仅完全适应自然，而且其进化程度接近完美。今天，我们生活在科学技术飞快发展的时代，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。许多事实说明，仿生学是发展新技术的金钥匙。

仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。这个思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决技术难题提供了帮助。通过再现生物学的原理，人类不仅找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要。其目的就是分析生物过程和结构，并将此分析用于未来的设计。

在创造物质文明的过程中，人类常常将生物的某些特性运用到创造发明之中。例如科学家根据蜻蜒的飞行原理研制成功了直升飞机；根据加重的翅痣蜻蜒在高速飞行时安然无恙，人们仿效其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的棘手问题；又如根据蛙眼原理，科学家利用电子技术制成了雷达系统，能准确快速地识别目标；根据萤火虫100%的光能转化效率原理，人类制成的冷光源，将其发光效率提高十几倍，大大节约了能量。再如仿昆虫单复眼的构造特点，人类造出了大屏幕模块化彩电和复眼照相机；仿狗鼻子嗅觉功能，人类造出了电子鼻可以检测出极其微量的有毒气体等等诸多令人惊叹的创造。

尽管如此，自然界的动植物千千万万，其许多高超的技能与奥秘人们尚未完全掌握，但可以相信，随着仿生技术的发展，各种仿生发明会源源不断地被应用到人类的生活中来。

在创造物质文明过程中，工业设计师该怎样更好利用仿生发明来创造产品呢？首先，要明确科学家或工程师与工业设计师职责的不同，前者解决物与物之间或物体本身整体与部分之间的关系；后者解决物与人之间的关系，即构建人机对话的平台。因此，工业设计师实现产品创造的基础是仿生技术发明的实现。这样，工业设计师就有两种方式来更好地利用仿生发明开发产品：

1）科学家先实现成果，工业设计师结合人类的需求转化为仿生设计

科学家先实现了仿生发明，但由于知识结构的差异，科学家不可能对市场和人的需求有一个全面而准确的定位，就不可能成功将其成果转化为市场所需求的产品，更不可能创造人性化的人机界面。而工业设计师正好能准确地捕捉到市场需求，结合优秀的仿生发明创造出人们所需求的产品，同时构建友好的人机对话平台，从而创造更多有价值的产品。

2）工业设计师先提出设想，科学家择优实现的互动仿生设计

科学家还没有实现某种仿生发明，工业设计师通过对自然现象的细心观察和经验总结，结合对市场需求全面而准确的认识，提出某种产品的构想或概念。科学家择优实现这种仿生技术，这使得工业设计师创造这种仿生产品成为可能。通过工业设计师和科学家的互动，从而创造有价值的产品。

因此，工业设计师要关注最新的仿生成果，同时也要细心的观察自然。

3、结构和材料的仿生

随着仿生学的深入开展，人们不但从外形、功能去模仿生物，而且从生物奇特的结构和肌理中也得到不少启发。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秉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。

例如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个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家精确计算出来的菱形钝角109°28’和锐角70°32’完全相同，是最节省材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，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、人造卫星等的理想材料。

最新科学研究指出，生物体都是由少数很简单的物质构成的，诸如糖、蛋白质和水之类。生物体的不同部分，从柔韧的皮肤到坚硬的骨骼，性能如此多样，关键在于从原子排列成分子，及从分子组合成纤维,晶体等半成品，在结构上的千差万别，就是由于结构的奇巧精致，形成了各种优越奇特的性能。

解生物体构造的这些奥秘，最直接的目的就是研制新型的“仿生材料”。研究人员模仿鲍鱼壳的微观结构，将铝分子充满在碳化硼分子之间，已初步研制成功新型的陶瓷材料，除了既坚硬又柔软以外，还可以感测并适应周围环境的变化，如果飞机机翼材料具有这种性能，那么遭到损害时能够感知并自行修复。具有和生物机体相同弹性的材料，伸缩自如，能成功地用来制作人工动脉。

因此，工业设计师也要积极的关注仿生发明中精巧的结构和奇特的材料，并且巧妙地应用这些结构和材料，结合市场的需求创造出人们需求的产品，同时也要细心的观察自然，提炼自然的精妙，提出更多的构想，为科学家的探索提供更多的思路，从而创造更有价值的仿生成果，为人类创造更加精美更加丰富的产品。

总之，破解生物体结构之谜，研制仿生材料的路还很漫长，目前人类只不过刚刚起步前行，但是仿生材料的应用前途无量，却是绝无疑义的。

4、界面仿生

在现代工业产品设计中，单纯地从形态、功能、结构或材料的某一个方面来仿生是很少见的，更多的是综合形态、功能、结构和材料的多个方面来进行仿生设计，而且还从大自然的生存哲学即和谐与共生的角度进行仿生设计，诸如绿色仿生设计，可持续仿生设计等。这种既从自然界的个体表现形式，又从自然界的总体生存理念的仿生设计，与界面设计的功能性设计和情感性设计是相吻合的，因此，我把这归结为界面仿生设计。

要理解界面仿生设计，首先要知道界面。所谓界面，即人机界面，是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输出。好的人机界面美观易懂、操作简单且具有引导功能，使用户感觉愉快、兴趣增强，从而提高使用效率。

美国学者赫伯特．西蒙提出：设计是人工物的内部环境(人工物自身的物质和组织)和外部环境(人工物的工作或使用环境)的接合。所以设计是把握人工物内部环境与外部环境接合的学科，这种接合是围绕人来进行的。“人”是设计界面的一个方面，是认识的主体和设计服务的对象，而作为对象的“物”则是设计界面的另一个方面。它是包含着对象实体、环境及信息的综合体，就如我们看见一件产品、一栋建筑，它带给人的不仅有使用的功能、材料的质地，也包含着对传统思考、文化理喻、科学观念等的认知。“任何一件作品的内容，都必须超出作品中所包含的那些个别物体的表象。”分析“物”也就分析了设计界面存在的多样性。

因此，为了认识和分析仿生界面设计，可将其分类为：

1）功能性界面仿生

功能性设计界面接受物的功能信息，操纵与控制物，同时也包括与生产的接口，即材料运用、科学技术的应用等等。这一界面的仿生侧重于功能、结构和材料的仿生，它反映着设计与人造物的协调作用。

2）情感性界面仿生

情感性设计界面即物要传递感受给人，取得与人的感情共鸣。这种感受的信息传达存在着确定性与不确定性的统一。情感把握在于深入目标对象的使用者的感情，而不是个人的情感抒发。设计师“投入热情，不投入感情”，避免个人的任何主观臆断与个性的自由发挥。这一界面的仿生侧重于用形态、色彩、肌理等引发心理情感，体现大自然和谐与共生的精神哲学的仿生设计，它反映着设计与人的关系。

如在计算机的设计中，硬件方面人们逐渐采用多种方式与机器交互，如自然语言接口、计算机支持的协同工作、眼动跟踪、姿势识别、三维输入、表情识别、听觉界面等，进行着功能性方面的界面仿生设计；软件方面广大的软件研制人员开发计算机用户愈为迫切需要的符合“简单、自然、友好、一致”原则的人机界面，即情感性方面的界面仿生设计。

总之，随着计算机广泛应用，它已经变成家喻户晓的商品，可以任意地装在人们的口袋里，用来帮助人们处理日常的办公业务和生活事务，自然的人机界面与和谐的人机环境已逐步变成信息世界关心的焦点。其他产品同样如此。因此，仿生设计使产品有更加完备的功能性界面和更加自然和谐的情感性界面，更好地满足人的需求。

三、未来工业设计中仿生的前景

今天，我们生活在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。许多事实说明，仿生学是发展新技术的金钥匙。例如研究显示，不远的将来一种仿生电子眼可望诞生。因为科研人员已揭开眼睛是如何看到经大脑“翻译”的图像。他们已发明一种称为“细胞神经网络”的电脑微型集成电路，据此将发明仿生“电子眼”可以用来进行类似视网膜功能的图像处理。又如美国宾夕法尼亚大学医疗中心耳鼻喉科的医生不久将开展“仿生耳”植入手术，让从前失去听力的成人重获听力。再如科研人员以猴子作为人的替身，正在研究人大脑的思维与记忆的生理活动。他们设想，如果仿照人的神经系统，把它运用到电子计算机上去，就有可能诞生具有高级神经活动的生物计算机，那就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，神奇的大自然向人类展示着精妙绝伦的生命形态和绚丽多彩的悦人色彩，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建立合理的建构，搭建人与自然、机器共生的对话平台。

总结

综上所述，运用仿生性思维进行设计，不仅创造功能完备、结构精巧、用材合理、美妙绝伦的产品，而且赋予产品以生命的象征，让设计回归自然，增进人类与自然统一。因此，工业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。

参考文献：

〔01〕《视觉和仿生学》倪海曙主编知识出版社1985

〔02〕《仿生学纵横谈》邵海忠编著江西人民出版社1981

〔03〕《世界现代设计史》王受之编著中国青年出版社2002

篇9

自古以来，自然凭借其独特的魅力吸引人类去探索它的奥秘。人们模仿飞鸟制作飞机，模仿鱼儿制作潜艇，模仿小草制作锯子，模仿蝙蝠制作雷达，这一切的一切无一不是自然赐予人类的礼物。人类在感悟自然神奇的同时，也将更多的精力投入到了对自然的模仿之中，仿生学随之应运而生。仿生学按其属性可以分为形态仿生、功能仿生、结构材料仿生、色彩仿生和肌理仿生。其中，生物形态的仿生应用最为广泛。本文正是从仿生学的概念入手，举例分析生物形态在座椅仿生设计中的应用，并进一步探究生物形态的仿生对现代设计的重要意义。

关键词：

生物形态 仿生 座椅设计 现代设计

中国分类号：JO

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2015）-05-0022-02

仿生学是一门研究生物系统的形态结构和功能性质，并用所获得的知识为工程技术提供新的思想观念和解决方案的科学。在古代，人类就知道在大自然中汲取灵感，从各种动植物以及自然现象当中学习知识以便繁衍生息。“外师造化，中得心源”，说的就是以自然为师，向自然学习，从自然界中汲取创作养分。人们模仿飞鹰的外形发明了风筝、模仿鱼刺的构造发明了骨针、模仿鸟窝的功能在树上筑巢，用来抵御猛兽的伤害。人类从自然当中获得了很多生活的灵感，但这些都是对自然生物形态的直接模拟，是初级创造阶段，虽然比较粗糙、表面，却可以看作是仿生的起源，是今天仿生设计得以发展的基础，也从侧面说明人们从很早起就已经会“仿生”了。

1.生物形态在座椅仿生设计中的应用

仿生设计按其属性可以分为：形态仿生、功能仿生、结构材料仿生、色彩仿生和肌理仿生。其中，形态仿生应用得最常见、最普遍。而在所有形态仿生中，生物形态的仿生最受大众欢迎。在汉代以前，含有生物形态的器具就已经在百姓之中广为流传了，如十五连盏灯、青铜朱雀灯、长信宫灯，都是在灯具设计中融入了生物形态元素，不仅在当时轰动一时、颇受欢迎，而且流传到现代也是十分经典的作品。其后，随着丹麦家具设计大师雅各布森的蛋椅、蚁椅、孔雀椅的大获成功，将生物形态应用到座椅设计中这一趋势变得更加流行。

1.1 座椅形状设计中的仿生

在座椅形状的设计中，生物形态仿生按照相似程度通常可以分为具象仿生、抽象仿生。具象仿生是指直接模仿自然界中各种生物的形态，力求通过逼真的色彩和造型，真实地再现生物的特征，达到惟妙惟肖的效果。在椅子设计中，有的设计师就大胆沿用了生物的整体造型进行仿生，如西班牙设计师Maximo Riera。他最近完成了动物座椅系列的设计，这一系列共有三把座椅，其中包括“章鱼椅”和“犀牛椅”，“海象椅”，见图1一图3。每一把椅子的造型都跟现实生活中的“一模一样”，更在此基础之上保持了动物应有的活力，形象逼真、惟妙惟肖，就好似章鱼、犀牛、海象这些动物就在眼前。这个椅子系列向人们展现了野生动物独有的美丽，它们可以凶悍，但也可以可爱，更应该生动。它们虽然居住在自然界，却也能停留在我们的生活中，给我们的生活增添更多的美丽和生趣。除了沿用生物的整体形态外，椅子的局部造型也被很多设计师设计成动物的一部分。Hybrid是设计师Merve Kahramans设计的一款融合了兔子和雄鹿造型的椅子（见图4），椅子背部设计了鹿角形状作为装饰，看起来气势磅礴。在椅子腿的设计上，巧妙地借鉴了雄鹿的四肢结构，使设计本身更加有趣。

抽象仿生是指将生物形态、色彩等特征概括、提炼，用简洁的设计语言将其表达，以形写神，经过夸张组合变形后依旧能保持动物的本质特征，让人一目了然。设计师Wilson Ninoercheng设计的一种青蛙椅，椅子整体造型是模仿一种有毒的青蛙。将青蛙的外形抽象化，搭配鲜艳的色彩，整个座椅看起来就像一只正要向上跳跃的青蛙，生动、有趣、简洁又不繁琐，加之椅子超软的坐垫、靠背恰到好处的倾斜角度使得这把椅子成为一款极为舒适的家具设计。类似的设计还有嘟嘟鸟儿童座椅。这款椅子利用了鸟类造型的变形，不仅增添了儿童座椅的情趣，而且更重要的是让儿童对大自然产生了兴趣。

具象仿生带给人们身临其境的感觉，但抽象仿生却会留给人们无尽的想象空间。随着仿生学的发展，在形态仿生的门类里又多了一项内容：意象仿生。寓“意”于“象”，通过客观物体来表达感情，就是文学里常说的借物抒情，不过此物非彼物，在仿生中“物”指的是可以触摸到的实际物体。意象，也并不是一个陌生的词，在古诗、散文中作者经常通过象来抒发自己的感情表达自己的志向。在设计中，设计师也同样通过在产品中注入文化元素、感情元素等一系列元素，赋予产品象征性的意义，给人们带来超出产品形状之外的联想，让人们对产品产生相应的理解和感情。例如，享誉世界的巴黎地铁入口设计师赫克托・吉马德，虽然他是新艺术风格的代表人物，但在他的设计主张中，我们却可以看到仿生设计的影子。他曾在自己的著作之中写道：“自然的巨著是我们灵感的源泉。”正和仿生设计所强调的取法自然的目的一致，这些想法也表现在他的设计之中。他曾经设计过这样一款椅子一一椅子整个看上去是由曲线组成的，十分有动感。值得一提的是，椅子背部设计成三根枝权支起的模样，远观好像某种脊椎动物的背部，由曲线构成给人一种向上的感觉。椅子虽然普通，但传达出的动态和生长的感觉，无疑向我们阐述了生命的真谛就是不断向上、勇往直前的拼搏。

1.2 座椅装饰设计中的仿生

大部分座椅仿生设计都是应用在外观造型上，但是也有一些仿生应用在座椅的装饰设计上。有的是在椅子背部装饰纹样上采用生物形态的仿生。最典型的代表是马克穆多设计的椅子背部。整个椅子的外观造型虽然平凡无奇，但背部的花纹设计却极其引入注目。这把椅子继承了新艺术风格的设计特点，背部采用了涡旋形的图案，抽象的蜿蜒曲线和清晰的植物边缘，流动于严谨的椅子边框之中，远远望去，既像一朵朵盛开的花朵，又好似一只孔雀正在开屏向世人展示它的魅力。类似的设计还有小鹿斑比款座椅。这款座椅在造型上模仿了鹿四肢的形态，十分可爱。尤其是椅子背部的装饰，借鉴了鹿角的形态，使椅子在原来的基础之上更栩栩如生、趣味性十足。

2.生物形态的仿生对现代设计的影响和意义

现代生活日新月异，设计也不单纯是满足生活需求而已。随着科技的发展和人们生活水平的进步，设计更致力于为改变和方便人们的生活而服务。仿生学作为一门正蓬勃发展的学科，为现代设计注入了新的灵感。在这之中，形态的仿生不仅为现代设计增添了更多的表现元素，也对现代设计和人们生活发展有重要的意义：

2.1 生物形态的仿生能唤起人们的环保意识

人和自然本就是一体。将生物形态应用到产品设计中，会激发人本性的情感，能拉近人与自然的距离，唤醒人们保护自然，爱护自然的意识。尤其在儿童座椅设计中，更可以把那些濒临灭绝和已经灭绝的生物形态加入其中，不仅可以让儿童增长知识，而且还能让他们对动物和自然产生怜爱之情，使他们产生保护自然的动力。孩子是祖国的未来，只有从孩子抓起，才能从根本上激发全民族要保护自然的决心。

2.2 生物形态的仿生产品更具亲和力、人性化

科技飞速发展，给人们带来优越生活的同时，也让人们产生了巨大的压力。人们每天奔走于工作生活之间，还要应付各种应酬，父母的健康、自己的事业、孩子的学业……一座座无形的“大山”压得每天都喘不过气来，这时充满科技感的产品对消费者来说，是没有感情和冷酷的。人们需要的是关心、关爱和被关怀。具有生物形态的产品能让人们感觉到亲切、贴心，能激起人们潜意识里对自然的依赖，好似躺在母亲怀中一般徜徉自在。

篇10

借助空气前行

制造软体机器人使用的是怀特赛德斯团队发明的“软光刻”技术。其生产过程是：用光照射模具的表面，使覆盖在模具表面的软体生物图案上一层薄薄的高分子膜曝光，然后将没有图案的地方溶蚀掉，留一个软生物模型。怀特赛德斯认为，这是一个非常成功的技术，它具有很高的分辨率，模型相当小巧，但在批量化生产之前成本比较昂贵。

软光刻技术是以柔软聚合物模具为载体，这是一个相对比较简单的制造过程。模型刻好后，对外表面修整再借助微流体技术在模型内部形成空腔通道。当通入空气时，模型的肢体会模拟软体生物肌体的伸缩而运动。

从软体机器人的四肢、躯干以及内部结构来看，有点像一朵简化的雪花，其中央“脊梁管”与四肢通道连接；机器人有两层聚合物：一层具有良好的伸缩性能；一层质地结实、坚不可摧。当空气注入后，具有弹性的肢体会不停地像气球一样膨胀、伸展和收缩。当收缩弯曲时，借助肢体与周围摩擦力作用产生的横推力，整个身体可以不断向前爬行。

怀特赛德斯说：“提出这个概念不难，但实现这种运动是很不寻常的。在这些看似四肢很简单的驱动下，从中你会看到非常有趣的运动。”他指出，虽然这种机器人的运动和构造确实很像海星似的软体动物，但目的是模仿它的功能，而不是其机制。

期待更多版本

研究人员在2011年12月20日出版的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上报道了这项研究的阶段性成果。截至目前，软体机器人的两个主要步态，即“波浪起伏”和“蹒跚爬行”时，每一个肢体都在不停地“鼓胀”与“收缩”，以此产生一系列的运动。结合步态的调整，比如说在低强度下挤压时，软体机器人所表现出的抗压能力，硬体机器人一般难以达到。软体机器人平展时高约0.9厘米，能够爬过一个高2厘米的缺口：当这个软体生物机器人爬行到缺口边缘时，肢体会不停地鼓胀、伸缩起伏，就像一个跳跃的生物试图通过这一缺口—样。

软体机器人长约13厘米，平均行进速度约24米／小时。怀特赛德斯说，其实对于机器人的大小没有限制，他的团队已经制造出了可以携带有效载荷的机器人模具，大小是现在的2倍。“如果你想让它携带传感器，那么这个东西必须能吸附在它身上。”为此，怀特赛德斯团队制作了一个新软体机器人，它有6个肢体，用作机器人的“抓手”，它们可以蜷缩伸展，能举起类似生鸡蛋一样的易碎物体。这种类似海星的软体机器人，在低强度挤压时所表现出的抗压能力，硬体机器人一般难以达到。研究人员对它进行了柔韧性测试：他们将一块玻璃板置于距离地面不到1.9厘米的高度，并让这个小机器人尝试从下面爬过去。结果科学家们成功地控制这个机器人15次来回穿过了这个极其狭小的缝隙，并且在大多数情况下，每次穿过所花的时间不到1分钟。

怀特赛德斯认为，这种软体机器人作为外科手术工具，为受损肌体组织进行修复。步行机器人在凹凸不平的地面行走是相当稳健的，可以在危险环境中进行目标搜索和救援行动。现在软体机器人已引起美国国防部高级研究计划署的兴趣，并出资支持这一研究。