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  望嵐騫 2011-03-30 00:00:00

  仿生設(shè)計(jì)學(xué) 仿生設(shè)計(jì)學(xué)，亦可稱之為設(shè)計(jì)仿生學(xué)（Design Bionics），它是在仿生學(xué)和設(shè)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興邊緣學(xué)科，主要涉及到數(shù)學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)、物理學(xué)、控制論、信息論、人機(jī)學(xué)、心理學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、色彩學(xué)、美學(xué)、傳播學(xué)、倫理學(xué)等相關(guān)學(xué)科。 仿生設(shè)計(jì)學(xué)與舊有的仿生學(xué)成果應(yīng)用不同，它是以自然界萬事萬物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“結(jié)構(gòu)”等為研究對象，有選擇地在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用這些特征原理進(jìn)行的設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合仿生學(xué)的研究成果，為設(shè)計(jì)提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途徑。在某種意義上，仿生設(shè)計(jì)學(xué)可以說是仿生學(xué)的延續(xù)和發(fā)展，是仿生學(xué)研究成果在人類生存方式中的反映。 仿生設(shè)計(jì)學(xué)作為人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)與自然界的鍥合點(diǎn)，使人類社會(huì)與自然達(dá)到了高度的統(tǒng)一，正逐漸成為設(shè)計(jì)發(fā)展過程中新的亮點(diǎn)。 自古以來，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類繁多的動(dòng)植物及物質(zhì)存在，它們在漫長的進(jìn)化過程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)。人類生活在自然界中，與周圍的生物作“鄰居”，這些生物各種各樣的奇異本領(lǐng)，吸引著人們?nèi)ハ胂蠛湍７?。人類運(yùn)用其觀察、思維和設(shè)計(jì)能力，開始了對生物的模仿，并通過創(chuàng)造性的勞動(dòng)，制造出簡單的工具，增強(qiáng)了自己與自然界斗爭的本領(lǐng)和能力。 人類Z初使用的工具——木棒和石斧，無疑是使用的天然木棒和天然石塊；骨針的使用，無疑是魚刺的模仿……所有這些工具的創(chuàng)造、生活方式的選擇都不能說是人類憑空想象出來的，只能說是對自然中存在的物質(zhì)及某種構(gòu)成方式的直接模擬，是人類初級創(chuàng)造階段，也可以說是仿生設(shè)計(jì)的起源和雛形，它們雖然是比較粗糙的、表面的，但卻是我們今天得以發(fā)展的基礎(chǔ)。 在我國，早就有著模仿生物的事例。相傳在公元前三千多年，我們的祖先有巢氏模仿鳥類在樹上營巢，以防御猛獸的傷害；四千多年前，我們的祖先“見飛蓬轉(zhuǎn)而知為車”，即見到隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)的飛蓬草而發(fā)明輪子，做有裝成輪子的車。古代廟宇中大殿之前的山門的建造，就其建筑結(jié)構(gòu)來看，頗有點(diǎn)像大象的架勢，柱子又圓又粗，仿佛像大象的腿。 我國古代勤勞勇敢的勞動(dòng)人民對于絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想。根據(jù)秦漢時(shí)期史書記載，兩千多年前，我國人民就發(fā)明了風(fēng)箏，并且應(yīng)用于軍事聯(lián)絡(luò)。春秋戰(zhàn)國時(shí)代，魯國匠人魯班，本名公輸般，首先開始研制能飛的木鳥；并且他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉得到啟示而發(fā)明了鋸子。據(jù)《杜陽雜編》記載，唐朝有個(gè)韓志和，“善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀，飲啄動(dòng)靜與真無異，以關(guān)戾置于腹內(nèi)，發(fā)之則凌云奮飛，可高達(dá)三丈至一二百步外，始卻下?！蔽鳚h時(shí)期，有人用鳥的羽毛做成翅膀，從高臺(tái)上飛下來，企圖模仿鳥的飛行。以上幾例，足以說明我國古代勞動(dòng)人民對鳥類的撲翼和飛行，進(jìn)行了細(xì)致的觀察和研究，這也是Z早的仿生設(shè)計(jì)活動(dòng)之一。明代發(fā)明的一種火箭武器“神火飛鴉”，也反映了人們向鳥類借鑒的愿望。 我國古代勞動(dòng)人民對水生動(dòng)物——魚類的模仿也卓有成效。通過對水中生活的魚類的模仿，古人伐木鑿船，用木材做成魚形的船體，仿照魚的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓，由此取得水上運(yùn)輸?shù)淖杂伞：髞黼S制作水平提高而出現(xiàn)的龍船，多少受到了不少動(dòng)物外形的影響。古代水戰(zhàn)中使用的火箭武器 “火龍出水”，多少有點(diǎn)模仿動(dòng)物的意思。以上事例說明，我國古代勞動(dòng)人民早期的仿生設(shè)計(jì)活動(dòng)，為開發(fā)我國光輝燦爛的古代文明，創(chuàng)造了非凡的業(yè)績。 外國的文明史上，大致也經(jīng)歷了相似的過程。在包含了豐富生產(chǎn)知識(shí)的古希臘神話中，有人用羽毛和蠟做成翅膀，逃出迷宮；還有泰爾發(fā)明了鋸子，傳說這是從魚背骨和蛇的腭骨的形狀受到啟示而創(chuàng)造出來的。十五世紀(jì)時(shí)，德國的天文學(xué)家米勒制造了一只鐵蒼蠅和一只機(jī)械鷹，并進(jìn)行了飛行表演。 一八ОΟ年左右，英國科學(xué)家、空氣動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人之一—?jiǎng)P利，模仿鱒魚和山鷸的紡錘形，找到阻力小的流線型結(jié)構(gòu)。凱利還模仿鳥翅設(shè)計(jì)了一種機(jī)翼曲線，對航空技術(shù)的誕生起了很大的促進(jìn)作用。同一時(shí)期，法國生理學(xué)家馬雷，對鳥的飛行進(jìn)行了仔細(xì)的研究，在他的著作《動(dòng)物的機(jī)器》一書中，介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關(guān)系。德國人亥姆霍茲也從研究飛行動(dòng)物中，發(fā)現(xiàn)飛行動(dòng)物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。人們通過對鳥類飛行器官的詳細(xì)研究和認(rèn)真的模仿，根據(jù)鳥類飛行機(jī)構(gòu)的原理，終于制造了能夠載人飛行的滑翔機(jī)。 后來，設(shè)計(jì)師又根據(jù)鶴的體態(tài)設(shè)計(jì)出了掘土機(jī)的懸臂，在一戰(zhàn)期間，人們從毒氣戰(zhàn)幸存的野豬身上中獲得啟示，模仿野豬的鼻子設(shè)計(jì)出了防毒面具。在海洋中浮沉靈活的潛水艇又是運(yùn)用了哪些原理？雖然我們無據(jù)考察潛艇設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)潛艇時(shí)是否請教了生物界，但是不難設(shè)想，設(shè)計(jì)師一定懂得魚鰾是魚類用來改變身體同水的比重，使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陸兩棲動(dòng)物，體育工作者就是認(rèn)真研究了青蛙在水中的運(yùn)動(dòng)姿勢，總結(jié)出一套既省力、又快速的游泳動(dòng)作——蛙泳。另外，為潛水員制作的蹼，幾乎完全按照青蛙的后肢形狀做成，這就大大提高了潛水員在水中的活動(dòng)能力。 二、仿生設(shè)計(jì)的歷史 自古以來，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類繁多的動(dòng)植物及物質(zhì)存在，它們在漫長的進(jìn)化過程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)。人類生活在自然界中，與周圍的生物作“鄰居”，這些生物各種各樣的奇異本領(lǐng)，吸引著人們?nèi)ハ胂蠛湍７?。人類運(yùn)用其觀察、思維和設(shè)計(jì)能力，開始了對生物的模仿，并通過創(chuàng)造性的勞動(dòng)，制造出簡單的工具，增強(qiáng)了自己與自然界斗爭的本領(lǐng)和能力。 人類Z初使用的工具——木棒和石斧，無疑是使用的天然木棒和天然石塊；骨針的使用，無疑是魚刺的模仿……所有這些工具的創(chuàng)造、生活方式的選擇都不能說是人類憑空想象出來的，只能說是對自然中存在的物質(zhì)及某種構(gòu)成方式的直接模擬，是人類初級創(chuàng)造階段，也可以說是仿生設(shè)計(jì)的起源和雛形，它們雖然是比較粗糙的、表面的，但卻是我們今天得以發(fā)展的基礎(chǔ)。 在我國，早就有著模仿生物的事例。相傳在公元前三千多年，我們的祖先有巢氏模仿鳥類在樹上營巢，以防御猛獸的傷害；四千多年前，我們的祖先“見飛蓬轉(zhuǎn)而知為車”，即見到隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)的飛蓬草而發(fā)明輪子，做有裝成輪子的車。古代廟宇中大殿之前的山門的建造，就其建筑結(jié)構(gòu)來看，頗有點(diǎn)像大象的架勢，柱子又圓又粗，仿佛像大象的腿。 我國古代勤勞勇敢的勞動(dòng)人民對于絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想。根據(jù)秦漢時(shí)期史書記載，兩千多年前，我國人民就發(fā)明了風(fēng)箏，并且應(yīng)用于軍事聯(lián)絡(luò)。春秋戰(zhàn)國時(shí)代，魯國匠人魯班，本名公輸般，首先開始研制能飛的木鳥；并且他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉得到啟示而發(fā)明了鋸子。據(jù)《杜陽雜編》記載，唐朝有個(gè)韓志和，“善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀，飲啄動(dòng)靜與真無異，以關(guān)戾置于腹內(nèi)，發(fā)之則凌云奮飛，可高達(dá)三丈至一二百步外，始卻下?！蔽鳚h時(shí)期，有人用鳥的羽毛做成翅膀，從高臺(tái)上飛下來，企圖模仿鳥的飛行。以上幾例，足以說明我國古代勞動(dòng)人民對鳥類的撲翼和飛行，進(jìn)行了細(xì)致的觀察和研究，這也是Z早的仿生設(shè)計(jì)活動(dòng)之一。明代發(fā)明的一種火箭武器“神火飛鴉”，也反映了人們向鳥類借鑒的愿望。 我國古代勞動(dòng)人民對水生動(dòng)物——魚類的模仿也卓有成效。通過對水中生活的魚類的模仿，古人伐木鑿船，用木材做成魚形的船體，仿照魚的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓，由此取得水上運(yùn)輸?shù)淖杂?。后來隨制作水平提高而出現(xiàn)的龍船，多少受到了不少動(dòng)物外形的影響。古代水戰(zhàn)中使用的火箭武器 “火龍出水”，多少有點(diǎn)模仿動(dòng)物的意思。以上事例說明，我國古代勞動(dòng)人民早期的仿生設(shè)計(jì)活動(dòng)，為開發(fā)我國光輝燦爛的古代文明，創(chuàng)造了非凡的業(yè)績。 外國的文明史上，大致也經(jīng)歷了相似的過程。在包含了豐富生產(chǎn)知識(shí)的古希臘神話中，有人用羽毛和蠟做成翅膀，逃出迷宮；還有泰爾發(fā)明了鋸子，傳說這是從魚背骨和蛇的腭骨的形狀受到啟示而創(chuàng)造出來的。十五世紀(jì)時(shí)，德國的天文學(xué)家米勒制造了一只鐵蒼蠅和一只機(jī)械鷹，并進(jìn)行了飛行表演。 一八ОΟ年左右，英國科學(xué)家、空氣動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人之一—?jiǎng)P利，模仿鱒魚和山鷸的紡錘形，找到阻力小的流線型結(jié)構(gòu)。凱利還模仿鳥翅設(shè)計(jì)了一種機(jī)翼曲線，對航空技術(shù)的誕生起了很大的促進(jìn)作用。同一時(shí)期，法國生理學(xué)家馬雷，對鳥的飛行進(jìn)行了仔細(xì)的研究，在他的著作《動(dòng)物的機(jī)器》一書中，介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關(guān)系。德國人亥姆霍茲也從研究飛行動(dòng)物中，發(fā)現(xiàn)飛行動(dòng)物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。人們通過對鳥類飛行器官的詳細(xì)研究和認(rèn)真的模仿，根據(jù)鳥類飛行機(jī)構(gòu)的原理，終于制造了能夠載人飛行的滑翔機(jī)。 后來，設(shè)計(jì)師又根據(jù)鶴的體態(tài)設(shè)計(jì)出了掘土機(jī)的懸臂，在一戰(zhàn)期間，人們從毒氣戰(zhàn)幸存的野豬身上中獲得啟示，模仿野豬的鼻子設(shè)計(jì)出了防毒面具。在海洋中浮沉靈活的潛水艇又是運(yùn)用了哪些原理？雖然我們無據(jù)考察潛艇設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)潛艇時(shí)是否請教了生物界，但是不難設(shè)想，設(shè)計(jì)師一定懂得魚鰾是魚類用來改變身體同水的比重，使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陸兩棲動(dòng)物，體育工作者就是認(rèn)真研究了青蛙在水中的運(yùn)動(dòng)姿勢，總結(jié)出一套既省力、又快速的游泳動(dòng)作——蛙泳。另外，為潛水員制作的蹼，幾乎完全按照青蛙的后肢形狀做成，這就大大提高了潛水員在水中的活動(dòng)能力。

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  ued2丶net罷谷 2011-03-30 00:00:00

  1.蒼蠅與航天 令人討厭的蒼蠅，與宏偉的航天事業(yè)似乎風(fēng)馬牛不相及，但仿生學(xué)卻把它們緊密地聯(lián)系起來了。 蒼蠅是聲名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污穢的地方，都有它們的蹤跡。蒼蠅的嗅覺特別靈敏，遠(yuǎn)在幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅并沒有“鼻子”，它靠什么來充當(dāng)嗅覺的呢? 原來，蒼蠅的“鼻子”——嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上。 每個(gè)“鼻子”只有一個(gè)“鼻孔”與外界相通，內(nèi)含上百個(gè)嗅覺神經(jīng)細(xì)胞。若有氣味進(jìn)入“鼻孔”，這些神經(jīng)立即把氣味刺激轉(zhuǎn)變成神經(jīng)電脈沖，送往大腦。大腦根據(jù)不同氣味物質(zhì)所產(chǎn)生的神經(jīng)電脈沖的不同，就可區(qū)別出不同氣味的物質(zhì)。因此，蒼蠅的觸角像是一臺(tái)靈敏的氣體分析儀。 仿生學(xué)家由此得到啟發(fā)，根據(jù)蒼蠅嗅覺器的結(jié)構(gòu)和功能，仿制成一種十分奇特的小型氣體分析儀。這種儀器的“探頭”不是金屬，而是活的蒼蠅。就是把非常纖細(xì)的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經(jīng)上，將引導(dǎo)出來的神經(jīng)電信號經(jīng)電子線路放大后，送給分析器；分析器一經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣味物質(zhì)的信號，便能發(fā)出警報(bào)。這種儀器已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內(nèi)氣體的成分。 這種小型氣體分析儀，也可測量潛水艇和礦井里的有害氣體。利用這種原理，還可用來改進(jìn)計(jì)算機(jī)的輸入裝置和有關(guān)氣體色層分析儀的結(jié)構(gòu)原理中。

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  996270347 2011-04-09 00:00:00

  自從人類發(fā)明了電燈，生活變得方便、豐富多了。但電燈只能將電能的很少一部分轉(zhuǎn)變成可見光，其余大部分都以熱能的形式浪費(fèi)掉了，而且電燈的熱射線有害于人眼。那么，有沒有只發(fā)光不發(fā)熱的光源呢? 人類又把目光投向了大自然。 在自然界中，有許多生物都能發(fā)光，如細(xì)菌、真菌、蠕蟲、軟體動(dòng)物、甲殼動(dòng)物、昆蟲和魚類等，而且這些動(dòng)物發(fā)出的光都不產(chǎn)生熱，所以又被稱為“冷光?！痹诒姸嗟陌l(fā)光動(dòng)物中，螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1500種，它們發(fā)出的冷光的顏色有黃綠色、橙色，光的亮度也各不相同。螢火蟲發(fā)出冷光不僅具有很高的發(fā)光效率，而且發(fā)出的冷光一般都很柔和，很適合人類的眼睛，光的強(qiáng)度也比較高。因此，生物光是一種人類理想的光。[10] 科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，螢火蟲的發(fā)光器位于腹部。這個(gè)發(fā)光器由發(fā)光層、透明層和反射層三部分組成。發(fā)光層擁有幾千個(gè)發(fā)光細(xì)胞，它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質(zhì)。在熒光酶的作用下，熒光素在細(xì)胞內(nèi)水分的參與下，與氧化合便發(fā)出熒光。螢火蟲的發(fā)光，實(shí)質(zhì)上是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成光能的過程。 早在40年代，人們根據(jù)對螢火蟲的研究，創(chuàng)造了日光燈，使人類的照明光源發(fā)生了很大變化。近年來，科學(xué)家先是從螢火蟲的發(fā)光器中分離出了純熒光素，后來又分離出了熒光酶，接著，又用化學(xué)方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源，可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當(dāng)閃光燈。由于這種光沒有電源，不會(huì)產(chǎn)生磁場，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性等工作。 現(xiàn)在，人們已能用摻和某些化學(xué)物質(zhì)的方法得到類似生物光的冷光，作為安全照明用。

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  lladdlladdllad 2011-04-13 00:00:00

  烏賊和誘餌 烏賊體內(nèi)的囊狀物能分泌黑色液體，遇到危險(xiǎn)時(shí)它便釋放出這種黑色液體，誘騙攻擊者上當(dāng)。潛艇設(shè)計(jì)者們仿效烏賊的這一功能讀者設(shè)計(jì)出了誘餌。誘醋似袖珍潛艇，可按潛艇的原航向航行，航速不變，也可模擬噪音、螺旋節(jié)拍、聲信號和多普勒音調(diào)變化等。正是它這種惟妙惟肖的表演，令敵潛艇或攻擊中的真假難辯，Z終使?jié)撏У靡蕴用摗? 蜘蛛和裝甲 生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)蜘蛛絲的強(qiáng)度相當(dāng)于同等體積的鋼絲的5倍。受此啟發(fā)，英國劍橋一所技術(shù)公司試制成猶如蜘蛛絲一樣的高強(qiáng)度纖維。用這種纖維做成的復(fù)合材料可以用來做防彈衣、防彈車、坦克裝甲車等結(jié)構(gòu)材料。 長頸鹿和“抗荷服” 長頸鹿是目前世界上Z高的動(dòng)物，其大腦和心臟的距離約3米，完全是靠高達(dá)160~260毫米汞柱的血壓把血液送到大腦的。按一般分析，當(dāng)長頸鹿低頭飲水時(shí)，大腦的位置低于心臟，大量的血液會(huì)涌入大腦，使血壓更加，那么長頸鹿會(huì)在飲水時(shí)得腦充血或血管破烈等疾病而死。但是裹在長頸鹿身上的一層、厚皮緊緊箍住了血管，限制了血壓，飛機(jī)設(shè)計(jì)師和航空生物學(xué)家依照長頸鹿皮膚原理，設(shè)計(jì)出一種新穎的“抗荷服”，從而解決了超高速殲擊機(jī)駕駛員在突然加速爬升時(shí)因腦部缺血而引起的痛苦。這種“抗荷服”內(nèi)有一裝置，當(dāng)飛機(jī)加速時(shí)可壓縮空氣，也能對血管產(chǎn)生相應(yīng)的壓力，這比長頸鹿的厚皮更高明了。 鯨魚和潛艇的“鯨背效應(yīng)” 當(dāng)代核潛艇能長時(shí)間潛航于冰海之下，但若在冰下發(fā)射，則必須破冰上浮，這就碰到了力學(xué)上的難題。潛舴專家從鯨魚每隔10分鐘必須破冰呼吸一次中得到啟迪，在潛艇頂部突起的指揮臺(tái)圍殼和上層建筑方面，作了加強(qiáng)材料力度和外形仿鯨背處理，果然取得了破冰時(shí)的“鯨背效應(yīng)”。 蝴蝶和衛(wèi)星控溫系統(tǒng) 遨游太空的人造衛(wèi)星，當(dāng)受到陽光強(qiáng)烈輻射時(shí)，衛(wèi)星溫度會(huì)高達(dá)200攝氏度；而在陰影區(qū)域，衛(wèi)星溫度會(huì)下降至零下200攝氏度左右，這很容易烤壞或凍壞衛(wèi)星上的精密儀器儀表，它一度曾使航天科學(xué)家傷透了腦筋。后來，人們從蝴蝶身上受到啟迪。原來，蝴蝶身體表面生長著一層細(xì)小的鱗片，這些鱗片有調(diào)節(jié)體溫的作用。每當(dāng)氣溫上升、陽光直射時(shí)，鱗片自動(dòng)張開，以減少陽光的輻射角度，從而減少對陽光熱能的吸收；當(dāng)外界氣溫下降時(shí)，鱗片自動(dòng)閉合，緊貼體表，讓陽光直射鱗片，從而把體溫控制在正常范圍之內(nèi)?？茖W(xué)家經(jīng)過研究，為人造地球衛(wèi)星設(shè)計(jì)了一種猶如蝴蝶鱗片般的控溫系統(tǒng)。

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