仿生学的发展(第1-4节)

奇异的仿生学刘燕教授吉林大学生物与农业工程学院吉林大学工程仿生教育部重点实验室奇异的仿生学前言第一章从模仿到创造——仿生学的发展第一节仿生学的起源远古时代人类处于农牧（渔）时代，人类的祖先模仿蜘蛛网编网捕鱼；受果实和瓢虫滚动的启发发明轮子……生存——自卫——竞争仿生学的发展工业时代人们模仿植物和动物结构，创造新的建筑结构；模仿鸟的飞翔发明飞机；模仿人与动物发明机器人；模仿海豚发明潜艇……观察——灵感——模仿仿生学的发展信息时代模仿人的运算发明计算机；模仿生物的信息传感……分析——启示——设计仿生学的发展知识时代人们模仿生命的微观结构与功能;模仿生命的遗传与发育;模仿人脑的认知;模仿生命的协同进化;……………模仿——制造——创新第二节仿生学的诞生自然科学的迅速发展，模仿生物创造出来的新仪器、新设备也日益增多。例如：雷达、响尾蛇导弹、电子计算机等。生物学、物理学、生物化学、控制论工程等学科相互关联、相互渗透，使仿生学上升到新的层次。仿生学的定义仿生学一词最早是在1960年由美国人斯蒂尔取自拉丁文“bios”（生命方式）和词尾“nic”（具有……性质的）合成的，他认为：仿生学是研究模仿生物系统方式，或是以具有生物系统特征的方式，或是以类似于生物系统方式的系统科学。一般认为，1960年全美召开的第一届仿生学讨论会是仿生学诞生的标志。仿生学标志仿生学的定义仿生学可以定义为：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。仿生学需要生命科学、物质科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学的交叉。仿生学的应用可涉及所有技术领域和大多数应用领域。仿生学的含义仿生学广义的理解是：仿生学这门学科研究生物系统各种各样的特征（包括物质、能量、信息等），作为模拟对象逐步改善现代技术设备并创造新的工艺技术。仿生学狭义的理解是：仿生学是研究生物接收、传递、加工信息的方法及其机制。作为模拟对象，设计各种各样自控机的科学。广义理解—模拟生物（自然）创造人工制品（1）生物：动物（150多万种）、植物（40多万种）、微生物（10万种）个体、组、群整体、部分；组织、器官、系统有利（2）模拟：有益有用于人类需求的，对人类社会有好处的范围：静、动层次：点、线、面、体、组、群形体（形状、构形）形态（形貌）结构材料过程行为功能其它形体（形状、构形）人造的物体：（刻、画、照、摄、录…）、象形文字绘画象形文字剑鱼海豚雕刻体表：流线形形态（形貌）人造花朵：艺术、塑、刻、雕…人造盆景人造刻花雕塑表面形态：非光滑、纹理结构几何：欧氏几何（平面、立体、1，2，3维）、非欧几何（拓扑、分形、统计）物理：异相耦合、同相结构材料组成（成分）、组织、结构（宏观、介观、微观）向日葵生物进化地球进化过程短：反应（快速）、动作（体育、武术）武术食虫草跳高长：生长（向日葵）行为多类：a.摄食、躲避、防护；b.社会、个体；c.信息、交流主要以运动：有位移运动、无位移运动鱼鹰捕食海豹躲在浮游生物群中蜂群功能物理：机械、力、声、电、磁、（脱附、减阻、耐磨、降噪）化学：物化（自洁)、防腐、节能自适应：自繁殖、自生长、自学习、自修复生物学：新陈代谢、光合作用、固氮荷叶自洁外墙漆牛的新陈代谢植物的光合作用（3）创造人工制品：创造性地设计与开发仿生技术制造仿生产品营造仿生系统建造仿生工程狭义理解—模拟生物制造人工技术制品创新地设计与制造仿生技术产品：用人工使原材料成为可供使用的物品。科学：反映现实世界的客观规律的知识体系。科学研究的动力与源泉来自于：求知欲、好奇心（事实）；事物变化规律的探索（规则）；新方法、新工具与新问题。科学的目的是求知和求真。第三节仿生学与科技创新的关系科学与技术创新的动力与源泉技术的目的在于满足需求和市场的竞争。其动力与源泉来自：源于人们实践经验累积与创造欲望；源于科学发现引发的技术创新，创造的新工艺、新方法、新产品、新体系；源于对自然界生物结构、功能、行为以及相互作用的学习与模仿；源于需求与市场竞争的推动。学习自然，运用规律——发明与创造科学与技术创新的动力与源泉科学与技术创新的动力与源泉科学与技术固然性质与目标不同，但它们仍有共同和相关之处：都源于人的创新欲望；都源于对自然和社会的认知和学习；科学与技术互为条件，互相促进；都受到社会需求、社会环境、社会文化的制约和推动。人的创造欲是科技创新的根本动力，自然和社会是我们认知和创新服务的对象，也是我们学习的最好老师。Dragreductionbasedondermalribletsonsharkskin.(Bechetetal.1997)基于鲨鱼真皮肋间肌的减阻鲨鱼皮表面形态仿鲨鱼皮泳装近代几个对人类生活具有重要意义的仿生学成果Toughceramicsbasedonmother-of-pearl.(Jacksonetal1997)基于珍珠母的硬质陶瓷在结构仿生方面最引人注目的是软体动物的贝壳珍珠层层状结构的仿生。海洋贝类是由绝大部分的碳酸钙和极少量的有机质(一般少于5)所构成的有机—无机复合材料，贝壳珍珠层的硬度是普通文石的2倍，韧性是后者的1000倍。Flightmechanismsbasedoninsectflight.(Ellington1999)基于昆虫飞行的飞行机制微型飞行器由于其体积小，有很好的隐蔽性和机动性，最适于在室内或野外小范围内进行侦察；也可以攻击载人飞行器及其它目标。将MFI用于气象数据收集、环境研究等方面，可大大减少费用。Extrusiontechnologybasedonthespinneretofthespider(Knight&Vollrath1999)基于蜘蛛喷丝头的挤出技术蜘蛛丝的理化性质与蚕丝相比，具有非常明显的优势，在力学强度方面，蜘蛛丝纤维与强度最高的碳纤维及高强纤维等强度相接近，但它的韧性明显优于高强纤维。Self-cleaningsurfacebasedonthesurfaceofthelotusleaf.(Barthlott&Neinhuis1999)建立在荷叶表面的自清洁表面仿生学的前沿仿生学的前沿也伴随着科技发展与经济社会的发展而发展；仿生学有无止境的前沿!仿生学未来1、近四十亿年进化，“物竞天择”的生物世界是技术创新不可替代、取之不竭的知识宝库和学习泉源；2、仿生科学有无止境的前沿，正向着微观、系统、智能、精细、洁净方向发展；人类进化只有五百万年的历史，而生命进化已经历了近四十亿年的历史。谢谢各位！