仿生设计

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。
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）
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；
❖ 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
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
❖ 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。
如今飞机的平衡锤仿生了苍蝇的平衡棒
(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。在这一过程中，设计评价会以各种不同的 形式和不同的方法在各个阶段和层次进行，一般会 采用以下几种方法：语义差别评价法、设问评价法、 标准尺度评价法、综合性评价法等。
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
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。
❖ 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（作为一个案例）
❖ 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。
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
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。
❖ 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）
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
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。 ）
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。
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……
(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。 在这个过程中，奥斯本集体发想法、综摄法、希望 点列举法、假想构成法、设问探求法等感性和个性 的思考与理性和综合的思考一起发挥作用。
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。
❖ 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，而数学模型 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。
第四讲 仿生设计
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”。