仿生学与旅游

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仿生学与旅游篇一：蜻蜓与仿生学

发明史话

INVENTION&INNOVATION

２００—３００倍。他用显微镜观察各种物体，并把观察结果记录下来。１６７５年，他在静止的污水中第一次看到了肉眼看不到的“微小动物”，他也看到了酵母的细胞，并在１６７６年首次看到了球状、杆状及螺旋状的细菌。

１６７７年，英国皇家学会会员罗伯特·胡克依照列文虎克的报告制作了一架显微镜，亲自观察了列文

显微镜是医学临床检验的必备仪器之一。说起显微镜的发明者，不少人都会提及荷兰人列文虎克。

列文虎克（１６３２—１７２３）早年是阿姆斯特丹一家杂货店的学徒，业他偶然从书上余酷爱读书。一次，

看到一句话，说玻璃可以磨成小小的凸透镜，通过凸透镜看东西，能使小的东西放大许多倍。这激发了他的好奇心。说来亦巧，杂货店隔壁是家眼镜店，于是列文虎克一有空就光临眼镜店，请工匠教他磨制他终玻璃镜片。功夫不负有心人，于磨成了光洁透亮的镜片。他把两块镜片隔开一定距离，固定在金属板上，再装上一个调节镜片的螺旋

“魔杆，于是一架当时堪称精巧的镜”即显微镜制成了。

其实，世上第一架显微镜早在１５９０年前后就由荷兰镜匠詹淼父子制成了。这架显微镜是用一片凸透镜和一片凹透镜重叠起来组合而成，故称复式显微镜。此显微镜后经意大利天文学家和数学家伽利略加以改良，才有了更佳的效果。但伽利略的显微镜也有缺陷，由于当时制造透镜的技术不精良，在放大倍数较高时，物像便显得模糊不清。

而列文虎克一生潜心研磨透镜片，用手工磨制４１９枚，并制成２４７架简易显微镜，其放大倍数为

虎克所述的新发现，证明是事实。由于列文虎克第一次证明了微生物世界的存在，１６８０年，他被选为英国皇家学会会员。

显微镜为人类揭开肉眼看不到的五光十色的微观世界的奥秘，使万物生存于其中的大自然又向人２０世类敞开了一个新领域的大门。纪以来，显微镜技术飞速发展。１９３２年，世上第一架电子显微镜问世。这也使生物学发生了一场革命。１９７７年，我国研制成功一台８０万倍的电子显微镜，至２０世纪９０年代中期，放大率为２００万倍的电子显微镜和离子显微镜问世。

显微镜：

让人类走进微观世界

■刘从

蜻蜓在昆虫类的动物中，可说是飞行佼佼者。受它的启示，人们设想造出一种不需跑道，直接从地面升起的飞机。

1907年，世界上第一架像蜻蜓一样的直升飞机由法国工程师伯雷格和黎歇才研制成功。这架直升飞机没有“翅膀”，机身两旁各有一条长长的机臂，每一机臂头上有两副能在水平方向上旋转的四叶螺旋桨；当四副螺旋桨转时，直升机就可从地面上垂直升起。在试飞时发现飞机振动厉害，安全性能差。通过试验后发现，直升机的关键是要设计出一种最理想的旋翼传动机构。对此，发明家们用了几十年的时间，直到1930年，德国的福克教授经过反复试验，终于设计出了一种理想的旋翼和机械传动装置，试飞时驾驶员再也不用为自己的安全担心了，飞机也能够平衡地飞行。

直升飞机：由蜻蜓“带来”的发明

■周华

2年后，美国工程师西柯斯基设计出一种更为实用的直升机，西柯斯基驾驶着它作了成功的表演。又过了不到一年，前苏联工程师布拉图欣也独自设计制造出一架名为“欧米加号”的直升机。从此，直升机成为空中交通的重要工具。它被广泛运用于军事、大地测量、森林防火，施洒农药、海上救援等许多领域。随着科学技术的不断发展，直升飞机也在不断改进。

仿生学与旅游篇二：仿生学与建筑

仿生学与旅游篇三：仿生学与建筑

探究仿生学在

建筑和城市规划学的应用

摘要：自然主义作为一种古老的哲学观一直影响着人们的精神世界。在城市

规划和建筑设计及其他艺术设计领域,自然主义的影响也源远流长,从霍华德的田园城市思想到如今的生态城市建设,无不体现着尊重自然、学习自然的理念。自古以来，建筑师们就从大自然撷取设计灵感。古埃及柱的设计就是以棕榈树和荷花为蓝本，建筑师们借助这些自然形成的物体的形状和比例，力争使设计达到完美的境界。

关键词： 自然主义 生态设计 人文

1.仿生学的发展

现代仿生学的研究历史已有几十年,它属于生物科学与工程科学的交叉科

学。1960年在美国俄亥俄州召开了第一届仿生学讨论会,会上共同制定了仿生学的概念。仿生学就是在技术方面模仿动物和植物在自然中的结构和功能的基本原理来制作新的或改进旧的机构、仪器、建筑等方面的科学。仿生并非简单的模仿，而是对自然界所发生的现象进行探索，究其因果，思索对策,从而预测、防治和控制灾害。仿生学的研究目的是为了学习生物各种各样的能力，研究它们的作用机制，作为进行技术设计的一条途径，以改善现有的或创造新型的机械系统、仪器设备、建筑结构和工艺过程。随着科学技术的发展，仿生学已经成为一种新时代的潮流，渗透到方方面面，从城市总体到单体建筑，从居住环境到材料，研究方面包括了环境仿生、功能仿生、结构仿生、形式仿生等。从某种意义上说，仿生学的研究是以提供健康生活，改善生态环境为目标，体现了社会可持续发展意识和对人类生存环境的关怀。

2.仿生元素在中国现代建筑设计中的应用

1.我国的现代仿生建筑观

我国在近现代，虽说国外的建筑仿生学研究较为迅速，仿生建筑作品也较为多样，但我们国内的仿生建筑发展速度还比较慢，其范围主要是对建筑材料、技术、设备、结构等几方面的研究，仿生建筑生态观在国内是似乎仍是一种新观念。但近年来，国内也相继出现了一些仿生建筑，如：常州的中华恐龙馆，北方的仿生薄壳式建筑（，2008北京奥运场馆“水立方”等。水本来是一种重要的自然

元素，但在中国文化里，它有着深刻的含义，“水能载舟，亦能覆舟”、“上善若水”、“福如东海长流水”等。因为水的无形与万变，引起了设计师的思考，激发了他们的设计灵感。

2.水立方与仿生元素

水立方，为2008年北京举办的“人文、绿色、科技”奥运增添了不少光彩，

它完美地融和了中国传统文化和现代科技。没有规矩不成方圆，“鸟巢”的“圆”与“水立方”的“方”造型，交融在一起，表达了中国 “天圆地方”的设计思想。它的建材其实是对生物机理的仿生，这种仿生为建筑提供了环保的表皮，也完美地体现出了水的神韵。为了设计出更符合人居要求、更符合时代的建筑，应该在建筑的外形、材质、色彩等方面加以改革，使之与自然相融合。为了使建筑更具地方特色，彰显本土文化，成为标志性建筑，设计师们可以采用具有地方特色的艺术符号，要把优秀的民族文化传承下去。

3.举例在城市规划学中某小区应用仿生知识

通过对蜜蜂和蚂蚁两种生物的巢穴进行观察分析，将得到的结论应用到城市

小区的设计规划中。从几何学的角度来分析，在周长一定的条件下，圆面积最大，即圆最节省材料，这就是为什么很多商品都做成圆柱形，如饮料瓶。但现在也有很多厂商为了达到美观和吸引顾客的效果，将产品做成了很多形状，甚至是奇形怪状--不惜耗费材料。而圆的内接多边形，周长都不及圆的周长长，面积都小于圆，但边数越多就越接近圆，就越省材料，但都没有圆来的经济节约。那为什么蜜蜂不选择建造圆形的巢穴呢？答案很简单：如果选用圆形，圆与圆之间不可能无缝隙相连，即充其量只是数学概念上的“相切”，即使蜂巢的大小相对宽裕（对蜜蜂来说），蜂巢也是会有缝隙的。蜜蜂也会精打细算，圆形的蜂巢不仅因为存在缝隙而带来不便，而且有限的空间没有得到充分利用。

由于六边形的内角值大于四边形，一天之中，使得房屋能够受到日照的范围

增加了；未见到阳光的部分比较小，可以直接用作楼梯间和电梯井。将六边形绕形心旋转30°后，会发现建筑物的所有部分均能不同程度地享受到不同时段阳光的照射。六边形能尽可能地占满所处的空间而不留缝隙，那么小区内道路的铺设也就能像蜂巢那样形成优美的六边形。六边形使得风对建筑物的作用力降低，同时又起到通风的作用。小区内的楼盘布置如同小巧精美的蜂房一样，充分利用了

空间，又没有造成日照影响。对建筑物本身来讲，六边形又是比较节省建筑材料的。如果小区的外轮廓不是规整的多边形，那么这种布置方式的灵活性就更加能够适应这种复杂情况。

4.整体城市的仿生应用

1社区界面仿生

社区的界面，就象人体的皮肤一样，是与外界首先接触的部分。研究社区的

“皮”，不仅要注重大的环境，而且要关心到每个外部环境下的“细胞”，将垂直界面和水平界面结合起来，塑造健康的外部形象。社区的基本界面可以作为整个有机体的“细胞”，不同使用功能的界面要根据自身的特殊条件来进行设计，将它的“细胞”作用发挥到最大。

城市的使用需求，使社区这个细胞与城市的有机体实现营养的交换、生长的融合。

2道路网络仿生

道路网络是社区的骨架，它集交通、供水、供电、供气、通讯各种功能于一

体，像人的骨骼和循环系统，树的干、枝，叶子的叶脉等，有固定的物理支撑并输送养料，排泄废物，缓解由于不必要的道路交通问题，并通过道路自身的生长带动城市整体的生长。规划社区的“骨”，不但要宏观地把握整个社区的骨架，研究社区的交通和基础设计，而且不能忽略那些局部的、细微的骨架。

3公共空间仿生

公共空间环境，犹如社区的“动脉”和“血肉”，是社区的各个空白的空间，

是连接建筑与建筑的有机自然体系，人们穿越于此、休闲于此、交往于此。它象“动脉”和“血肉”一样丰富着、支撑着、活跃着整个生命有机体。

在公共空间环境上以场地中部的石拱河作为核心依托，清淤改造河流水体，

最大限度地保留两岸的树木，充分保护沿河的绿化环境，使其作为整个社区天然的绿化环境主动脉，通过组团之间的绿化带在把这条主动脉上的绿化气息引入到每个组团之中。沿河两岸设置部分社区公共服务设施和休闲活动广场，形成一条活跃的、人性化的公共活动主动脉；另外，每个组团设置中心活动绿地，并以步行道将其相互连接，形成若干条南北向的绿化步行空间，再将其与沿河的绿化和活动带紧密相连，形成一个完整的绿化环境和休闲交往空间系统，就像为社区营

造了一套完善的血液循环系统。

5.仿生对中国建筑学和城市规划学发展的积极意义

1.仿生元素的社会文化、经济及环保功能很多著名科学家曾预言道，21世纪后，世界的文化中心会转移至中国，东方因其悠久的历史文化而复兴。因此，研究人员和建筑师有责任挖掘中华文明中的优秀建筑学思想、理论，并将其传承、发扬，仿生建造就是很好的表达方式。建筑仿生学，从字面上来说，就是人类模拟、学习各种生物的活动方式，然后建造出一种生态建筑，并使其与自然融为一体。 我国现阶段正处于社会主义初级阶段，能源分布不均，人均资源量少，交通、工业和建筑均能耗高，面临着两大问题：环境与能源。有关资料显示，我国目前的建筑能耗约占总能耗的25％，若不加大力度发展建筑节能技术，由于经济的快速增长，该比例定会迅速上升。我国迫切需要创造绿色节能建筑，用以减少能源损耗。目前我国各地的科研单位、高等学府、设计单位等都在大力开展绿色节能研究，力在推崇、发展节能建筑。

2.仿生元素为建筑师提供新思路

从建筑设计方面来讲，仿生元素为建筑师提供了新的思路、新的形式。建筑师之所以在建筑外形、结构及功能等多方面运用生物形态，或是出于隐喻和象征，亦或是来自自然的灵感。当然，伴着科技的发展，设计者们已可以在电脑屏幕上完全建构出新材料和建筑机构设计。先进的科技、前卫的思想提供了广阔的技术平台，如今，越来越多的仿生建筑被建成，这为我国的建筑设计领域增添了活力。

参考文献：

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[2] 其钧.后现代建筑语言[M].北京：机械工业出版社，2007.

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[4] 王海粟.浅议仿生披露模式[J].仿生研究，2004,21(1)：56-58.

[5]夏鲁惠.高等学校毕业论文教学情况调研报告[J].高等理科教育，2004(1):46-52.

[6]王斌飞.高等学校毕业论文教学情况调研报告[J].高等理科教育，2004(1):46-52. ［7］王明亮.关于中国学术期刊标准化数据库系统工程的进展

仿生学与旅游篇四：仿生学的意义与发展

仿生学与旅游篇五：仿生学与自然

仿生学与旅游篇六：仿生学与发明

仿生学与发明

生活中不缺少发现，但是缺少发现的眼睛，古往今来，有许多创新和发明，都是从发现中产生的。今天，我将告诉大家一些关于人类根据仿生学理论所产生的发明和创造，以及这些工具给大家带来的方便和便利！

大家应该都知道电子眼吧！这是一种很方便的探测工具，它的模型很像青蛙的眼睛，所以也叫“电子蛙眼”，可以帮助交警掌握违规行为，还能更好地掌握人们的一举一动。在很久以前，没有发明电子眼之前，交警只能用自己的一双眼睛来看，不过，眼睛能看到的范围是很小的，有些地方都不能看见，即使这些警察是整天整夜地看，效率也是不高的，往往看不见别处的地方。而现在，科技发达了，科学家便发明了电子眼，电子眼不会像人们一样要睡觉，它是24小时工作的。现在，拥有了电子眼，路上不会经常发生车祸事故了。电子眼真是交警的好帮手，更是人们的好帮手！

现在非常流行的“子弹头”列车也是根据仿生学原理发明的工具。它的样子很像泥鳅那种流线型的形状，科学家正是因为发现泥鳅流线型的形状在水中的阻力

是最小的，所以发明了“子弹头”，这样就极大地减少了车辆行驶中的空气阻力，加快了速度，提高了效率。我听说，在没有发明“子弹头”之前，车辆速度是很慢的，从北京到新疆的列车上，要几天的时间才能到达目的地。但是，自从“子弹头”被应用后，列车就变得越来越快，它就像一条非常灵活的泥鳅，飞速穿行在祖国大地上。“子弹头“深得老百姓的喜爱。

我还发现，就连爸爸的车也是根据仿生学原理制造的。爸爸的车远远地看，它就像一头大蓝鲸。车身非常流畅，能极大地减少行驶过程中的风阻。听爸爸说，他之所以买这辆车也因为它有些像蓝鲸的形状——流线型的阻力是很小的。这样，不仅能提高速度，也能减少阻力，节省汽油。

其实，生活当中还有许多从动物的身体器官受到启发而发明的工具，这些告诉我，人类要善于观察大自然的规律，创造出更多与仿生学相关的工具，为人类做出更大的贡献！

仿生学与旅游篇七：仿生学与新材料

仿生学与新材料

摘要：自然界生物在漫长的进化过程中优胜劣汰，为了生存、自卫、竞争和发展的需要，强

化了许多优异的结构和特殊功能，值得人们很好地借鉴并发挥。仿生学是指模仿生物建造技

术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、

功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，

创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常

可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大

的开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。

关键词：仿生学 仿生设计 军事 能源

1.引言

早在远古时期，人类就从自然生态系统中领悟到自身生存、发展和进步的真

谛，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

顾世界文明史，人们很早就留下了模仿自然生态的痕迹，人首龙身、羽化飞升等

大量事例记述了人们对自然生命形态和功能创造性的模仿。

人类师法自然思维由来已久，这便促成了仿生学的诞生。仿生学是研究生物

系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学，属于生物

科学与技术科学之间的边缘学科，其目的就是分析生物过程和结构，并将结果用

于未来的设计。

仿生学思想是建立在自然进化和共同进化基础上的，人类所从事的技术就是

为使其达到互相间的协调，而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好途径，恰似

“桥 梁”和“纽带”，连接着生物科学与技术科学[1]。人们向生物系统索取设

计蓝图，使军事、化工、机械、建筑等科学领域发生了根本性的变化，新事物层

出不穷：从雪 地行走的企鹅，人们发现了越野汽车；利用六角形结构蜜蜂窝，

生产出了蜂窝材料；从青蛙突出的眼睛，制造电子蛙眼；由令人讨厌的苍蝇，仿

制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来

检测舱内气体的成分；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。根据蝙蝠

超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”，这种探路仪内装一个超声

波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的

“超声眼镜”也已制成。

在工业化进程加速的基础上，仿生学已被广泛应用到社会生产、生活的各个

方面，仿生学的相关设计开始占据举足轻重的地位，人们由此得出仿生设计学

（Bionics Design）[2]。仿生设计学是在仿生学和设计学的基础上发展起来的

一门新兴学科，它与原有的仿生学成果应用不同，是以自然界万事万物的

“形”“色”“音” “功能”“结构”等为研究对象，同时结合仿生学的研究

成果，为设计提供新的原理和方法。从某种意义讲，仿生设计学可以说是仿生学

的延续和发展，作为人类社 会生产活动与自然界的契合点，正逐渐成为设计发

展过程中新的亮点。

2.仿生学的研究范围

仿生学的研究范围非常广阔主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、

信息与控制仿生等。

力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及

生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，

建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力

特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟

槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速。

分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、

生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激

素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微

克，便可诱杀雄虫。

能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机

械能等生物体中的能量转换过程。信息与控制仿生，是研究与模拟神经元与神经

网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如,根据象

鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜

侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊

目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出

新型计算机。模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通

过训练，改变元件之间联系的权重来进行学习，从而能实现模式识别。此外，它

还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，

以及人-机系统的仿生学方面。我们可以从不同的角度多方面研究仿生学的原理

与方法，更好的应用仿生法。

3.仿生学的应用

3.1仿生学在军事上的应用

随着时代发展与变化，军事仿生设计越来越受到人们的关注。在漫长的进化

过程中，生物为了生存、自卫、竞争和发展的需要，逐渐形成了许多优异的结构

和特殊功能，值得人们在军事研究中很好地借鉴。军事仿生学就是模 仿生系统

的原理来建造先进军事装备技术系统或者使人造军事装备技术系统具有或类似

于生物系统特征的一门科学。随着人类科学技术的进步，军事仿生学的研究 范

围越来越广泛，已经渗透到与军事相关的各个领域，只要生物界具有的优异之处

而军事装备上又很需要的，都值得军事研究人员去揣摩、模仿。

仿生设计在军事上的成功应用有很多例子。如猫的眼睛与夜视仪。漆黑的夜

晚，猫能清楚地观察老鼠的一举一动并敏捷地抓住它，其原因在于猫眼的视网膜

上具有圆 锥细胞和圆柱细胞，圆锥细胞能感受白昼普通光的光强和颜色，圆柱

细胞能感受夜间的光觉。一般只能在白天活动的动物如鸟、鸡等，它们的视网膜

中常常只有圆锥 细胞；而另一些只能在夜间活动的动物如猫头鹰，其视网膜上

只有圆柱细胞。此外，猫眼还有一个特点，在它感受弱光时，瞳孔能够随着光的

不同强度而自动调整。 所以，阳光很强时，你会看到猫眯着它的双眼，瞳孔已

缩小成直线般的细缝，保证只让少量的光线进入瞳孔内。而在光线十分微弱的晚

上，瞳孔又能放大呈圆形，以 便保证在黑暗中也能看清楚各种物体。军事科学

家们便模仿猫眼的奥妙研制出了大有用处的微光夜视仪。 这就是军事仿生学。

世界上有许多军事发明，也都是科学家在探 索动物奥秘中得到启迪而设计、发

明的。例如：蝴蝶与卫星控温系统。位于太空的人造地球卫星，在受到阳光的强

烈照射时，卫星表面温度会高达2000度；而在 阴影区域，卫星表面温度会下降

至零下200℃左右，很容易烤坏或冻坏各种仪器仪表，这曾使航天科学家伤透了

脑筋。后来，科学工作者从蝴蝶身上受到启迪，原 来在蝴蝶体表生长着一层细

小的鳞片，有着调节体温的作用。每当阳光直射、气温上升时鳞片自动张开，以

调整阳光照射的角度，从而减少对热能的吸收；而当外界气温下降时，鳞片自动

闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把温度控制在正常范围内。科学家为人

造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。

仿生设计在军事上的成功应用，推动了军事科技的发展。在当今信息时代，

人们对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，同时注重个性[3]。而仿生设计本身就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。所以，

运用仿生性思维进行军事方面设计，不仅创造功能完备、结构精巧、用材合理、

美妙绝伦的军事化及军需化物品，而且以生命的象征，让设计回归自然，增进人

类与自然和谐统一。

仿生设计在军事上的应用有着巨大的潜力和发展前景，随着科学的高速发

展和人们对自然界认识的不断提高，将会有更多的仿生发明应用于军事科技领域。

两个领 域的结合将使军事研究向着更为科学和完美的方向发展，为军事研究开

辟新的空间；同时，仿生设计也拥有了更广泛的用武之地，为其自身进一步发展

壮大奠定了基础。

3.2仿生学在新能源上的应用

2008年8月Angewandte Chemie杂志报道了澳大利亚莫纳什大学的利昂·斯

皮西亚、罗宾·布里姆布来可比和安妮特·可罗，澳大利亚联邦科学与工业研究

组织（CSIRO）的格哈德·斯伟格斯和美国普林斯顿大学的查尔斯·迪斯莫克斯

共同开发了由一层涂层和维持植物光合作用的基本化学物质——锰组成的系统。

该系统可模拟植物的光合作用，为利用阳光将水分解成氢和氧开辟了一条新途径。

此项技术突破有望革新制氢工艺，从而利用太阳光大规模生产清洁的绿色能源—

—氢气。光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照射下，将

二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。对于生物界的几乎所有

生物来说，这个过程是赖以生存的关键，而在面临能源和环境瓶颈的今天，这一

过程中的能量转换也为人类提供了极其重要的启示。由于自然光谱的吸收率等原

因，光合作用在多数植物中效率非常低，通常均低于0.5%。在人工设计的系统

中，研发人员借鉴其光反应与电子传递的机制，并提高通量转化的效率，使其适

于太阳能的转化利用。事实上，在上述模拟光合作用的研究取得突破前，微生物

制氢的已经成为了研究热点。自然界已发现有类似甲烷菌的制氢菌，但其菌种繁

育不如甲烷菌那样简单。若能建立合适的菌种群落，制造氢气也会像制造沼气一

样得到大规模应用。

模拟光合作用制氢或者微生物制氢过程正是仿生学“向自然学习”的思想典

型。20世纪40年代以来，工程技术领域中出现了调节理论，人们开始在一般意

义上把生物与机器进行类比，认识到二者包含自动调节系统。此后，科学研究和

生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科

学和工程技术从理论上联系起来，成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁，

奠定了生物与机器在控制与通信方面进行类比的科学理论基础。之后，斯蒂尔提

出了仿生学的研究理念。自上个世纪末以来，人们认识到大约35亿年的生命演

化与协同进化过程优化了生物体宏观与微观结构，形态与功能具有无可比拟的优

越性，仿生学也因此显示出巨大的生命力。

从研究模式上看，仿生学作为模仿生物建造技术装置的科学，是一门新兴的

边缘科学，研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术

之中，发明性能优越的仪器、装置和设备，创造新技术。模拟光合作用制氢过程

的例子很好地诠释了这一点。在植物的光合作用中，锰参与几种酶系统。由于锰

可以在正二价和正四价两种化合价之间转换，所以主要在氧化还原和电子转移中

发挥作用。这一思想为斯皮西亚等人的研究提供了启发。他们在确定锰簇是植物

利用水、二氧化碳和阳光制造碳水化合物和氧气的中心枢纽后，开发出这种人造

锰簇，并利用这些分子的能力将水分解成氢和氧。研究者将一层质子导体――

Nafion薄膜覆盖在一个电极上，形成一层仅几微米厚的聚合体膜，这层聚合体

膜充当锰簇的载体。锰在正常情况下不溶解于水，但可以和Nafion薄膜小孔中

的催化剂结合，形成不易分解的稳定结构，当水到达此催化剂时，在阳光的照射

下便发生氧化反应。

在能源和环境领域，这一技术显示了仿生技术的巨大应用潜力和价值。初步

测试表明，此催化剂连续使用3天之后还有活性，由此分解出来的氢气和氧气可

以在燃料电池中结合成水，产生电力供住宅和电动车全天24小时使用，且不排

放碳而是排放水。虽然此系统的效率还有待提高，但研究者可以不断地从自然界

中学习，使之更为高效，从而使氢这一能效高且没有碳排放的绿色清洁能源为未

来社会所用。

生物体的电子传递过程在能源仿生技术上的另一重点研究领域是生物发光。

生物发光和光合作用都是“电子传递”现象，而从某个角度上看，生物发光可以

看作是光合作用的逆反应。光合作用是绿色植物吸取环境中的二氧化碳和水分，

在叶绿体中，利用太阳光能合成碳水化合物，同时放出氧气。光能从水分子上释

放电子，并把电子加到二氧化碳上，产生碳水化合物，这是一个还原过程。光合

作用把光能转变成化学能，而生物发光是电子从荧光素分子上脱下来和氧化合，

形成水，产生光。生物发光是将化学能转变成光能。生物光作为冷光源，具有效

能高、效率大、不发热、不产生其它辐射、不会燃烧、不产生磁场等特点，对于

手术室、实验室、易燃物品库房、矿井以及水下作业等，都是一种安全可靠的理

想照明光源。通过模仿发光生物把一种形式的能量转换成另一种形式的能量，制

造冷光板使其不需要复杂的电路和电力，就能白天吸收太阳光，晚上再将光能释

放。人们先是从发光生物中分离出纯荧光素，后来又分离出荧光酶。现在已能人

工合成荧光素，这就使人类模仿生物发光，创造一种新的高效光源——冷光源成

为可能。然而，人们对于萤火虫等发光机制的研究仍然有待深入。如果将光合作

用和生物发光机制在仿生学框架下同时加以研究，就有可能在能量利用的电子传

递现象中取得进展，从而实现能源利用更为巨大的进步。

从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，研究成果已经非常可

观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，

它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力，在能源技术上的应用潜力也极

其巨大，有助于破解人们所面临的能源瓶颈问题，同时解决石化能源等所带来的

环境问题。

3.3仿生学在医学的应用

医学仿生学包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处

理等。此外，还在研究建筑仿生、农业仿生等。美国科学家宣布，他们将活细胞

和硅化电路相结合，创造出他们表示可使医学技术革命化的“仿生学晶片”。伯

克利的加州大学研究人员宣布，他们成功地把人类的组织细胞装置在电脑晶片的

小室内。带领这项研究的一位教授鲁宾斯基说：“这是以硅为基本成份的晶片，

跟任何电脑或电子装置使用的晶片类同。我相信它是真正的仿生学晶片。” 研

究人员表示，这是人类活细胞首次被电脑讯号控制。 科学家透过指挥微小的装

置打开或关闭细胞，希望有一天能命令癌细胞自行打开，容许有害的力量侵入，从而自我毁灭。

医学仿生学——已制成的有原子动力心脏，人工肾，能做出六个基本动作的假手，仿生学是一门综合科学，需要生物学、生理学、心理学、生物物理学、生物化学、控制论、数学、电子学、通讯、航空、航海、医学等等许多科学工作者进行合作，去解决各自需要解决的问题。仿生学是一门新生的科学，前途广阔，不久的将来将在生产、生活各个领域里得到广泛的应用。目前医学仿生学研究的重点是“感觉器官的模拟”、“神经元和神经网络的模拟”。 在仿生高分子，我认为比较具有前沿研究的，一个是在医用材料里面，比如说仿生骨的研究，已经很多进入临床状态，四川大学李玉宝教授做的仿生的羟基磷酸钙人造骨，作为脊椎骨治疗腰椎盘突出取得比较好的成绩。仿生医学的研究对解决目前器官供需的严重不平衡应该有所帮助。

4.结束语

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”，道出了自然界是蕴含着无尽设计宝藏的天机。在现今科学 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。未来仿生“电子眼”、仿生“电子神经系统”的诞生，将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，大自然向人类展示着精妙绝伦的生命形态和绚丽多姿的悦人色彩，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合理的建构。因此，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[4]。仿生设计的应用有着巨大的潜力和发展前景，随着科学的高速发展和人们对自然界认识的不断提高，将会有更多的仿生发明应用科技领域。

参考文献

[1]于帆，陈嬿.仿生造型设计.华中科技大学出版社，2005.

[2]智一君惕.仿生学与现代化.湖南教育出版社，1985.

[3]王建成.简明军事科技发展史.国防工业出版社，2005.

[4]许书民.设计概论.上海科学普及出版社，2005.

仿生学与旅游篇八：昆虫与仿生学

昆虫与仿生学

什么是仿生学？

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。

萤火虫——人工冷光

自从人类发明了电灯，生活变

得方便、丰富多了。但电灯只

能将电能的很少一部分转变成

可见光，其余大部分都以热能

的形式浪费掉了，而且电灯的

热射线有害于人眼。那么，有

没有只发光不发热的光源呢? 人

类又把目光投向了大自然。

在自然界中，有许多生物都能发光，萤火虫是其中的一类。

萤火虫发光原理︖

仿生学与旅游篇九：眼睛与仿生学

眼睛与仿生学

一、教学目的:

1.学习本文说明事物的顺序和交错运用举例和比较两种说明事物的方法。

2.了解一些仿生学的知识，激发学生对科学的兴趣。

二、教学重点、难点:

1.重点: 课文说明的顺序及分析说明、综合说明等说明方法。

2.难点: 本文主体部分的“横式结构”及分类说明的结构和方法。

三、教学时数:

两课时

四、教学步骤:

憙拑

第一课时

憗拕

词语注释:

*明察秋毫:比喻目光敏锐，连极小的事物都能看清。察:看到。秋毫:秋天 鸟兽身上新长的细毛。

*别具一格:另有一种独特的风格。

轻而易举: 形容事情容易做。

视野: 眼睛看到的范围。

仿生学简介:

仿生学是近一二十年发展起来的一门属于生物科学与技术科学之间的边缘科学。它把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，希望在技术发展中能运用这些原理和机理，最后目的是要实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机器等。生物界各种丰富多彩的功能，具有极其复杂的精巧的结构，其奇妙程度远远超过迄今为止的许多人、物、机器，因此在工程科学的进一步发展中，人们需要向生物寻找启发和进行模拟是很自然的，这种努力有广阔的前景。

探索人和眼睛奥秘的仿生学研究工作，称为视觉仿生，属于感觉仿生学范围。感觉仿生学是目前仿生学发展的重点。

课文是根据有关材料改写的一篇科学说明文，介绍人和动物的眼睛的不同结构和功能及从中得到的重要启示，使读者对仿生学有了较形象的了解。

课文结构:

第一部分(1─3自然段)概括说明研究各种不同构造的眼睛的意义。

1.以人眼为例，说明眼睛对感知外物的重要作用。

2.说明眼睛感知外物的基本原理。

3.说明各种动物眼睛构造不同及研究它的重要意义。

第二部分(4─14自然段)•具体说明对各种构造不同的眼睛的研究情况及已经或即将取得的成果。──主体

第一层(4─9自然段)人眼及动物一般眼睛的研究及意义。

4.人眼的功能及重要参考价值。

5.对人眼的研究已取得和即将取得的成就。

6.青蛙有一双机能优异的大眼睛。──特点(过渡)

7.蛙眼的独特本领。──功能

8.对蛙眼研究已取得和即将取得的成就。

9.鹰眼的特点及由此得到的启示。

第二层(10─14自然段)复眼的研究和意义。

10.以蜻蜓眼睛的结构特点来说明什么是复眼。(过渡，承上启下)

11.象鼻虫复眼的特殊功能。

12.说明什么是太阳的偏振光。

13.蜜蜂复眼研究的运用。

14.复眼的构造对于研究复眼透镜的启发作用和取得的成就。

第三部分(15─16自然段)仿生学研究的意义、范围和任务，并指出感觉仿生学已成为目前仿生学的发展重点。

憙拑

第二课时

憗拕

写作特点:

一、本文的说明顺序是由一般到特殊，由简单到复杂:

视觉仿生的依据是眼睛，而人们最熟悉、印象最深刻的，便是人的眼睛。所以作者先从人眼的构造和功能及其在仿生学中的意义谈起，然后再谈其他动物的眼睛及其特殊功能。这样的说明顺序易于为读者理解。从眼睛的构造来说，一般眼睛的构造比复眼要简单，所以作者先从一般眼睛谈起，然后再介绍复眼的构造及其在仿生学中的意义。这样由浅入深地说明事物，符合人们的认识规律。要做到深入浅出，还必须抓住事物的特征。课文分别介绍了人和蛙、鹰、象鼻虫、蜜蜂、蜻蜓及苍蝇等动物的眼睛，之所以选这些材料，就是因为它们的眼睛有特征，有区别于其它眼睛的独特构造和功能。仿生学之所以要研究它们，原因也在于此。本文在分析说明的时候，采用了相同的层次结构，即对各种眼睛在仿生学中的意义进行分析说明时，都先说明这些眼睛的构造特点或功能特点，然后再说明它们对于发展科学技术的启发。这样写眉目清楚，使读者易于掌握。

二、本文的结构特点及说明方法:

课文的整体结构采用“总─分─总”的形式，开头一至三段是引言部分，总提人眼和动物眼睛在构造和功能上各有许多特殊之处，从中得到的启示对发展现代科学技术有重要意义。 四至十四自然段分别介绍了人眼和几种动物眼睛在仿生学上的作用，最后两自然段，总结概括了仿生学的定义，指出它的任务，介绍了它的研究范围、类别和发展重点。

课文主体部分采用了条分缕析的方法，始终停留在一个平面上举例介绍了人眼和其他动物眼睛的特殊构造、功能及其在仿生学上的作用。这种“横式”结构便于作者较全面地充分介绍丰富的材料，使说明对象的各个部分和侧面较清晰地展现出来，各并列部分之间有一个由浅入深的问题，结构上有它的内在联系。

横式结构在写作时往往运用分类说明的方法，将被说明的对象，按照一定的标准，一类一类地加以说明。本文以眼睛为说明对象，以十段为分界和过渡，前面说明一般的眼，后面说明复眼。一般的眼中分别说明人眼(4─5自然段)、蛙眼(6─8自然段)、鹰眼(9自然段)，复眼中分别说明象鼻虫眼(11自然段)、•蜜蜂眼(13自然段)、蜻蜓和苍蝇眼(14自然段)。这些眼睛的分类主要以构造功能为标准，类别的划分突出了每种眼睛之间的差异，使每种眼睛的特征更加突出。

本文交错运用举例和比较这两种方法进行说明。一边大量举例子，一边对所举例子进行比较，既简略介绍相关事物的共同性，又详细地说明了它们的不同之处。如以人眼为例说明研究各

种不同构造的眼睛在仿生学中的意义时，拿人眼与照相机比较。先用“人眼的光学系统跟照相机十分类似”，极简略地说明两者的相似处，再介绍不同处: 1.照相机只是把外界事物的图象映在照相底片上，而人眼则是先要对图象进行信息加工，并编制成神经密码信号再传给大脑；2.人眼还可以对比周围的景物，使人感知自身的运动和位置状态，确定物体的距离、形状和大小。又如介绍复眼时，先以蜻蜓为例，与人眼进行比较，说明复眼的特殊构造与功能，然后用“虾、蟹、蜂、蚁等节肢动物的眼睛都是复眼”一句简略说明它们的共同点: 都是复眼，再分别说明象鼻虫、蜜蜂、蜻蜓和苍蝇等各自不同构造的复眼及其功能。

本文还运用了分析说明和综合说明。分析说明通常指对某一说明对象按照不同的角度或眼睛分开来说明。如本文对眼睛的说明，一般的眼睛(人眼、•蛙眼、鹰眼)特殊的眼睛──复眼(蜻蜓、象鼻虫、蜜蜂、苍蝇)。•综合说明是从总体上对一个事物作概括的说明(1─3自然段)(10自然段)(15─16自然段)

三、语言准确、严密:

课文在介绍视觉仿生学的一系列研究成果时，用词特别准确、严密。对其中取得较好效果的，如“复眼透镜”，作者就具体介绍它的特殊作用，指出它“敁大大敋提高了工效与质量”,对有些虽已制成但效果尚不理想的,如“人造眼”，

作者在介绍它的用途后，同时强调它还需要“敁进一步敋完善”，对于有些仅仅得到某种启示，尚未研制成仪器或机器的，如“电子鹰眼”，作者就连用“如果……就能够”、“如果……就有可能”、“如果……就可以”三个假设关系的复句来表示，说明只是一种假设，并未变成现实。这样实事求是反映发展现状的写法，是科学说明应当遵循的原则。

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