導(dǎo)語：如何才能寫好一篇生物模仿技術(shù)，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

關(guān)鍵詞：模糊數(shù)學(xué)；城區(qū)生活垃圾；污染防治

1 概述

隨著城鎮(zhèn)發(fā)展規(guī)模的不斷擴大，城市的生活垃圾也隨之大幅度增加，城市生活垃圾對居民生活環(huán)境的破壞越來越嚴(yán)重，治理城市生活垃圾污染對提高居民生活質(zhì)量，改善居民生活環(huán)境有著舉足輕重的作用，這項工作也一直受到各地政府環(huán)保部門的高多重視。因此，構(gòu)建符合巢湖市城區(qū)自身特點的生活垃圾轉(zhuǎn)運系統(tǒng)，尋求防治巢湖市城區(qū)生活垃圾污染的方法具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

2 模型建立

2.1 傳統(tǒng)綜合評價模型

從眾多的綜合評價的方法來看，所能建立的數(shù)學(xué)模型的基本形式是多種多樣的，而其中通過建立指數(shù)數(shù)學(xué)模型的方法對進行綜合評價應(yīng)用較為廣泛，該評價方法主要如下，首先是對每個指標(biāo)確定最大值和最小值，形成有效評估區(qū)間；其次，找到當(dāng)前樣本集合數(shù)據(jù)在第一步中所建立的區(qū)間中所處的位置；最后，將所有指數(shù)進行平均，得到一個總的綜合評價指數(shù)，這種方法主要是運用了綜合評分的數(shù)學(xué)思想[1]，根據(jù)這種數(shù)學(xué)思想所建立的數(shù)學(xué)評價模型如下式表達(dá)[2]：

這其中i為第i個指標(biāo)，j為第j個原因分組，pj為污染因素結(jié)構(gòu)權(quán)重，Ki為各指標(biāo)權(quán)重，xi為基期單指標(biāo)測試平均值，xij為報告期單指標(biāo)測試平均值，fi為調(diào)節(jié)因子。這種評價方法的優(yōu)點在于指標(biāo)結(jié)構(gòu)簡單，只涉及到單一的指標(biāo)，并且所涉及到的指標(biāo)一般而言都有一定的實際意義，可以讓非數(shù)學(xué)專業(yè)人士也能理解；然而不足之處在于，我們所了解的污染體系絕不僅僅是只涉及到單一的指標(biāo)，而往往是一個多維度的復(fù)雜體系，另外，這樣一個多維度的復(fù)雜體系中的各個指標(biāo)也會隨著污染種類的變化發(fā)生相應(yīng)的變化，這更是一個復(fù)雜的問題，因而，僅僅用單個指標(biāo)來代表復(fù)雜的污染因素將會有很大的困難，并且直接會影響到評估的有效性。本文基于模糊數(shù)學(xué)理論所建立的污染綜合評價模型就能很好地避開傳統(tǒng)模型的難點，具有較好的可行性。

2.2 基于模糊數(shù)學(xué)理論的數(shù)學(xué)模型的建立

構(gòu)建評價系數(shù)矩陣， 首先要調(diào)查所在城市的所有污染源（實際評估中可以選取幾種重要的污染源），并且根據(jù)所選取的污染源所造成的嚴(yán)重程度予以打分，根據(jù)所打的分就可以確定一個矩陣R，這個矩陣稱為指標(biāo)評價系數(shù)矩陣，具體如下矩陣所示[3]。

接著，通過（3）式來計算評價權(quán)重的一個向量W，如下所示

最后，參考文獻(xiàn)[4，5]的方法將所計算出來的權(quán)重向量予以歸一化處理，并且將代表較好和較好以上級別的權(quán)重（較好及以上的權(quán)重才有評價的意義，忽略權(quán)重級別較低的指標(biāo)）相加，將所得的和值乘以100，將這個值作為所研究的污染源之一的得分。

3 算例仿真

現(xiàn)在巢湖市城區(qū)生活垃圾進行綜合評價，經(jīng)過調(diào)查研究巢湖市城區(qū)生活垃圾的幾個重要影響因素為：人口數(shù)量、城區(qū)面積、城市經(jīng)濟承載力、居民收入、消費結(jié)構(gòu)、回收再利用率，以上因素通過調(diào)查統(tǒng)計所得數(shù)據(jù)如表1。

通過層次分析法計算出他們的權(quán)重向量：

4 結(jié)束語

根據(jù)上面的算例仿真結(jié)果，可以看出本文所介紹的評價模型較好地克服用單個指標(biāo)來代表復(fù)雜的污染因素從而對評估結(jié)果的有效性不確定性的影響，并且在評價城市城區(qū)污染因素方面能夠做到有效的定量分析，一定程度地保證了評價結(jié)果的有效性，除此之外，也使得評價結(jié)果更加清晰直觀。正如前文所述，對于城區(qū)垃圾污染的評價來說，城區(qū)垃圾污染問題本身就是一個多維度的復(fù)雜體系所構(gòu)成的，它是一個復(fù)雜且模糊性的數(shù)學(xué)問題，用模糊數(shù)學(xué)綜合評價方法來進行評價具有較高的可操作性與可靠性，是一種實用且科學(xué)的方法。

參考文獻(xiàn)

[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.

篇2

關(guān)鍵詞：生物技術(shù)專業(yè)；地方型本科高校；人才培養(yǎng)模式

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）28-0174-02

進入21世紀(jì)，生物產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，已成為增長最快的經(jīng)濟領(lǐng)域，涌現(xiàn)出大量生物產(chǎn)業(yè)成果，表明生物產(chǎn)業(yè)能夠在環(huán)境、健康、能源和糧食等重大問題的解決中發(fā)揮不可替代的作用。國內(nèi)外都高度重視生物產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，紛紛制定中長期發(fā)展規(guī)劃，加大投入，試圖占領(lǐng)生物技術(shù)領(lǐng)域的各塊高地。我國在“十一五”期間就把生物產(chǎn)業(yè)作為重點發(fā)展的領(lǐng)域，將生物產(chǎn)業(yè)列入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)；“十二五”期間制定了《“十二五”生物技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》，全面推進生物產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。“十二五”以來，我國生物產(chǎn)業(yè)復(fù)合增長率達(dá)15%以上，2015年產(chǎn)業(yè)規(guī)模超過3.5萬億元。最近，發(fā)改委印發(fā)《“十三五”生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)（2016-2020）》，提出到2020年，我國生物產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到8至10萬億元，生物產(chǎn)業(yè)增加值占GDP的比重超過4%，成為國民經(jīng)濟的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)。生物產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，對生物技術(shù)專業(yè)人才的需求量也在逐年上升。

生物技術(shù)是一門多學(xué)科交叉融合、理論與實踐并重的新型綜合性學(xué)科，具有很強的實踐性和應(yīng)用性，在國家經(jīng)濟社會發(fā)展中的地位和作用日益突出。由于生物技術(shù)專業(yè)涉及的領(lǐng)域非常廣泛，任何一個高校都不可能培養(yǎng)面面俱到、行行精通的生物技術(shù)人才，特別是對于一些新建地方本科院校，由于師資力量、辦學(xué)經(jīng)驗以及生源質(zhì)量等方面的限制，其人才培養(yǎng)模式與那些“211”、“985”等高水平大學(xué)相比有很大的不同[1]。地方型本科高校的生物技術(shù)專業(yè)在辦學(xué)中一定要結(jié)合自身優(yōu)勢，辦出特色，本文就地方型本科高校生物技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)中存在的一些問題及改進措施進行探討，以期為這些高校生物技術(shù)專業(yè)的發(fā)展提供新思路。

一、認(rèn)清學(xué)校辦學(xué)定位，明確人才培養(yǎng)目標(biāo)

按高等教育人才培養(yǎng)目標(biāo)定位劃分，高等學(xué)校培養(yǎng)的人才主要有三種類型：重點大學(xué)培養(yǎng)的是以學(xué)術(shù)為主的研究型人才、普通本科院校培養(yǎng)的是以開發(fā)性和應(yīng)用性為主的應(yīng)用型人才、高職類院校培養(yǎng)是以技能為主的應(yīng)用型人才。作為地方型本科高校，其主要目的是為地方行業(yè)培養(yǎng)各類應(yīng)用型、技術(shù)型和復(fù)合型高級專門人才，培養(yǎng)的畢業(yè)生大多到企業(yè)、公司等生產(chǎn)一線從事技術(shù)工作。地方型本科高校在確定生物技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)時，首先應(yīng)認(rèn)清自身的辦學(xué)定位，制定符合學(xué)校及地方經(jīng)濟實際的人才培養(yǎng)方案。因此，地方型本科高校生物技術(shù)專業(yè)在制定人才培養(yǎng)方案時一定要注意立足地方實際的原則，在人才培養(yǎng)目標(biāo)及模式上也要避開與“211”、“985”等重點大學(xué)撞車，而是需要尋找新的突破口[2]。筆者認(rèn)為，這個突破口可以從兩個方面來確定：一是辦學(xué)實際，審視自身在多年辦學(xué)中形成的特色是什么；二是要參考地方經(jīng)濟需求，因為地方型本科高校的生源大多都來源于學(xué)校駐地附近，學(xué)生的就業(yè)也大多會選擇在學(xué)校駐地周邊，因此培養(yǎng)地方經(jīng)濟發(fā)展所需要的生物技術(shù)人才尤為重要。

二、基于全面發(fā)展和重點突出相結(jié)合的原則，優(yōu)化理論教學(xué)內(nèi)容

生物技術(shù)專業(yè)涉及領(lǐng)域非常廣泛，包括與國民經(jīng)濟息息相關(guān)的諸多產(chǎn)業(yè)，如農(nóng)業(yè)、能源、環(huán)保、化工、醫(yī)藥、衛(wèi)生、食品等。生物技術(shù)專業(yè)包含的理論課程非常多，包括專業(yè)基礎(chǔ)課程（如高等數(shù)學(xué)、普通物理學(xué)、無機及分析化學(xué)、有機化學(xué)等）、專業(yè)課程（包括植物學(xué)、動物學(xué)、生物化學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)、分子生物學(xué)、基因工程、細(xì)胞工程等），以及專業(yè)選修的課程（如生物統(tǒng)計學(xué)、生物信息學(xué)、免疫學(xué)等）等。生物技術(shù)專業(yè)總共可以開設(shè)的課程達(dá)70余門，這些課程有些內(nèi)容相互交叉融合，有些課程自成體系，這么多課程在開設(shè)與否及學(xué)時安排上不可能同等對待。所以，每個高校必須根據(jù)自己的師資現(xiàn)狀及人才培養(yǎng)目標(biāo)，對這些課程進行有重點的教學(xué)。對于內(nèi)容有交叉的課程，需要統(tǒng)籌梳理，進行理論教學(xué)內(nèi)容的優(yōu)化，精簡生物技術(shù)專業(yè)的課程體系，突出重點課程。

三、強化實驗課程，提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新思維

實踐能力培養(yǎng)對生物技術(shù)專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量來說至關(guān)重要。實踐能力主要是通過實驗、專業(yè)實踐及生產(chǎn)實習(xí)來進行培養(yǎng)的。生物技術(shù)專業(yè)的實驗課程大體可分為三種類型：一是“驗證性”實驗，主要是一些基礎(chǔ)課的實驗。二是“理論+技能性”實驗，這些實驗課程既能夠驗證知識，又鍛煉學(xué)生的實驗技能，主要是一些專業(yè)課的實驗。三是“開放性”實驗，是學(xué)生在掌握一定相關(guān)知識的基礎(chǔ)上，運用已學(xué)的實驗方法、自行設(shè)計實驗方案，并在開放實驗室獨立完成，自主分析實驗數(shù)據(jù)并做出相應(yīng)結(jié)論，在整個實驗過程中指導(dǎo)教師對學(xué)生只進行宏觀地指導(dǎo)監(jiān)督。“開放性”實驗可以讓學(xué)生主動開拓知識面，靈活運用和歸納知識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，對于提高學(xué)生的綜合素質(zhì)具有不可替代的作用。但限于經(jīng)費、設(shè)備及師資力量，地方型本科院校中“開放性”實驗開設(shè)較少。在生物技術(shù)人才培養(yǎng)中，應(yīng)加大“開放性”實驗的投入，改善開放實驗室條件，強化“開放性”教學(xué)。同時，在實驗項目的選擇、教學(xué)模式等環(huán)節(jié)進行改革，提高實驗教學(xué)效果，使學(xué)生能夠通過實驗課程真正地領(lǐng)會知識，掌握實驗技能。

四、保障實習(xí)環(huán)節(jié)，零距離接觸企業(yè)生產(chǎn)

實習(xí)是高校實踐教學(xué)的重要組成部分，對于以培養(yǎng)應(yīng)用型人才為主要目標(biāo)的地方型高校來說，實習(xí)環(huán)節(jié)尤其重要。雖然各個高校都建有一定數(shù)量的校內(nèi)外實習(xí)基地，但學(xué)生的生產(chǎn)實習(xí)仍面臨一系列的困難。首先，校內(nèi)實習(xí)基地不健全，有些實習(xí)基地專業(yè)對口性較差，難以真正起到作用。其次，已建的校外實習(xí)基地多數(shù)流于形式，雖然簽有實習(xí)協(xié)議，但并沒有真正執(zhí)行。甚至有些學(xué)校把實習(xí)環(huán)節(jié)全部交給學(xué)生，讓學(xué)生通過個人途徑自行聯(lián)系實習(xí)。第三，大多數(shù)學(xué)校還沒有建立完善的實習(xí)考核機制，沒有跟蹤學(xué)生的實習(xí)過程，僅僅依靠學(xué)生的實習(xí)鑒定表就授予學(xué)分。因此，在地方型高校生物技術(shù)專業(yè)的改革發(fā)展中，切實保障實習(xí)環(huán)節(jié)的真正施行是一個重中之重。筆者認(rèn)為可以從下幾個方面入手：（1）通過加強校企合作來促進實習(xí)基地建設(shè)?？梢云刚埰髽I(yè)人員給學(xué)生介紹企業(yè)生產(chǎn)問題，與企業(yè)合作開展科技攻關(guān)、員工培訓(xùn)等，增強學(xué)校與企業(yè)的互動，建立良性合作關(guān)系。（2）強化實習(xí)過程管理，增強帶隊老師的責(zé)任感，督促學(xué)生自始至終完成實習(xí)過程。（3）建全實習(xí)考核機制，采用結(jié)果考核與過程考核相結(jié)合的原則，全面真實地考核學(xué)生在企業(yè)所學(xué)到的技能。（4）有計劃地培訓(xùn)或引進雙師型教師，完善雙師型教師隊伍。

五、嚴(yán)把論文選題，保證畢業(yè)論文質(zhì)量

畢業(yè)論文是高等院校教學(xué)計劃最后的也是最重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，是本科教育人才培養(yǎng)計劃中的重要組成部分，與本專業(yè)的人才培養(yǎng)質(zhì)量直接相關(guān)。畢業(yè)論文在選題類型上大體可分為三種類型，即科研型、生產(chǎn)型和綜述型?？蒲行驼撐氖侵刚撐膬?nèi)容主要側(cè)重于理論研究；生產(chǎn)型論文是指論文內(nèi)容主要側(cè)重于實際生產(chǎn)應(yīng)用，包括在實驗室中研發(fā)、小試，或者是學(xué)生參與到一些企業(yè)的科研項目中；而綜述型論文是指學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫等搜集某一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，梳理概括，并對該領(lǐng)域的下一步發(fā)展提出一些展望或建議。從地方型高校的辦學(xué)定位及培養(yǎng)目標(biāo)來看，生產(chǎn)型論文尤其是參與企業(yè)科研的類型是最適合學(xué)生的類型，而在實際中，這一類型的論文開設(shè)很少，相反，有很大比例的學(xué)生畢業(yè)論文是綜述型的，這與學(xué)校的培養(yǎng)目標(biāo)是不相符合的[3]。因此，學(xué)校應(yīng)在提高畢業(yè)論文質(zhì)量上下大功夫，創(chuàng)造條件提高生產(chǎn)型論文的比例，這對于培養(yǎng)生物技術(shù)專業(yè)人才的應(yīng)用性和實用性極其重要。發(fā)展生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)已提升到國家科技重點發(fā)展的戰(zhàn)略高度，地方型本科高校生物技術(shù)專業(yè)就是為生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展培養(yǎng)主力軍和實際生產(chǎn)者的。地方型本科高校應(yīng)以適應(yīng)地方經(jīng)濟發(fā)展需求為目標(biāo)，制定適合的生物技術(shù)專業(yè)人才培養(yǎng)模式。在理論教學(xué)上要以學(xué)生就業(yè)及學(xué)生自身的未來發(fā)展為導(dǎo)向，把握主要內(nèi)容，取舍有度。通過實驗教學(xué)、生產(chǎn)實習(xí)及畢業(yè)論文等環(huán)節(jié)，著重培養(yǎng)學(xué)生的實驗技能和創(chuàng)新思維。同時，應(yīng)該創(chuàng)造條件，讓學(xué)生多走進企業(yè)，了解企業(yè)的管理模式和生產(chǎn)方式，還要加強對學(xué)生的就業(yè)指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生樹立正確的擇業(yè)觀和成才觀。

參考文獻(xiàn)：

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[2]胡曉倩，張界，黃松.生物技術(shù)專業(yè)地方性應(yīng)用型轉(zhuǎn)型建設(shè)研究[J].黃山學(xué)院學(xué)報，2013，（5）：135-137.

[3]倪雯，沈露露，晶，等.生物技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文現(xiàn)狀的調(diào)查分析[J].高校生物學(xué)教學(xué)研究，2015，（5）：38-43.

篇3

關(guān)鍵詞：大型交通建筑；建筑仿生；建筑仿生設(shè)計

中圖分類號：TU248

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-0422(2011)08-0097-03

1　前言

隨著建筑學(xué)的不斷發(fā)展，建筑設(shè)計的方法越來越多。近年來，大型交通建筑設(shè)計的方法和發(fā)展趨勢主要包括高技術(shù)生態(tài)設(shè)計、仿生設(shè)計、地域主義設(shè)計等等，力求以新的方法創(chuàng)造出新的建筑形象和更加生態(tài)化的建筑作品。經(jīng)濟社會的發(fā)展也為大型交通建筑的設(shè)計提出了更高的要求，建筑仿生思想作為人類傳統(tǒng)文化中的一個要素重新引起了建筑師們的重視，利用建筑仿生方法設(shè)計出具有時代感和動感的大型交通建筑，讓我們的城市空間更加美化和具有特色，從而為城市的發(fā)展做出貢獻(xiàn)，成為對大型交通建筑設(shè)計探索的重要方向之一。

2　建筑仿生學(xué)

2.1仿生學(xué)的起源

早在遠(yuǎn)古時代人類就開始模仿自然界的生物在樹上營巢，制造骨針等工具，這也許是人類最初級的有意識的創(chuàng)造性活動，是人類為了生存而表現(xiàn)出的仿生行為，也是仿生概念與思想發(fā)展的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代仿生學(xué)的雛形。

隨著生產(chǎn)的需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自20世紀(jì)50年代以來，生物學(xué)家和工程師們合作，開始從生物界獲得知識用來改善舊的或創(chuàng)造新的工程技術(shù)設(shè)備，將生物學(xué)和工程技術(shù)學(xué)科結(jié)合在一起，互相滲透孕育出一門新的科學(xué)――仿生學(xué)。

2.2建筑仿生學(xué)的產(chǎn)生

公元前8000年的舊石器時代，人類的定居點就開始使用動物的皮毛和骨頭作為結(jié)構(gòu)來建造棚屋，這也許是人類早期比較有代表性的建筑活動之一。建筑作為人與自然的中介，既要適應(yīng)人的需求，又應(yīng)該與自然有機的結(jié)合。人類在建筑技術(shù)上遇到的難題，自然界中似乎早已有了相似的解答，生物學(xué)與技術(shù)科學(xué)產(chǎn)生了相互聯(lián)系和交流的迫切需要。上世紀(jì)中期，在對生物有機體功能和結(jié)構(gòu)的研究領(lǐng)域形成了系統(tǒng)的理論和經(jīng)驗，確立了基本的研究方法前提下，建筑仿生學(xué)作為仿生學(xué)的一個科學(xué)分支出現(xiàn)了。此后，隨著生物學(xué)與建筑學(xué)的不斷發(fā)展，建筑師和規(guī)劃師以仿生學(xué)理論為指導(dǎo)來探索生物體的形象、功能和結(jié)構(gòu)在建筑方面的應(yīng)用，使建筑、人和自然成為有機的統(tǒng)一體。

2.3建筑仿生學(xué)的涵義

建筑仿生學(xué)從仿生學(xué)的觀點出發(fā)來研究建筑，把建筑與人看做是一個統(tǒng)一的“生物體系”，在這個體系中，生物和非生物的因素相互作用，并以共同功能為目的而達(dá)到統(tǒng)一。

劉先覺在《仿生建筑文化的新趨向》中定義建筑仿生學(xué)是根據(jù)自然生態(tài)與社會生態(tài)規(guī)律，并結(jié)合建筑科學(xué)技術(shù)特點而進行綜合應(yīng)用的科學(xué)。

2.4傳統(tǒng)設(shè)計觀與仿生設(shè)計觀的比較

在傳統(tǒng)設(shè)計觀的影響下，建筑師常常會將建筑視為靜止而不可變的實體，因此在建筑與環(huán)境適應(yīng)性上缺乏仔細(xì)的研究。若從仿生設(shè)計的角度出發(fā)，考察建筑所處環(huán)境，就可能對建筑師的方案有更恰當(dāng)?shù)亩ㄎ?。仿生設(shè)計觀更加提倡尊重自然、順應(yīng)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設(shè)計中的意義

3.1為大型交通建筑設(shè)計的創(chuàng)新性提供有效的設(shè)計方法

德國著名設(shè)計大師路易吉?科拉尼(LuigiColani)曾說：“設(shè)計的基礎(chǔ)應(yīng)來自誕生于大自然的生命所呈現(xiàn)的真理之中?！庇纱丝梢?，來源于自然的設(shè)計思想和方法應(yīng)用到建筑中，可以使建筑的形象具有創(chuàng)新性。因此，建筑仿生設(shè)計方法的運用成為豐富當(dāng)今大型交通建筑形象的手段之一。

3.2為探究大型交通建筑設(shè)計的科學(xué)性提供了良好的平臺

建筑仿生設(shè)計方法的應(yīng)用并不是對生物形態(tài)的簡單模仿，它是通過研究生物體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)等深層原因，未進一步探討在建筑上應(yīng)用的可能性。通過這種系統(tǒng)性和科學(xué)性的設(shè)計方法，使大型交通建筑在功能、結(jié)構(gòu)和形象中有機的結(jié)合，為大型交通建筑的設(shè)計提供理性指導(dǎo)。

3.3為大型交通建筑設(shè)計的可持續(xù)性提供途徑

通過對大自然的理解，運用自然界中科學(xué)合理的規(guī)律來進行設(shè)計，對運用的新方法和新技術(shù)進行探討，使建筑設(shè)計與仿生方法有機的結(jié)合，突出以人為本的理念，設(shè)計出生態(tài)化的建筑，達(dá)到環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

4　大型交通建筑仿生設(shè)計方法

仿生建筑的原型來自于形態(tài)豐富的大自然，人類從大自然中得到啟示，力圖創(chuàng)造出更多新的形態(tài)，從而為人們觀賞和延用。自然形態(tài)把自然界的信息傳遞給人類，建筑師通過對自然形態(tài)的認(rèn)知，提高了建筑設(shè)計的能力。建筑仿生設(shè)計主要是通過仿生物形式美，仿生物功能和仿生物結(jié)構(gòu)三個方面未達(dá)到建筑設(shè)計的目的。

4.1仿生物形式美的設(shè)計

仿生物形式美，也可以理解為一種具象的模仿，是建筑師通過對自然形象的模仿未表達(dá)自己的設(shè)計意圖，從而運用到建筑造型的創(chuàng)作上。這種模仿很容易讓人們在建筑物中發(fā)現(xiàn)生物體的特征，例如，鳥是天空中生物的經(jīng)典代表，因而成為機場建筑里頻繁出現(xiàn)的設(shè)計手法。

西班牙建筑師圣地亞哥-卡拉特拉瓦(Santiago Calatrava)的創(chuàng)作經(jīng)歷在建筑史上是非常獨特的。法國里昂機場航站樓是展現(xiàn)卡拉特拉瓦設(shè)計地區(qū)標(biāo)志性建筑的實例之一?？ɡ乩哒f：“如果你觀察20世紀(jì)的城市，會發(fā)現(xiàn)這些城市的區(qū)域是糟糕和丑陋的……我對于我的項目中關(guān)于城市復(fù)興的部分非常自豪。此外，這些項目中的許多都提高了城市的機動性……。”正是基于這種設(shè)計思想，航站樓的建設(shè)不僅是要把機場高鐵與其距離約20km的里昂連接起來，更重要的是地標(biāo)性的建筑象征著新的交通樞紐給該地區(qū)帶來的經(jīng)濟發(fā)展前景。

在里昂機場航站樓中，一只振翅欲飛的大鳥是最明顯的動物模仿，但是這只是眾多形象模仿中的一個，從正面看，這更像是一只蝴蝶，落地的V形混凝土結(jié)構(gòu)與屋脊的鋼拱結(jié)構(gòu)相連接形成“腹部”，寬大的“翅膀”豎立于脊背之上(如圖1)。從側(cè)面看，建筑整體的弧形曲線隱喻著飛行，休?奧爾德西一威廉斯(HughAldrsey-Williams)也在《當(dāng)代仿生建筑》中描述其“鉆地的長鼻和帶有斑紋的玻璃大廳自然而然地讓人想到食蟻獸的形象(如圖2)”。在內(nèi)部，V形鋼結(jié)構(gòu)與玻璃的組合形成豐富的幾何形狀，不禁會讓人想起蜻蜓翅膀的花紋和類似于植物葉脈交錯的紋理(如圖3，4)，而航站樓人行通道的拱頂不僅與動物的胸廓有些相像，還有“葉式”的天窗采光，十分好看(如圖5,6)。

在建筑設(shè)計中，仿生物形式美的設(shè)計手法，使建筑的形式更別致，形象和生動，更具有表現(xiàn)力。人們在欣賞和審視建筑的同時，也對建筑留下深刻的印象。

4.2仿生物功能的設(shè)計

功能是指事物或方法所發(fā)揮的有利作用。建筑的功能往往是錯綜復(fù)雜的，如何有機的組織好各種功能形成一個綜合的有機整體，自然界中的生物為我們提供了多種組合的范例。建筑與生物的區(qū)別在于，后者是可以移動生長的，由于在建筑設(shè)計中增加的機械制造，使建筑可以有輕微的移動，正是這種移動使建筑師和工程師對生物仿生產(chǎn)生了興趣，使得建筑向多功能發(fā)展，在有限的空間內(nèi)高效低耗的組織好各個功能的關(guān)系，突顯建筑設(shè)計的實用性。

英國建筑師尼古拉斯?格雷姆肖(NicholasGrimshaw)設(shè)計的滑鐵盧國際火車站，錐形不對稱的建筑造型會讓人聯(lián)想到與動物形態(tài)的相似性(如圖7)。然而這座建筑更深層次的涵義要比其單純的形式模仿更加深刻。車站西側(cè)覆蓋的大塊無數(shù)矩形玻璃板與復(fù)雜的屋頂曲線相配合，彼此像瓦一樣交錯搭接，機械制造使玻璃板在三個向度上都可以活動，休?奧爾德西一威廉斯(Hugh Aldrsey-Williams)在《當(dāng)代仿生建筑》一書中介紹了此種特點：

每一塊玻璃板的一邊都通過可調(diào)節(jié)的支架懸掛在鋼制結(jié)構(gòu)上(如圖8)，而另一邊可以自由移動，下邊緣被一個可折疊的墊圈垂直的封住，而附加的風(fēng)擋刮水器形成了一個滑動的水平封條，這樣組合的結(jié)果在視覺和工作原理上都像穿山甲或披甲蜥蜴等動物的鱗片結(jié)構(gòu)(如圖9，10)。這種會呼吸的鱗狀物表皮結(jié)構(gòu)使該車站不僅具有明顯的動物形態(tài)特征，同時賦予了建筑新的生命。盡管這種活動與一個運動的生物相比微乎其微，但是得到的效果卻與之十分相似。

4.3仿生物結(jié)構(gòu)的設(shè)計

英國學(xué)者特奧多?安德列?庫克(Theodo)曾說道：“凡精巧之建筑，其設(shè)計基礎(chǔ)無不意味著純結(jié)構(gòu)之美……?！狈律锝Y(jié)構(gòu)的設(shè)計主要是運用生物體和自然界物質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理，對植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、骨骼等結(jié)構(gòu)進行研究，設(shè)計出更加堅固合理的建筑作品。仿生物結(jié)構(gòu)設(shè)計已經(jīng)成為建筑師設(shè)計的新原理和新方法的來源之一，在建筑設(shè)計中占有重要的地位。

以人的頭骨為例，當(dāng)人的大腦受到外界侵襲時，頭骨中產(chǎn)生不同的彈性形變，保護大腦不受損傷。頭骨中的骨縫參差不齊，連接的十分緊密，人們可以將這樣的裂縫與建筑物混凝土墻上的接縫相比較，當(dāng)建筑物受到重大撞擊時，可以控制沖擊力所引起的裂縫出現(xiàn)，不會導(dǎo)致其他更大的裂縫產(chǎn)生。埃羅?沙里寧設(shè)計的環(huán)球航空公司候機樓的屋頂就是模仿人的頭骨的結(jié)構(gòu)形式(如圖11)，每一條曲線和每一塊“骨”的銜接都遵循了結(jié)構(gòu)秩序，形成自由形態(tài)的殼體結(jié)構(gòu)，其造型如同飛翔的雄鷹(如圖12)，是建筑與技術(shù)組構(gòu)出的杰出作品。

再如卡拉特拉瓦1998年設(shè)計的里斯本東方車站(如圖13)，創(chuàng)造性的模仿了樹干分叉的生長態(tài)勢(如圖14)，設(shè)計的“樹”形支柱與折形頂棚恰如其分的組合在一起，取得了非凡的藝術(shù)效果(如圖15)。

篇4

摘要：

通過詳細(xì)介紹仿生學(xué)在石油工程領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了石油工程仿生學(xué)的概念，指出了建立石油工程仿生學(xué)的必要性，概括了石油工程仿生學(xué)的特點和研究方法，并梳理了其發(fā)展趨勢。目前，仿生學(xué)在鉆井、管道、井筒等領(lǐng)域取得了實質(zhì)性進展。未來石油工程仿生學(xué)研究應(yīng)遵循科學(xué)的研究方法，按生物原型階段、數(shù)學(xué)模型階段和工程實現(xiàn)階段循序漸進地加深研究成果，盡可能避免模仿的復(fù)雜性；同時加強在模仿中的創(chuàng)造與創(chuàng)新。石油工程仿生學(xué)發(fā)展應(yīng)以生產(chǎn)中的技術(shù)需求為根本出發(fā)點，以改善現(xiàn)有的或創(chuàng)造嶄新的技術(shù)系統(tǒng)為目的，有層次、分階段地開展應(yīng)用研究，在功能材料、表面性能、信息獲取與處理、工程實現(xiàn)等方面為關(guān)鍵技術(shù)問題的突破提供創(chuàng)新性解決方案和技術(shù)手段，經(jīng)知識積累、成果轉(zhuǎn)化和工業(yè)化應(yīng)用3個階段，逐漸形成涵蓋勘探、開發(fā)、工程的仿生技術(shù)體系。

關(guān)鍵詞：

仿生學(xué)；石油工程仿生學(xué)；仿生技術(shù)體系；材料仿生；表面仿生；信息仿生；工程仿生

為了適應(yīng)環(huán)境、延續(xù)生命，自然界中的生物經(jīng)過億萬年的進化和優(yōu)勝劣汰，造就了近乎完美的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和功能。五彩繽紛的自然界一直是人類產(chǎn)生各種技術(shù)思想和發(fā)明創(chuàng)造靈感的不竭源泉，從千百年前模仿蜘蛛織網(wǎng)發(fā)明漁網(wǎng)，到近代模仿鳥類飛翔發(fā)明飛機，再到21世紀(jì)模仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)發(fā)明鯊魚皮泳衣，人類一直在向大自然學(xué)習(xí)，利用仿生原理和思想推動技術(shù)進步，對仿生學(xué)的使用也從無意識向有意識轉(zhuǎn)變。仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)［1］。自仿生學(xué)誕生到20世紀(jì)末，科研工作者經(jīng)過幾十年的探索，逐步加深了對仿生學(xué)的認(rèn)識和理解，初步掌握了仿生學(xué)研究方法，完成了基礎(chǔ)知識的積累。進入21世紀(jì)，仿生學(xué)的思維和方法迅速滲透到各個學(xué)科和行業(yè)，研究成果大量涌現(xiàn)，根據(jù)發(fā)表科學(xué)論文數(shù)量推斷，這一階段的成果占了總數(shù)量的近90％。在這一時期，仿生學(xué)在石油工程中也出現(xiàn)了應(yīng)用案例，不僅利用仿生學(xué)理論解決了鉆井、管道防護等技術(shù)難題，并且對石油工業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新理念和思維也產(chǎn)生了日益重要的影響。本文介紹了仿生學(xué)在石油工程領(lǐng)域的一些重要研究成果，在對仿生學(xué)在石油工程領(lǐng)域發(fā)展歷程深入分析的基礎(chǔ)上，提出了建立石油工程仿生學(xué)的必要性，并概括了石油工程仿生學(xué)的研究特點和方法，梳理了其發(fā)展方向。

1仿生學(xué)在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

仿生學(xué)的本質(zhì)是模擬生命系統(tǒng)，其學(xué)科結(jié)合和行業(yè)結(jié)合的特點促進了優(yōu)秀的仿生研究成果從科學(xué)研究走向生產(chǎn)實踐，最終投入實際應(yīng)用。仿生學(xué)和石油工程的交叉在鉆井、管道、井筒、油藏等領(lǐng)域也產(chǎn)生了一些研究成果。

1．1鉆井領(lǐng)域

1．1．1仿生鉆井液井壁穩(wěn)定問題一直是困擾國內(nèi)外鉆井的難題，水平井比直井的井壁失穩(wěn)問題更加突出［2］。中國石油大學(xué)（北京）根據(jù)海洋生物貽貝足絲蛋白的超強黏附能力，研制了仿生強固壁鉆井液體系［3］。該技術(shù)在聚合物主鏈上接枝類似貽貝足絲蛋白中的一種關(guān)鍵基團，合成類似貽貝蛋白質(zhì)的水溶性聚合物。仿生鉆井液體系在巖石表面自發(fā)固化形成致密且具有黏附性的“仿生殼”，起到維持井壁穩(wěn)定的作用。試驗井現(xiàn)場鉆井試驗表明，該仿生鉆井液體系在抑制鉆屑分散、穩(wěn)定井壁、攜屑等方面效果顯著［4］。此外，模仿細(xì)菌結(jié)構(gòu)開發(fā)了含仿生絨囊的鉆井液［5］，在鉆井過程中無需固相即可暫堵漏失儲層。目前，仿生絨囊鉆井液已在煤層氣欠平衡鉆井、空氣鉆井、防漏堵漏、快速鉆進等方面發(fā)揮了作用。

1．1．2仿生PDC鉆頭機械鉆速與使用壽命是衡量鉆頭性能的兩個重要指標(biāo)［6］，聚晶金剛石復(fù)合片（PDC）鉆頭因其出色的切削巖石速度和較長的使用壽命已成為最常用的破巖工具之一。然而，常規(guī)PDC鉆頭依然存在金剛石與硬質(zhì)合金結(jié)合力不足、防黏效果不明顯、磨損較快等缺點，為此，吉林大學(xué)開展了仿生鉆頭研究工作，研發(fā)的仿生鉆頭已從最初的單一功能仿生，發(fā)展到目前的耦合仿生，鉆頭性能也由單一的減黏脫附發(fā)展到減阻、耐磨、切削效率等指標(biāo)的綜合提升［7－9］。仿生耦合PDC鉆頭借鑒了竹子中纖維素和木質(zhì)素的分布方式，牙齒中有機／無機2種不同材料的梯度復(fù)合形式，樹木的年輪排布，貝殼表面的非光滑形態(tài)，以及螻蛄前足的快速挖掘特點等多種生物特性，并將其進行耦合設(shè)計，如圖1所示?，F(xiàn)場試驗表明，仿生耦合PDC鉆頭比常規(guī)PDC鉆頭鉆進速度提高1．5倍，縮短了施工周期，降低了鉆井成本。

1．2管道防護

1．2．1仿生水草海底防沖刷技術(shù)海底管道是海上石油輸送上岸的主要方式［10］，然而，海底復(fù)雜流場所引起的海底沖刷造成了管道懸空，給海洋采油安全和海洋環(huán)保帶來重大風(fēng)險。由于常規(guī)水下拋石、砂包堆壘、混凝土沉排墊等方法效果不理想，中國石油大學(xué)（華東）和中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司提出了一種模擬海草黏滯阻尼作用的仿生水草海底防沖刷技術(shù)［11，12］，原理如圖2所示。當(dāng)海底水流經(jīng)過仿生水草時，其流速降低，減小了對海床的沖刷；同時，仿生水草促進海流攜沙的沉降淤積，逐漸形成被仿生水草加強的海底沙洲，達(dá)到了埋管目的?，F(xiàn)場試驗表明，防沖刷仿生水草施工1年后泥沙淤積厚度達(dá)20～50cm，防護效果良好。該技術(shù)在海管懸空治理中得到了大范圍推廣應(yīng)用。

1．2．2仿生血小板管道修復(fù)技術(shù)英國Brinker公司模仿血小板在傷口處凝結(jié)的原理，開發(fā)了一種管道修復(fù)技術(shù)［13］。在管道流體中加入Platelets微粒，當(dāng)其流至裂縫處時，流體壓力迫使其進入裂縫，達(dá)到阻止泄漏的目的，如圖3所示。該技術(shù)已應(yīng)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輸管道上，為管道安全運行發(fā)揮了重要作用。

1．3井筒領(lǐng)域

1．3．1仿生泡沫金屬防砂技術(shù)中國疏松砂巖油藏分布范圍廣、儲量大，開采過程中必須采取防砂措施。根據(jù)骨松質(zhì)的三維立體結(jié)構(gòu)，提出了一種仿生泡沫金屬防砂技術(shù)［14］。泡沫金屬內(nèi)部為三維孔隙結(jié)構(gòu)［圖4（a）］，砂體進入孔隙后沉積在其中，但流通孔道不會被堵死，實現(xiàn)了常規(guī)平面防砂到三維立體防砂的轉(zhuǎn)變［圖4（b）］?；诜律菽饘俚膹?fù)合防砂管［圖4（c）］，由不同孔隙度的多個泡沫金屬防砂層、導(dǎo)流層、保護層等組成，該結(jié)構(gòu)不僅擴大了防砂的粒徑范圍，還保障了防砂管的滲流能力和結(jié)構(gòu)強度。目前，已發(fā)展出防砂粒徑0．15mm、0．25mm、0．35mm的系列化仿生泡沫金屬防砂工具，在油田應(yīng)用5口井，對于出砂嚴(yán)重的井，防砂效果顯著，大幅延長了檢泵周期。

1．3．2仿生非光滑表面膨脹錐技術(shù)膨脹管作業(yè)過程中，膨脹錐與膨脹管內(nèi)壁間存在巨大的摩擦阻力。為了降低摩擦阻力，提高膨脹錐的耐磨損性能，以穿山甲為仿生對象，模擬其體表的高強度保護鱗片結(jié)構(gòu)，研發(fā)了仿生非光滑表面膨脹錐［15］（圖5）。仿生膨脹錐變徑段采用激光刻蝕、超音速火焰噴涂、離子束沉積等方式進行表面織構(gòu)蝕刻以及表面硬質(zhì)涂層涂覆。仿生膨脹錐在中國石油大慶油田進行了4井次的現(xiàn)場試驗，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)脹錐相比，仿生膨脹錐降低膨脹壓力15％以上，表面無明顯磨損痕跡，延長了使用壽命，降低了作業(yè)風(fēng)險。

1．3．3仿生振動波通訊技術(shù)自然界中，沙蝎、大象等動物能感受由固體介質(zhì)即大地所傳導(dǎo)的振動波，據(jù)此進行信息傳遞。受此啟發(fā)，研發(fā)了一種仿生振動通訊技術(shù)［16］，該技術(shù)在井口安裝大功率振動信號發(fā)生器作為波源，油管或套管為傳輸介質(zhì)，將振動信號傳輸?shù)骄?，井下工具接收到振動信號并進行解調(diào)處理，實現(xiàn)地面和井下無線傳輸，技術(shù)原理和振動信號發(fā)生器如圖6所示。

1．4油藏領(lǐng)域納米機器人是仿生信息感知和傳遞的典型代表。納米級機器人隨著注入流體進入油藏中，記錄分析油藏壓力、溫度以及流體形態(tài)，并將這些信息儲存在隨身內(nèi)存中，之后納米級機器人從產(chǎn)出流體中被分選出來，進而提供了在油藏旅途中提取的重要信息。沙特石油公司已經(jīng)對納米機器人的尺寸進行了評估，對加瓦爾油田阿拉伯－D油藏中的850塊巖心進行了分析，得到了孔隙－喉道尺寸分布圖，大多數(shù)孔隙喉道尺寸大于5μm。為了避免橋堵，納米機器人的尺寸應(yīng)為孔隙喉道的約1／4。目前，納米顆粒注入試驗以及軟件模擬等工作已在進行中［17－19］。此外，國內(nèi)外近年來提出了仿生形狀記憶聚合物材料（ShapeMemoryPolymer，簡稱SMP）［20，21］，利用SMP材料能夠在轉(zhuǎn)變溫度控制下隨意變形的特性，設(shè)計了結(jié)構(gòu)簡單、座封可控的仿生封隔器，座封過程不受井下流體性質(zhì)影響，膠筒尺寸可定制，并且通過調(diào)節(jié)SMP的轉(zhuǎn)變溫度，可適應(yīng)不同井下溫度，以滿足不同井深條件下的完井需求。除了硬件，還出現(xiàn)了“軟性”仿生研究成果。例如，中國科學(xué)院王守覺院士提出了“仿生模式識別”的概念，將傳統(tǒng)模式識別的“區(qū)分”事物轉(zhuǎn)變?yōu)椤罢J(rèn)識”事物，使之更接近人類“認(rèn)識”事物的特性［22］。石油工作者將這一理論應(yīng)用到了油氣管道工況識別中，在樣本較少的情況下取得了較高的識別準(zhǔn)確率［23］。

2石油工程仿生學(xué)發(fā)展展望

目前，仿生學(xué)雖然已經(jīng)在石油工程領(lǐng)域取得了一定的研究成果，有些甚至已經(jīng)在油田現(xiàn)場試驗，但仿生學(xué)與石油工業(yè)的結(jié)合依然只是“星星之火”，沒有達(dá)到燎原之勢。為了系統(tǒng)、全面地推動仿生學(xué)與石油工程的融合，向自然界尋找推動石油工業(yè)進步的靈感和啟發(fā)，2009年中國石油勘探開發(fā)研究院成立了中國第一個石油工程仿生研究部門，開展仿生學(xué)在石油工程中的應(yīng)用研究。

2．1建立石油工程仿生學(xué)的必要性經(jīng)過幾年探索，筆者所在的石油工程仿生研究部門開展了仿生泡沫金屬防砂、非光滑表面、仿生振動波傳輸?shù)榷囗椦芯?，取得了階段性成果，部分已進入現(xiàn)場應(yīng)用階段。總體來說，通過專項研究迅速找到了石油工程和仿生學(xué)的結(jié)合點，并從最初的研究思路轉(zhuǎn)化為研究成果，成功應(yīng)用于石油工程現(xiàn)場，解決了油田技術(shù)需求。這充分說明了開展石油工程和仿生學(xué)的結(jié)合研究是合理的、可行的，從長遠(yuǎn)來看，建立“石油工程仿生學(xué)”是非常有必要的?！笆凸こ谭律鷮W(xué)”是借鑒生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、原理、功能等特征為石油工程技術(shù)難題提供解決方案的應(yīng)用科學(xué)。建立“石油工程仿生學(xué)”意味著更加系統(tǒng)地開展仿生學(xué)在石油工程領(lǐng)域的應(yīng)用研究，有利于更有針對性地發(fā)掘石油工程的仿生創(chuàng)新源頭，有利于更有目的性地開展仿生基礎(chǔ)研究，有利于加速仿生學(xué)科研成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化，有利于仿生學(xué)思維和方法在石油工程領(lǐng)域的普及與傳播，以點帶面，促進石油工程與仿生學(xué)的全面結(jié)合。

2．2石油工程仿生學(xué)的研究特點石油仿生學(xué)研究可以分為3個階段：生物原型階段，數(shù)學(xué)模型階段和工程實現(xiàn)階段。首先研究生物某種功能的實現(xiàn)機制和結(jié)構(gòu)特點；然后研究并簡化其結(jié)構(gòu)，抽象出物理模型，進而建立數(shù)學(xué)模型；最后采用技術(shù)手段，制備實物模型，實現(xiàn)對生物系統(tǒng)的工程模擬［24，25］。仿生學(xué)作為前沿領(lǐng)域，研究成果大多屬探索類，注重理論性和超前性，而石油工程作為應(yīng)用行業(yè)，以現(xiàn)場需求為驅(qū)動力，更加注重科研成果的實用性和推廣性。因此，在科研實踐中，石油工程仿生學(xué)應(yīng)以滿足生產(chǎn)中的技術(shù)需求為根本出發(fā)點，以改善現(xiàn)有的或創(chuàng)造嶄新的技術(shù)系統(tǒng)為目的，有層次、分階段地進行單元仿生或多元耦合（協(xié)同）仿生［26］研究。同時，石油工程仿生學(xué)在模仿生物的特性或功能時，要盡可能避免模仿的復(fù)雜性，要在模仿中創(chuàng)造（創(chuàng)新），研究成果與仿生原型并不一定完全相同，以期最快地解決生產(chǎn)實踐難題，然后循序漸進地加深研究成果的仿生特性，由研究成果實用化向仿生最優(yōu)化分階段推進。根據(jù)這一特點，確定了石油工程仿生學(xué)研究和應(yīng)用的2種主要方式：①需求驅(qū)動型，在石油工業(yè)的科研和生產(chǎn)實踐中提出技術(shù)問題或功能需求，有針對性尋找并借鑒生物的同類或相似功能，經(jīng)過可行性研究后開展仿生學(xué)三階段研究工作；②源頭驅(qū)動型，加強與世界仿生學(xué)研究機構(gòu)之間的交流與合作，密切關(guān)注仿生學(xué)或生命科學(xué)研究的最新成果，找準(zhǔn)其與石油工業(yè)技術(shù)需求的結(jié)合點，開展應(yīng)用研究。筆者研究團隊的研究成果充分體現(xiàn)了石油工程仿生學(xué)研究特點的適用性，驗證了研究方法的合理性與可行性。例如，泡沫金屬研發(fā)之初采用泡沫鎳作為基材，雖然在技術(shù)上具有明顯優(yōu)勢，但高昂的價格阻礙了推廣應(yīng)用，為此，繼續(xù)開展研發(fā)工作，開發(fā)出不銹鋼泡沫技術(shù)，使其具有了推廣應(yīng)用的條件；仿生非光滑表面膨脹錐技術(shù)則是充分借鑒了其他研究機構(gòu)的成果，優(yōu)化改進之后應(yīng)用于膨脹錐，不僅解決了油田生產(chǎn)難題，還促進了仿生研究成果的應(yīng)用轉(zhuǎn)化；仿生振動波通訊技術(shù)則是在原理上借鑒了動物的通訊方式，但在實現(xiàn)過程中通過大幅提高信號發(fā)射強度的方式避免了高靈敏度、小信號接收器開發(fā)的復(fù)雜性，從而在最短時間內(nèi)實現(xiàn)生產(chǎn)井指令由地面到井下的無線傳輸。

2．3石油工程仿生學(xué)的發(fā)展方向

隨著石油工程仿生學(xué)系統(tǒng)性研究的啟動，研究內(nèi)容體現(xiàn)出了明顯的方向性，但研究的深度和廣度依然不足。根據(jù)石油工業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀、需求和特點，以及仿生學(xué)的整體發(fā)展水平，未來石油工程仿生學(xué)應(yīng)注重材料仿生、表面仿生、信息仿生和工程仿生4個方面的系統(tǒng)性研究，以點帶面，形成涵蓋勘探、開發(fā)、工程的仿生技術(shù)體系。

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學(xué)原理設(shè)計和制造具有生物功能，甚至是具有真正生物活性的材料。石油工程領(lǐng)域的材料仿生主要分為2類：①在機械、電學(xué)、化學(xué)、物理等方面具有仿生特性的主體材料，此類材料或在宏觀上體現(xiàn)出明顯的仿生特征，或通過外場刺激可調(diào)控其分子的長度、結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成、表面形貌等，進而調(diào)控材料性能，如輕質(zhì)高強材料、仿生記憶材料、壓電材料、可降解材料等，該類仿生材料主要用來替代石油工業(yè)中常用的鋼鐵、橡膠、陶瓷等，作為其核心功能部件，或作為傳感器敏感元件，大幅提升現(xiàn)有材料、工具以及傳感器的性能指標(biāo)；②具有強化、修復(fù)、、保護等作用的微觀仿生材料，提高現(xiàn)有制劑性能、界面結(jié)合效果等，此類仿生材料多以添加劑的方式應(yīng)用。

2．3．2表面仿生自然界許多生物體的表面結(jié)構(gòu)是非光滑的，無論是陸地、海洋或是天空中的生物，其表面的不同形貌往往都是為適應(yīng)不同的生活環(huán)境經(jīng)過長期進化而來的，而表面仿生是在仿生對象表面實現(xiàn)類似生物的表面結(jié)構(gòu)，從而表現(xiàn)出更好的表面性能。未來，石油領(lǐng)域的表面仿生多是對機械部件表面進行處理，重點應(yīng)集中在仿生非光滑表面和仿生浸潤性兩個方面。加強對不同生物功能表面結(jié)構(gòu)的研究和模仿，將仿生非光滑功能表面應(yīng)用到大量處于惡劣環(huán)境中的設(shè)備、管線、平臺中，提高運動組件的減阻、耐磨、脫附等性能，以及非動組件的防腐、防垢等特性，延長裝備壽命，提高作業(yè)效率，降低安全風(fēng)險；對材料表面進行仿生浸潤性處理，使其具有自清潔、親油、疏油、親水、疏水等不同浸潤性特征組合，從而衍生出新的功能特性。目前正在利用表面仿生技術(shù)對前文提到的仿生泡沫金屬進行處理，利用低溫等離子體表面處理技術(shù)，在泡沫金屬表面涂覆一層厚度為30～40nm的聚全氟烷基硅氧烷薄膜，使其具有新的表面浸潤性特征，根據(jù)需要實現(xiàn)疏水、親水、疏油、親油等不同特性組合，在工礦、石化、冶金、機械、環(huán)保等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景［27］。

2．3．3信息仿生信息仿生主要是對生物信息獲取、大數(shù)據(jù)處理以及生物間信息溝通、協(xié)同等特性的模擬與實現(xiàn)。石油工程領(lǐng)域的信息仿生主要可分為2類：①借鑒生物在信息感知和傳遞方面的特性，研制新型傳感或信息傳遞裝置，提高信號采集的精度、廣度及適用范圍，此類信息仿生技術(shù)可用于油田生產(chǎn)數(shù)據(jù)的精確采集，以及信息的高效傳遞，從而提高油田生產(chǎn)狀態(tài)的實時監(jiān)測與控制水平；②在信息處理方面借鑒生物的大數(shù)據(jù)處理機理和方法，提高大數(shù)據(jù)處理能力和智能化水平，建立決策機制，并將其應(yīng)用在地震解釋、油藏認(rèn)識、開發(fā)方案制定以及油田綜合管理等方面，促進油田勘探開發(fā)高效運行。

2．3．4工程仿生目前，工程仿生是對生物某種功能的模仿，注重仿生功能的實現(xiàn)，不強調(diào)機理相似：①對生物功能的模仿和實現(xiàn)，此類仿生多是受某種生物功能啟發(fā)，注重結(jié)構(gòu)相似或生物功能的工程實現(xiàn)，體現(xiàn)生物功能的智能性，并能夠滿足生產(chǎn)實踐需求。目前，石油工程領(lǐng)域的控制方式正在由傳統(tǒng)的機械方式向自動化和智能化方向轉(zhuǎn)變，在這一轉(zhuǎn)變過程中引入工程仿生，不僅能夠優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)和控制方式，還能夠促進功能拓展，提高作業(yè)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實踐方法?，F(xiàn)有的諸多仿生學(xué)研究成果還局限在實驗室環(huán)境，在其向工業(yè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的過程中，一方面要解決成果本身的適用性問題，另一方面需要具備切實可行的工程實踐手段。

2．4發(fā)展展望石油工程與仿生學(xué)的結(jié)合依然處于初級階段，大多數(shù)研究成果為“形似”仿生。隨著生命科學(xué)研究水平的提高以及技術(shù)手段的完備，生命科學(xué)從生物結(jié)構(gòu)、功能、特性等研究，逐漸深入到生命活動規(guī)律、發(fā)育規(guī)律、生命本質(zhì)、生物之間和生物與環(huán)境之間的相互關(guān)系等研究。生命科學(xué)的發(fā)展加深了對生命本質(zhì)的認(rèn)識，不僅能夠拓寬石油工程仿生研究的廣度，更加深了研究深度；反之，石油工程仿生學(xué)的發(fā)展也使得人們在具體的科研實踐中深化了對生物本身及其活動的理解，進一步促進生命科學(xué)研究，并將研究成果有形化［28］。此外，電子、材料、控制等學(xué)科的技術(shù)進步也將促使石油工程仿生研究成果越來越“神似”。石油工程仿生學(xué)未來發(fā)展大概可以分為3個階段，即知識積累、成果轉(zhuǎn)化和工業(yè)化應(yīng)用（圖7）。2020年前，為知識積累階段，任何一個學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展，都需要長期的知識積累，其中既包括仿生學(xué)基礎(chǔ)理論知識的積累與儲備，也包括石油工程仿生學(xué)研究人才和研究方法的積累，這一階段要不斷加深對仿生學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識與理解，探索并逐漸形成石油工業(yè)與仿生學(xué)的結(jié)合模式；2020年到2025年為成果轉(zhuǎn)化階段，對實驗室研究成果進行簡化和魯棒研究，使之在性能或功能上能夠滿足現(xiàn)場應(yīng)用的要求，形成基本完備的工程實現(xiàn)技術(shù)和手段；2025年后，部分研究成果在生產(chǎn)、成本、效率、能耗、作業(yè)工藝等方面能夠滿足大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的要求。2008年提出的仿生井概念是未來石油工程仿生發(fā)展的集中體現(xiàn)［17］，代表了未來石油工程仿生研究成果的高度融合。未來的油井會像植物一樣“生長”，像植物尋找土壤中濕潤的地方一樣尋找油氣，一旦鉆好垂直井（種植井）后，井將會“按自己的方式生長”。一個智能的分支會延伸到一塊含油區(qū)域，一旦該區(qū)域水淹后，就將這個分支“砍掉”，并在另一個含油區(qū)域“長出”另一個分支，如此反復(fù)。

3結(jié)語

篇5

自人類誕生以來就開始從其它動物、植物身上吸收其各自不同的長處來創(chuàng)造自己的文明。不管人類社會發(fā)展到哪一個時期，仿生學(xué)無時無刻不在影響著人類的生活和活動。仿生學(xué)的思想是建立在自然進化和共同進化的基礎(chǔ)上。仿生學(xué)研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計思想及工作原理。仿生學(xué)涉及生物學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)、控制論、工程學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域，屬于生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間的邊緣學(xué)科。仿生技術(shù)通過對各種生物系統(tǒng)所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究，最后實現(xiàn)新的技術(shù)設(shè)計并制造出更好的新儀器、機械等產(chǎn)品。

體育仿生學(xué)屬于體育科學(xué)的學(xué)科之一，也是仿生學(xué)分支。體育仿生學(xué)研究如何通過深入認(rèn)識生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，進行模仿、模擬或從中得到啟迪，并有效地應(yīng)用到運動技術(shù)、運動訓(xùn)練、運動器械、體育建筑等領(lǐng)域。成千上萬年的優(yōu)勝劣汰使這些優(yōu)良設(shè)計機能完備、結(jié)構(gòu)精巧、用材合理，不但符合自然的經(jīng)濟法則，有些更是合乎數(shù)理法則，即以最少材料構(gòu)成最大合理空間。運用仿生性思維進行設(shè)計，并尋求人類社會生產(chǎn)活動和自然界的契合點，是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉，可以實現(xiàn)人類社會與自然界的高度和諧統(tǒng)一。

形態(tài)仿生

形態(tài)仿生設(shè)計主要是指生物體和自然界物質(zhì)存在的外部形態(tài)及其象征寓意，以及如何通過相應(yīng)的藝術(shù)處理手法將之應(yīng)用與設(shè)計之中。形態(tài)仿生是以最直觀的方式對自然進行反應(yīng)的設(shè)計。潛水活動中用到的腳蹼，就是人們認(rèn)真研究了青蛙在水中的運動姿勢和其生長特征后，設(shè)計出的產(chǎn)品。它完美地再現(xiàn)了青蛙后肢的形態(tài)和功能，大大提高了潛水員在水中的活動能力。

Bionic 手套

為了完成更加復(fù)雜的工作，人類的手掌由于內(nèi)部指骨的原因變得不那么平滑。在做運動時，為了達(dá)到足夠的摩擦力，骨節(jié)部分往往比手掌的其它部分受到更多的壓力和摩擦。這樣就容易產(chǎn)生水泡、老繭，增加疲勞感。受到貓科動物肉墊的啟發(fā)，采用仿生學(xué)設(shè)計的運動手套使手掌與握把或器械的接觸面變得平滑。這種利用仿生學(xué)設(shè)計制作的運動手套就仿佛是運動者的第二層皮膚。即使不用額外用力，手套與器械間增加的接觸面積也可以保持足夠的摩擦力，令運動更加省力，也大大避免了水泡、老繭等運動傷害的問題。

利用相同原理，運動鞋的設(shè)計也有大幅改善。赫赫有名的天足設(shè)計也是以貼近地面、減少沖擊、快速反應(yīng)為原理做出的開發(fā)應(yīng)用。

功能仿生

功能仿生設(shè)計主要研究生物體和自然界物質(zhì)存在的功能原理，并用這些原理去改進現(xiàn)有的或建造新的技術(shù)系統(tǒng)，以促進已有產(chǎn)品的更新?lián)Q代或新產(chǎn)品的開發(fā)。 很多時候人們都會發(fā)現(xiàn)，動植物在某些方面的功能，會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越人類自身在此方面的科技成果，因而，通過模擬再現(xiàn)生物學(xué)的原理，人類不但可以找到技術(shù)的解決方案，而且同時也使得該方案能完全適應(yīng)自然的需要。運動鞋設(shè)計最初都是采用實心鞋底結(jié)構(gòu)，既笨重不舒適，又不能減輕運動對人腳部造成的沖擊力。后來人們從小雞三個腳爪總能抵御沖擊并保持良好平衡中受到啟發(fā)，設(shè)計發(fā)明了運動鞋的核心部分――腳弓支撐器，大大降低了人腳受損害的幾率，提高了運動靈活程度，體現(xiàn)了產(chǎn)品對人性的關(guān)懷。再有，潛水用具中的呼吸管就是受到大象在潛水過河時使用鼻子露出水面進行呼吸的啟發(fā)。目前，學(xué)習(xí)和利用生物系統(tǒng)的優(yōu)異結(jié)構(gòu)和奇妙的功能，已經(jīng)成為技術(shù)革新和技術(shù)革命的一個新方向。

X-bionic仿生運動服

普通運動服為了追求排汗效果和穿著舒適度往往采用將濕氣吸入材料，通過衣物外表面蒸發(fā)達(dá)到排汗快干的作用。但這樣的設(shè)計并不符合動物排汗的基本原理。哺乳動物排汗的作用主要是通過水分帶走多余的熱量，以在能量大量轉(zhuǎn)化為熱能的過程中維持核心體溫不會過高。普通運動服的排汗只是帶走了濕氣，由于要兼顧保暖性能，并不能將身體產(chǎn)生的熱量帶走。

由瑞士科學(xué)家按仿生原理設(shè)計的新型纖維不是簡單地從皮膚上吸走汗水，而是通過纖維內(nèi)的微型管道鎖住汗水。汗水通過微型管道的過程不僅保持了內(nèi)部穿著環(huán)境的舒爽，且?guī)ё吡硕嘤嗟臒崃?。一些水分從衣物外表面蒸發(fā)，一些水分凝結(jié)變冷，重新被皮膚吸收。微型導(dǎo)管的作用就宛如皮膚內(nèi)的汗腺，令高科技運動服成為運動員的第二層皮膚。由微管組成的功能區(qū)集中在身體出汗集中的區(qū)域，胸前、腋下和后背等部位。這些功能板幫助身體輸導(dǎo)遺留的水分或在更大的區(qū)域蒸發(fā)濕氣，在排濕的同時達(dá)到最大的降溫效果。汗水從側(cè)面被吸走，卻可以從整個胸部進行蒸發(fā)，功能板的面積與產(chǎn)品的降溫效果成正比。

考慮到戶外環(huán)境的多變，例如越野自行車等運動會在寒冷濕潤的環(huán)境下進行。仿生運動服裝曾經(jīng)將溫暖濕氣排出的微型管道在這種情況下會起到隔熱效果，保護身體周圍的溫暖空氣。這種隔離效果即使在運動結(jié)束后仍能保持，減少了運動后肌肉迅速冷卻，受到運動傷害的風(fēng)險。仿生運動服不僅令專業(yè)運動員有如神助，即使普通人穿著也可以在消耗更少能量的情況下給身體合理降溫，起到提高成績的作用。汗水轉(zhuǎn)化成能量

緊身功能運動服技術(shù)有效壓縮了肌肉，提高了肌肉的穩(wěn)定度和工作效率，提高了成績，卻妨礙了血液循環(huán)。仿生服裝拉開了壓縮間距，通過毛細(xì)血管改善了血液循環(huán)，從而解決了這個問題。這有助于降溫過程，給肌肉添加了新鮮氧氣，提高成績。

結(jié)構(gòu)仿生

結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計主要是指生物體和自然界物質(zhì)存在的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理在設(shè)計中的應(yīng)用問題，適用與產(chǎn)品設(shè)計和建筑設(shè)計。研究較多的是植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、 骨骼的結(jié)構(gòu)。隨著仿生學(xué)的深入開展，人們不但從外形、功能去模仿生物，而且從生物奇特的結(jié)構(gòu)中也得到不少啟發(fā)。在仿生制造中不僅是模仿大自然外部結(jié)構(gòu)，而且要學(xué)習(xí)與借鑒他們自身內(nèi)部的組織方式與運行模式。身高不到一厘米，大腿又無肌肉的蜘蛛?yún)s有著驚人的彈跳力，可跳十幾厘米高，并可暢行于網(wǎng)上，行動敏捷，原來在它大腿內(nèi)充滿奇特的液體，相當(dāng)于一個液壓裝置，可根據(jù)情況自行調(diào)節(jié)液壓的強弱，一旦遇到緊急情況，大腿內(nèi)就會充滿液體而由軟變硬。仿生學(xué)家模仿這種奇妙的液壓腿，研制了液壓裝置，廣泛應(yīng)用到各類產(chǎn)品中，使許多機械上的難題迎刃而解。寶馬所推出的具有強悍性能的越野登山自行車，便是工藝中車體設(shè)計與機械原理的經(jīng)典之作，高剛性車架，能有效分散車身震蕩。運用了液壓原理作為剎車裝置，使之前不可能的設(shè)計成為現(xiàn)實。

護具

啄木鳥一天可發(fā)出約600次的啄木聲，每啄一次的速度可達(dá)每秒55公里，比空氣中的音速還快1.6倍，而它的頭部搖動的速度更快，約每小時2080公里，比射出的子彈還要快一倍多，此時，它頭部所受到的沖擊力約為所受重力的1000倍。但啄木鳥從不會因此而得腦震蕩，原來是它頭部的構(gòu)造與眾不同，它的腦殼非常堅硬，被細(xì)密而松軟的骨骼包裹著，在外腦膜與腦髓之間，有一條吸附著很多液體的狹窄空隙，這樣一來，通過流體傳播的震動波，也就得到減弱，并且它頭部兩側(cè)還有強有力的肌肉系統(tǒng)，也能起到防震作用?？茖W(xué)家根據(jù)這種渾然天成的特殊構(gòu)造，設(shè)計開發(fā)了新型抗震安全帽等護具。安全帽外殼堅固，里層松軟，帽子下部有一個保護領(lǐng)圈，避免了因突然而來的旋轉(zhuǎn)運動所造成的腦損傷，比一般防護帽的效果好得多。得益于材料技術(shù)的發(fā)展，以Visco Elastic Polymer Dough等防水材料制作的護具進一步應(yīng)用于各種護具中，不僅穿著更加安全舒適，設(shè)計也更加人性化。

代代木體育館

除了體育用品，體育場館設(shè)計中的結(jié)構(gòu)仿生更是屢見不鮮。被稱為20世紀(jì)世界最美建筑之一的代代木體育館就是當(dāng)代仿生建筑的接觸代表。亞洲首位普利茲克建筑獎得主，日本建筑師丹下健三以瞬間海浪的漩渦為設(shè)計靈感，以海螺的獨特造型造就了他表現(xiàn)主義時期的巔峰之作。體育館大的橢圓形為游泳館，小的圓形為籃球館。兩座館都用懸鏈形的 鋼屋面懸掛在混凝土梁構(gòu)成的角上，狀似蝸牛。這座建筑還采用了來源于蜘蛛網(wǎng)靈感的懸索結(jié)構(gòu)，用數(shù)根自然下垂的鋼索牽引主體結(jié)構(gòu)的各個部位，從而托起了這座總面積達(dá)兩萬多平米的超大型建筑，成為建筑藝術(shù)的經(jīng)典作品。

雅典體育館

同樣是以仿生建筑名揚世界的西班牙建筑師卡拉特拉瓦被建筑界譽為叛逆紳士。由于奧運會在酷熱的盛夏舉行，他在主體育場的上方架起了兩條巨大的拱梁，用它拉起半透明的頂蓋，讓陽光可以進入體育場，同時又能阻隔熱氣。體育場兩側(cè)上空的頂蓋，像一對展開的翅膀，無時無刻不透露出更高、更快、更強的奧運理念，在這樣的氛圍下比賽，運動員們屢獲佳績。而那兩道標(biāo)志性的拱梁，讓這座場館載入了奧運會的建筑史冊。而以拱和斜拉鎖造型的標(biāo)志性設(shè)計正是利用了大自然中葉片和葉脈的自然結(jié)構(gòu)和有序分布。葉脈地分布，讓葉片擁有了一個寬大的自然結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)，讓葉片穩(wěn)固而不易受到自然界外力的影響?？ɡ乩邚闹参锏娜~脈中找到了能夠支撐橋梁的靈感。拱象征著葉子的邊，而斜拉索則象征著葉片上的脈絡(luò)。這種仿生學(xué)的設(shè)計，讓卡拉特拉瓦屢試不爽。

材料仿生

隨著仿生學(xué)的深入開展，人們不但從外形、功能去模仿生物，從生物奇特的結(jié)構(gòu)和肌理中也得到不少啟發(fā)。人們在仿生制造中不僅是師法大自然，而且是學(xué)習(xí)與借鑒他們自身內(nèi)的組織方式與運行模式。人造纖維就是模仿天然纖維的結(jié)構(gòu)和觸感不斷更新完善的。模仿生物纖維吸濕、透氣的特點，20世紀(jì)以來，新纖維、新材料層出不窮。人類仿造生物纖維彪馬席位形態(tài)與內(nèi)部構(gòu)造上的成功使得運動用品和服裝在功能和外形上都有了質(zhì)的飛躍。

AirJordan XIX

喬丹系列球鞋的設(shè)計者之一，TateKuerbis最引以為豪的作品就是喬丹19代。鞋子從毒性最強且速度最快的黑曼巴蛇身上汲取設(shè)計靈感，19公里的運動時速和百分之百的致命毒液與喬丹在球場上的作風(fēng)相得益彰。19代以蛇為本，因而充滿了蛇靈之氣。球鞋表面的編織鞋套采用仿蛇皮結(jié)構(gòu)，在運動中不會產(chǎn)生更多的褶皺并影響腳感，整個鞋套會隨著腳的形變而自動扭曲，構(gòu)成鞋套的硬塑料纖維由于本身的韌性卻又可以使鞋面不會過分夸張的變形，既起到了保護腳面不過分變形以致受傷的作用，又不會因為本身的韌性而阻礙使用者在運動過程中腳面的任何合理動作。而在鞋套的兩側(cè)面延伸出的磁性搭扣恰好有如蛇一樣將后跟盤緊。以腳后跟為穩(wěn)定中心來換取腳踝的穩(wěn)定，從根本上來防止腳踝在運動中會出現(xiàn)的任何不穩(wěn)定因素，用這種理念設(shè)計的球鞋還包括Air Zoom Generation、Air Huarache2K4等等。

鯊魚皮

鯊魚皮膚表面的V形皺褶可以大大減少水流的摩擦力，使身體周圍的水流更高效地流過。受此啟發(fā)，材料學(xué)家和設(shè)計師共同開發(fā)了模仿鯊魚皮的泳衣，以降低水下運動中受到的水流阻力。該泳衣極好的模擬了低阻力的鯊魚皮素材，與魚鱗狀撥水肌理共同作用，使素材表面有極小的漩渦產(chǎn)生，從而減小百分之四以上的表面摩擦阻力，而且它比以往的素材擁有更大的彈性。通過改進面料的質(zhì)地和紋理，快皮和曲皮兩種織物共同組成泳衣的表面。兩種不同表面特質(zhì)的材料的組合使流經(jīng)泳衣表面的水流更加接近鯊魚皮表面的水流情況。一些類似鯊魚背脊的隆起和鯊魚皮膚其它部位的低凹處的設(shè)計，也可以幫助減少水的壓力阻力，實現(xiàn)了材質(zhì)、肌理與造型的完美匹配。該泳衣無疑是材料仿生設(shè)計的里程碑之作，令國際泳壇也為之波瀾起伏。

蜘蛛人手套

篇6

植物通過光合作用產(chǎn)生碳水化合物而形成合成植物纖維,也吸收了空氣中0.3%的二氧化碳。植物是利用少量二氧化碳在水與光合作用下生成纖維素。其纖維橫截面由復(fù)雜的多種結(jié)構(gòu)組成,這種纖維素具有相似性。纖維科學(xué)家將其定義為“二氧化碳纖維”。這就是說,我們一旦了解更多自然知識,我們就可以避免使用化石能源制造人造纖維,而創(chuàng)造一種環(huán)境友好型的生物纖維已成為一種可能。

作為仿真絲的第一種化學(xué)纖維,人造絲出現(xiàn)在一個世紀(jì)前,這種化學(xué)纖維擬態(tài)絲是用木漿制成的,隨后,人們發(fā)現(xiàn)木質(zhì)漿具有可溶性,還可濕紡加工。而人造絲與木質(zhì)纖維具有纖維素同樣的結(jié)構(gòu)。隨之,尼龍又出現(xiàn)了。尼龍是人類模仿天然纖維的杰作。50年后,混紡加工技術(shù)出現(xiàn),合成纖維漸漸成為我們的時尚,也形成一種開發(fā)方式。隨之,聚酯纖維以標(biāo)新立異的固有特征使其他人造纖維刮目相看,也與人造絲形成鮮明的對比。然而,卻不是所有的真絲特征都可以再造的。例如,光澤特征、吸濕特征、可染特征并沒有完全盡如人意地模仿出來。例如,的所有有機要素,如糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、纖維素等均含碳元素。光合作用使碳元素生成新的植物碳元素。據(jù)稱,每年全世界約有2000億噸碳元素因光合作用被植物從空氣中吸收。其中植物就包含了空氣和植物中水分子中的二氧化碳,將其轉(zhuǎn)化為植物糖類。

光合作用使植物需要更多能量。植物糖類所含能量高于其他簡單化合物,其能量主要來源于光的吸收,即葉綠素和類胡蘿卜素的生成,而植物不僅能生成糖類,而且其化合物可以轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)性材料,如纖維素和蛋白質(zhì)。這種轉(zhuǎn)換要求更多能量,這一趨勢又使其分解具有高能量的糖類。在氧化作用下,它再次生成二氧化碳和水。這種能量釋出和轉(zhuǎn)換過程被看做植物呼吸與生長的過程,類似于動物的呼吸。而光合作用使植物獲得能量后以糖類的形式儲存下來。日本農(nóng)業(yè)生物科學(xué)研究所(NIAS)馬越博士(Dr J. Magoshi)認(rèn)為,蠶絲的形成經(jīng)歷了這個機械過程,而這個過程在所有動植物體內(nèi)都會產(chǎn)生。也就是說,所有動植物都可以成為擬態(tài)生物纖維的“工廠”。

眾所周知,家蠶不是真正的吐絲,而是從口中拉出絲,靠移動編織蠶繭。家蠶可以將蠶絲蛋白固定在平面上。如果能給家蠶下“命令”,它們或許能按照人類的指令,直接給人“紡織”衣服,而省掉了織布這一過程。這與我們傳統(tǒng)的人造纖維紡織大相徑庭,事實上,天然絲纖維要比人造纖維更有伸縮性,絲纖維的隔熱性能、手感、吸濕性都要好于合成纖維。并且,絲纖維具有很好的功能性,甚至可以設(shè)計更多的人造功能。

在過去,人們并不知道,家蠶是怎樣通過食用桑葉而制造蠶絲的?，F(xiàn)在發(fā)現(xiàn),那是因為桑葉被消化后形成氨基酸,然后形成絲腺。就這樣,分層的絲蛋白就在蠶的肚子里形成,然后又通過絲腺鈣離子形成膠質(zhì)蛋白絲,而凝膠體又通過吸收空氣中的二氧化碳轉(zhuǎn)化為溶膠,最終變?yōu)橐簯B(tài)水晶體,蠶一邊移動一邊拉出口中的液態(tài)水晶體而形成蠶絲。這個過程與人類合成纖維的生產(chǎn)大同小異。

其實,當(dāng)提及動物纖維時,人類沒有真正理解自己的毛發(fā)和羊毛生長的過程。人類毛發(fā)和羊毛的生長都是一個氨基酸的聚合過程。倘若毛發(fā)在形成過程中,聚合體相互纏繞,形成新的合成纖維,那么聚合體就會形成一種溶體并儲存下來,然后從皮膚里冒出來。這個過程可以讓我們明白,其實這也是一個人造絲的過程。若能真正模仿這種生物動態(tài),那么人類就可以不斷創(chuàng)造無數(shù)種擬態(tài)纖維。目前,世界上已有許多纖維公司把觸角伸向人類毛發(fā)生成原理?，F(xiàn)代生物技術(shù)可以讓頭發(fā)按照人類預(yù)期的形狀在活體內(nèi)生長。倘若人發(fā)能夠復(fù)制,那么羊毛也可以用未來的生物擬態(tài)技術(shù)合成出來。

蜘蛛絲是另一有趣的纖維材料。這種動物性纖維具有很強的韌性,它可以任意伸長。為了使自身產(chǎn)絲更有效地捕捉到昆蟲,蜘蛛往往會自動地將絲中的養(yǎng)分加以調(diào)整,使其絲的強度能讓纖維絲以蜘蛛網(wǎng)的軸心看齊。當(dāng)蛛絲一邊被拉伸時,其韌度卻在由中心到邊緣加大。蜘蛛絲的韌度相當(dāng)于凱夫拉爾纖維,其延伸性或抗斷裂性高于凱夫拉爾35%。因此,其經(jīng)緯黏度足以捕捉到比蜘蛛自身大得多的昆蟲。但是,當(dāng)蜘蛛移動時,蜘蛛網(wǎng)上的黏度卻不會粘住它。這就是大自然的奇妙。世界頂尖級纖維科學(xué)家因此對蜘蛛絲的結(jié)構(gòu)十分感興趣。他們希望能解釋蜘蛛絲結(jié)構(gòu)的物理屬性,從而開發(fā)像蜘蛛絲一樣的擬態(tài)非均勻性智能化纖維材料。這或許成為未來開發(fā)新纖維材料的關(guān)鍵所在。這樣的生物擬態(tài)應(yīng)用信息,確定無疑,將成為今后新型化學(xué)纖維誕生的溫床。未來的生物擬態(tài)技術(shù)可利用動植物體內(nèi)的均質(zhì)物質(zhì)和非均質(zhì)物質(zhì)開發(fā)多種生物纖維,以滿足人類更多需求。例如,模仿生物的功能即可強化液晶蛋白纖維的強度。使用這樣的纖維材料紡織物,可使人類在炎熱的沙漠地帶都免受強光的照射和熾熱高溫的危害。

當(dāng)然,除了動物纖維,人類也可以利用植物纖維的擬態(tài)開發(fā)纖維種類。例如,竹子纖維是一種天然的強化型復(fù)合材料。其橫斷面顯示具有豐富的纖維素材料,而外部堅硬且密度高,其非均質(zhì)性結(jié)構(gòu)可幫助人類抵御高寒和強風(fēng)的襲擊。日本東京理工學(xué)院教授菊谷先生(T. Kikutani)成功地合成了一種同等密度的竹類生物擬態(tài),這種材料擁有極高強度、高韌度、高系數(shù),因此成為市場需求最迫切的產(chǎn)品。

為了探索聚合體材料的理想功能,人類還需要在聚合體分子量和減少分子結(jié)構(gòu)缺陷上下工夫。而與之相適應(yīng)的新型紡紗加工技術(shù)則成為創(chuàng)新者的另一挑戰(zhàn)。因為,未來的生物擬態(tài)已不再是傳統(tǒng)意義上的紡織,而是利用分子導(dǎo)向控制以實現(xiàn)預(yù)設(shè)的纖維紡織精準(zhǔn)度。

在自然界,單體蛋白質(zhì)分子量超過200萬,但聚酰胺的合成分子量最多為20萬。因此,通過自然合成高分子聚合物并制造高自旋為導(dǎo)向的纖維產(chǎn)品將會逐步取代現(xiàn)行的纖維生產(chǎn)方式。

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關(guān)鍵詞：生物仿生學(xué)；產(chǎn)品設(shè)計；仿生設(shè)計

一、生物仿生學(xué)概述

生物仿生學(xué)既是模仿生物的形態(tài)或功能結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)發(fā)明創(chuàng)造的一門科學(xué)，主要的目的是提煉自然生物百萬年來進化出的適應(yīng)機制將其通過現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)移植到所需的領(lǐng)域及產(chǎn)品中以達(dá)到預(yù)期的實用效果，通過這種方法能夠更好也更高效的實現(xiàn)技術(shù)革新。

事實上早在遠(yuǎn)古時期的人類就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了仿生的種種益處，早期的人類就已開始借鑒自然界中生物的形態(tài)用于工具的制造，例如古時候人類通過模仿魚的形態(tài)來造船，也許當(dāng)時的人們并不明晰這背后的原理，但通過生活中的實踐發(fā)現(xiàn)這是行之有效的。到了現(xiàn)代隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)掌握了更多的科學(xué)方法來研究自然界中的各種生物，從而更好地掌握了生物結(jié)構(gòu)的內(nèi)在原理，這便為各個領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供了有效的參照。

二、生物仿生學(xué)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用

仿生是產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)中極為常見的方法和手段，自然界總是給我們帶來驚喜和期待，通過研究自然、感受自然能夠有效地激發(fā)出我們無限的創(chuàng)想和靈感，再通過科學(xué)手段加以證明和驗偽，最終我們能夠得到科學(xué)有效的新型技術(shù)用于實現(xiàn)產(chǎn)品的各項功能。而如今對于生物仿生學(xué)的研究已涉及到生物表現(xiàn)的各個層面，從最為直觀的外在形態(tài)、色彩、肌理到生物精妙的內(nèi)部結(jié)構(gòu)我們都能以科學(xué)的方法加以研究提煉，從中我們汲取了大自然的智慧為我們的生活創(chuàng)造出了高效便利的產(chǎn)品。

（一）生物形態(tài)層面的仿生設(shè)計

通過進化論的觀點我們可以了解到對于美的感受很大程度上受到了我們的內(nèi)在基因的影響，由于我們的審美這是在自然界中繁衍生息數(shù)百萬年逐漸形成的，這促使我們會對自然界的許多事物都達(dá)成了美學(xué)上的認(rèn)可。正因如此，自然界中總有著無限的美意等待著我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)，人類文明發(fā)展至今已經(jīng)創(chuàng)造出了無計其數(shù)的人造物，經(jīng)過不斷地探索和嘗試我們力求找到匹配自然之美的設(shè)計法則，最為直接的方式就是參考自然物的外在形態(tài)，即基于自然生物形態(tài)層面的仿生設(shè)計，這種方法是以自然界中生物或植物的形態(tài)作為造型基礎(chǔ)，再根據(jù)產(chǎn)品的功能需要，使產(chǎn)品在功能和造型上能夠得到相應(yīng)的統(tǒng)一。

而對于形態(tài)的提煉上根據(jù)設(shè)計師的設(shè)計意圖既可以是抽象的又或是具象的，這使得造型仿生呈現(xiàn)出兩種截然不同的視覺體驗，而對于設(shè)計過程中抽象到具象之間的度的拿捏就要看設(shè)計者的個人風(fēng)格及觀念了。世界上許多知名設(shè)計師通過這樣一種形式的設(shè)計創(chuàng)作出了許多經(jīng)典的設(shè)計作品（圖1）。

（圖1）

（二）生物色彩層面的仿生設(shè)計

再從生物色彩的層面來看，我們視覺器官對于色彩有著極高的敏感度，我們對于環(huán)境的認(rèn)知很大一部分是依靠視覺系統(tǒng)，因此我們往往賦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將其運用在產(chǎn)品設(shè)計中使產(chǎn)品達(dá)到一定的視覺體驗，甚至?xí)a(chǎn)生相應(yīng)的聯(lián)想，讓產(chǎn)品產(chǎn)生更深語義象征和功能屬性。這種手法在服裝中較為常見，如迷彩（圖2）、豹紋、斑點等都是常被運用的自然界的生物色彩，這些色彩不僅具有時尚氣息還包含著豐富的情感體驗。

（圖2）

（三）生物肌理層面的仿生設(shè)計

生物肌理仿生（圖3）與生物色彩仿生有類似之處，很多時候它是建立在色彩仿生的基礎(chǔ)上對其表面質(zhì)感進一步地深化處理的結(jié)果，它不單純考慮視覺上的仿生體驗，而是將自然動植物的表面肌理質(zhì)感也考慮了進來，這樣不僅在視覺上有所映射，還在觸覺上也能得到更為真實的觸感，這中效果讓人耳目一新，從側(cè)面也反應(yīng)出現(xiàn)代加工技術(shù)的卓越成效。

（圖3）

（四）生物結(jié)構(gòu)層面的仿生設(shè)計

生物結(jié)構(gòu)仿生是伴隨著仿生學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對于仿生不再局限在外形上對自然淺層次的模仿。而是從生物奇特的內(nèi)外結(jié)構(gòu)組織中得到啟發(fā)，人們根據(jù)生物的構(gòu)建組織以及運行模式拓展了仿生的一個新的層面，結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計讓最終的產(chǎn)品具備更為有用的功能意義。

生物自身結(jié)構(gòu)是非常奇特的，它們經(jīng)過數(shù)百萬年的演化成功地經(jīng)受住了各個時期的災(zāi)變，并且一直向著更優(yōu)良的系統(tǒng)進化著，可以說每個現(xiàn)代生物都有著完美的生理機制，人們通過研究它們的結(jié)構(gòu)能夠得到無數(shù)的啟發(fā)性的發(fā)現(xiàn)，很多方面不得不承認(rèn)自然生物依舊領(lǐng)先于我們?nèi)祟惸壳暗目茖W(xué)技術(shù)。因此通過對生物結(jié)構(gòu)的仿生往往可以解決許多目前面臨的技術(shù)難點，這讓生物仿生學(xué)在產(chǎn)品設(shè)計的領(lǐng)域中再次得到了相當(dāng)?shù)闹匾暋?/p>

結(jié)構(gòu)仿生首先要依據(jù)一定的科學(xué)理論為研究基礎(chǔ)，簡單地模仿未必能產(chǎn)生預(yù)期功效。因此在結(jié)構(gòu)仿生前要對生物相應(yīng)的結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)的研究，探明其工作原理證明其確實科學(xué)有效，再將其原理解構(gòu)后以現(xiàn)代的工業(yè)技術(shù)和手段進行重構(gòu)，使生物結(jié)構(gòu)通過一種新的形式移植到產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中以發(fā)揮其原生物結(jié)構(gòu)的功效。

在眾多現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中我們能夠看到很多已經(jīng)成熟應(yīng)用了的結(jié)構(gòu)仿生技術(shù)，這些技術(shù)里有可以分為外在結(jié)構(gòu)仿生和內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿生。

外在生物結(jié)構(gòu)仿生是通過生物的外在結(jié)構(gòu)作為參照，通過外在的仿生以達(dá)到生物該結(jié)構(gòu)組織的相應(yīng)功能。例如吸盤的設(shè)計就屬于外在結(jié)構(gòu)仿生，它以章魚觸手結(jié)構(gòu)為啟發(fā)的仿生應(yīng)用，還有就是魔術(shù)貼的設(shè)計，也是外在結(jié)構(gòu)仿生的一個極其經(jīng)典案例，它的靈感來源則是鬼針草的尾部細(xì)小倒鉤。這些結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計如今已經(jīng)隨處可見，大量應(yīng)用在了人們的生活中，在潛移默化中給人們的生活平添了許多便利和幫助。

生物內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿生則是通過對生物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究，將生物內(nèi)在的工作原理進行分析，提煉出對于我們有用的結(jié)構(gòu)并運用在設(shè)計當(dāng)中，使我們的設(shè)計產(chǎn)生相應(yīng)的效應(yīng)。在高新的建筑、航天工業(yè)中就大量地充斥著內(nèi)部結(jié)構(gòu)仿生的技術(shù)應(yīng)用，例如蛋殼屋頂所運用的薄殼結(jié)構(gòu)以及航天工業(yè)中的蜂窩結(jié)構(gòu)等這些結(jié)構(gòu)仿生成果都是極為成功的案例，這些新的技術(shù)不僅節(jié)約了材料并且讓局部的應(yīng)力性得到顯著的提高，使建筑的造型擁有了更加豐富的想象空間，而航天設(shè)備也變得更加輕質(zhì)，而這些都要歸功于結(jié)構(gòu)仿生技術(shù)的發(fā)展，這都將為未來設(shè)計提供了有效的技術(shù)基墊。

目前結(jié)構(gòu)仿生已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了各類產(chǎn)品的開發(fā)中，并收到了很大的成效，可以預(yù)見科學(xué)技術(shù)的不斷提高對于生物外在結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究也會愈加深入，這將會為人們提供更多參考素材。結(jié)構(gòu)仿生將在未來設(shè)計中占有相當(dāng)?shù)姆至俊?/p>

（五）小結(jié)

通過以上的論文我們可以看到仿生設(shè)計是極為有效的，無論從造型審美還是功能的實現(xiàn)方面仿生都能發(fā)揮出很好的效果，這位我們產(chǎn)品的設(shè)計和研發(fā)提供了新的出路。正因如此，研究和探索生物仿生學(xué)是極有價值的，相信在今后的日常生活中還會有更多的仿生產(chǎn)品涌現(xiàn)出來，為我們的生活提供更多的便利。

三、總結(jié)

可以預(yù)見隨著生物仿生學(xué)的進一步發(fā)展，仿生設(shè)計在未來蘊含著極大的潛力和機遇，將會有更多的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新來造福于我們的生活。自然界是無比神奇的，而仿生則讓自然與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)建立了聯(lián)系，這是一座工業(yè)通往自然的橋梁?？梢哉f生物界就是工業(yè)創(chuàng)新的一個巨大知識庫，是待我們進一步挖掘的寶藏，對此在研究的同時我們還應(yīng)當(dāng)提供相應(yīng)的保護，這樣才能讓這筆財富可持續(xù)地發(fā)展下去并為人所用，這是新的機遇也是新的挑戰(zhàn)，如何權(quán)衡自然與工業(yè)的平衡，這需要所有人的努力，期待未來人與自然共存的美好景象。

作者：俞小龍

【參考文獻(xiàn)】 

[1]原研哉.設(shè)計中的設(shè)計[M].朱鍔譯.濟南：山東人民出版社，2006 

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一、歷史上的仿生

人類在遙遠(yuǎn)的歲月似乎就認(rèn)識到能從自然生態(tài)系統(tǒng)中領(lǐng)悟到自身生存、發(fā)展、進步的真諦。人類從蒙昧?xí)r代進入文明時代就是在模仿和適應(yīng)自然規(guī)律的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?；仡欀袊墓盼拿魇?，不難看到人們較早就留下了模仿自然生態(tài)的痕跡。從遠(yuǎn)古原始人構(gòu)筑的人首龍身、人面鳥身等“人心營構(gòu)之象”，到現(xiàn)實生活中以各種動物形態(tài)為原型的實用器皿，如牛形燈、豬、鷹形壺等。從神話傳說中人的羽化飛升，到春秋戰(zhàn)國時期的魯班從草葉的齒形邊緣中“悟”到了鋸的原理等，大量的事例記述了人們對自然生命的外在形態(tài)和功能創(chuàng)造性地模仿。

國外亦然，古時人們看到鳥兒在天上自由自在地飛翔，就向往人也能象鳥一樣飛上天，于是便用各種方法模仿鳥。經(jīng)過漫長歲月，從最初的木制飛人發(fā)展到今天的超音速飛機，終于實現(xiàn)了人類在藍(lán)天上自由飛翔的夢想。達(dá)芬奇被認(rèn)為是現(xiàn)代仿生學(xué)之父。在大約公元1500年，他完成鳥翅模型之后，又畫了一系列的無法實現(xiàn)的飛行設(shè)備草圖。大約400年之后，奧托成功了，他根據(jù)鸛的翅膀制造的滑翔機成功地飛行了250米，而且他也取得了"滑翔機之父"的稱號。而我們小時侯玩的竹蜻蜓，便是現(xiàn)代直升飛機的趨形。一直以來，許多研究者都在不斷嘗試把自然界的形態(tài)和功能類比的應(yīng)用于科學(xué)。

由此可見人類師法自然思維由來已久，這便促成了仿生學(xué)的誕生，仿生學(xué)是在生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間發(fā)展起來的，模仿生物系統(tǒng)的原理來建造技術(shù)系統(tǒng)的一門新興邊緣學(xué)科。仿生學(xué)恰似“橋梁”和“紐帶”，連接著生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)。仿生設(shè)計則是在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它以仿生學(xué)為基礎(chǔ)，通過研究自然界生物系統(tǒng)的優(yōu)異功能、形態(tài)、結(jié)構(gòu)、色彩等特征，并有選擇性的在設(shè)計過程中應(yīng)用這些原理和特征進行設(shè)計。

著名的德國工業(yè)設(shè)計師路易吉.科拉尼是仿生設(shè)計理論的大力倡導(dǎo)者和實踐者，他那蘊藏著人類責(zé)任感的設(shè)計哲學(xué)思想，以及呼吁人類社會與大自然和諧統(tǒng)一的設(shè)計觀念，都具有極其深刻的劃時代意義。他鮮明的仿生設(shè)計原理與方法、強烈的造型意念和極具旺盛生命力的設(shè)計，成功地影響了后代設(shè)計師。

運用仿生性思維進行設(shè)計，可作為人類社會生產(chǎn)活動與自然界的鍥合點，使人類社會與自然達(dá)到高度的和諧統(tǒng)一，仿生設(shè)計正逐漸成為工業(yè)設(shè)計發(fā)展的大趨勢。

二、現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中的仿生

現(xiàn)代社會文明的主體是人與機器。人類在這種文明所導(dǎo)致的生態(tài)失調(diào)狀況下開始反思并力求尋找新的出路，建立人與自然、機器的對話平臺，共生哲學(xué)觀強烈地呼吁人與機器、生態(tài)自然與人造自然之間合理的建構(gòu)，創(chuàng)造人類社會與自然高度的和諧。那么，師法自然的仿生設(shè)計就是一種良策和新理念。

仿生設(shè)計是人們在長期向大自然學(xué)習(xí)的過程中，經(jīng)過積累經(jīng)驗，選擇和改進其功能、形態(tài)，從而來創(chuàng)造更優(yōu)良的人造物。尤其是當(dāng)今的信息時代，人們對產(chǎn)品設(shè)計的要求和過去不同，既注意功能的優(yōu)良特性，又追求形態(tài)的清新、淳樸，同時注重產(chǎn)品的返樸歸真和個性。提倡仿生設(shè)計，不但創(chuàng)造功能完備、結(jié)構(gòu)精巧、用材合理、美妙絕倫的產(chǎn)品，同時賦予產(chǎn)品形態(tài)以生命的象征，讓設(shè)計回歸自然，增進人類與自然統(tǒng)一。

德國著名設(shè)計大師路易吉·科拉尼曾說：“設(shè)計的基礎(chǔ)應(yīng)來自誕生于大自然的生命所呈現(xiàn)的真理之中”。這話道出了自然界是蘊含著無盡設(shè)計寶藏的天機。歸納現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計中的仿生，其主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1、形態(tài)的仿生

形態(tài)從其再現(xiàn)事物的逼真程度和特征來看，可分為具象形態(tài)和抽象形態(tài)。

1）具象形態(tài)的仿生

具象形態(tài)是透過眼睛構(gòu)造以生理的自然反應(yīng)，誠實地把外界之形映入眼睛膜刺激神經(jīng)后感覺到存在的形態(tài)。它比較逼真的再現(xiàn)事物的形態(tài)。由于具象形態(tài)具有很好的情趣性、可愛性、有機性、親和性、自然性，人們普遍樂于接受，在玩具、工藝品、日用品應(yīng)用比較多。但由于其形態(tài)的復(fù)雜性，很多工業(yè)產(chǎn)品不宜采用具象形態(tài)。

2）抽象形態(tài)的仿生

抽象形態(tài)是用簡單的形體反映事物獨特的本質(zhì)特征。此形態(tài)作用于人時，會產(chǎn)生“心理”形態(tài)，這種“心理”形態(tài)必需生活經(jīng)驗的積累，經(jīng)過聯(lián)想和相象把形浮現(xiàn)在腦海中，那是一種虛幻的，不實的形，但是這個形經(jīng)過個人主觀的喜怒哀樂聯(lián)想所產(chǎn)生的形變化多端、色彩豐富，這與生理上感覺到的形大異起趣。

歸納起來抽象的仿生形態(tài)具有以下特征：

1）形態(tài)高度的簡化性和概括性

形態(tài)高度的簡化性和概括性，指的是形態(tài)本質(zhì)的抽象表現(xiàn)。通過對生物形態(tài)或非生物形態(tài)的科學(xué)分析，結(jié)合的我們的生活經(jīng)驗，均可證明一切形態(tài)的本質(zhì)都是一種內(nèi)力的運動變化。這種內(nèi)力運動變化是產(chǎn)生形態(tài)的根據(jù)。在研究形態(tài)時，設(shè)計者從知覺和心理角度有意無意地都把形態(tài)的內(nèi)力運動變化感受為生命活力，再通過形態(tài)抽象變化，用點、線、面的運動組合來表現(xiàn)生命活力。因此，形式上表現(xiàn)為簡化性，而在傳達(dá)本質(zhì)特征上表現(xiàn)為高度的概括性。

這種形式的簡化性和特征的概括性，正好吻合現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品對外觀形態(tài)的簡潔性，幾何性以及產(chǎn)品的語意性的要求，因此，它大量的應(yīng)用于現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計。

2）形態(tài)豐富的聯(lián)想性和想象性

抽象仿生形態(tài)作用于人時，產(chǎn)生的“心理”形態(tài)必需生活經(jīng)驗的積累，經(jīng)過聯(lián)想和想象才浮現(xiàn)在腦海中。因此，它充分地釋放了人無限想象力。同時因人的生活經(jīng)驗不同，因此經(jīng)過個人主觀喜好聯(lián)想產(chǎn)生的“心形”也不盡相同，產(chǎn)生形態(tài)生命活力的感受自然豐富多彩。

3）同一具象形態(tài)的抽象形態(tài)的多樣性

設(shè)計者在對同一具象形態(tài)進行抽象化的過程中，由于生活經(jīng)驗、抽象方式方法以及表現(xiàn)手法不同，因此抽象化所得形態(tài)有多種。

抽象仿生形態(tài)應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)時，在生產(chǎn)和銷售中有以下優(yōu)點：

1）生產(chǎn)便捷

抽象形態(tài)的形式簡潔，這吻合了現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品提倡的簡練幾何外觀的特征，因此，對生產(chǎn)設(shè)備并沒有特殊的要求，開發(fā)商可以方便快捷的進行生產(chǎn)，這為各種工業(yè)產(chǎn)品的仿生生產(chǎn)提供了無限可能。

2）產(chǎn)品形態(tài)多樣化

具象形態(tài)不勝枚舉，抽象后的形態(tài)更是不計其數(shù)，這為仿生的工業(yè)產(chǎn)品形態(tài)的多樣化提供了選擇的可能。

3）滿足不同層次的顧客

抽象形態(tài)的聯(lián)想性和想象性充分地釋放了顧客的自由想象力，人們不但可以感受到產(chǎn)品形態(tài)的有機、可愛、情趣、親和、運動等特點，同時因聯(lián)想和想象不同，有的想起自己可愛的小寵物，有的想起一段美好的愛情，有的想起一個老朋友，有的想起一次愉快的旅行等，正所謂仁者見仁，智者見智。顧客從不同的角度感受到仿生形態(tài)賦予產(chǎn)品的藝術(shù)美感和想象空間，這就更容易滿足不同層次的顧客，從而激起他們共同的購買欲望。

4)產(chǎn)品回歸自然

抽象仿生形態(tài)的本質(zhì)特征是由內(nèi)力運動變化而產(chǎn)生的生命活力。這種特征賦予仿生產(chǎn)品以生命的象征，讓產(chǎn)品回歸自然，建立了人、機器、自然對話的平臺，這種共生的哲學(xué)觀合理地構(gòu)建人造自然和生態(tài)自然之間的和諧，增進了人類和自然的統(tǒng)一。仿生型家具是模仿動物、植物等生物形體制作的家具，其形象十分逼真，以寄托對大自然的依戀之情，此種家具給人以大自然的感覺。

總之，具象仿生停留在模仿生物表層，思想性和藝術(shù)性的含量相對低一些；抽象仿生集中于提煉物體的內(nèi)在本質(zhì)屬性，是一種特殊的心理加工活動，屬于高層次思維創(chuàng)造活動，它側(cè)重揭示物體的理念內(nèi)涵。在現(xiàn)代仿生設(shè)計中，高、新、精、尖的工業(yè)產(chǎn)品，更適合用抽象仿生。

2、功能的仿生

人們發(fā)現(xiàn)，動植物的某些方面的功能，實際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了人類自身在此方面的科技成果。生存在自然界中的各種各樣的動植物能在各種惡劣復(fù)雜的環(huán)境中生存與運動，這是因為其運動器官和形體與惡劣復(fù)雜環(huán)境斗爭進化的結(jié)果。植物和動物在幾百萬年的自然進化中，不僅完全適應(yīng)自然，而且其進化程度接近完美。今天，我們生活在科學(xué)技術(shù)飛快發(fā)展的時代，學(xué)習(xí)和利用生物系統(tǒng)的優(yōu)異結(jié)構(gòu)和奇妙的功能，已經(jīng)成為技術(shù)革新和技術(shù)革命的一個新方向。許多事實說明，仿生學(xué)是發(fā)展新技術(shù)的金鑰匙。

仿生學(xué)的思想是建立在自然進化和共同進化的基礎(chǔ)上的。仿生學(xué)試圖在技術(shù)方面模仿動物和植物在自然中的功能。這個思想在生物學(xué)和技術(shù)之間架起了一座橋梁，并且對解決技術(shù)難題提供了幫助。通過再現(xiàn)生物學(xué)的原理，人類不僅找到了技術(shù)上的解決方案，而且同時該方案也完全適應(yīng)了自然的需要。其目的就是分析生物過程和結(jié)構(gòu)，并將此分析用于未來的設(shè)計。

在創(chuàng)造物質(zhì)文明的過程中，人類常常將生物的某些特性運用到創(chuàng)造發(fā)明之中。例如科學(xué)家根據(jù)蜻蜒的飛行原理研制成功了直升飛機；根據(jù)加重的翅痣蜻蜒在高速飛行時安然無恙，人們仿效其在飛機的兩翼加上了平衡重錘，解決了因高速飛行而引起振動的棘手問題；又如根據(jù)蛙眼原理，科學(xué)家利用電子技術(shù)制成了雷達(dá)系統(tǒng)，能準(zhǔn)確快速地識別目標(biāo)；根據(jù)螢火蟲100%的光能轉(zhuǎn)化效率原理，人類制成的冷光源，將其發(fā)光效率提高十幾倍，大大節(jié)約了能量。再如仿昆蟲單復(fù)眼的構(gòu)造特點，人類造出了大屏幕模塊化彩電和復(fù)眼照相機；仿狗鼻子嗅覺功能，人類造出了電子鼻可以檢測出極其微量的有毒氣體等等諸多令人驚嘆的創(chuàng)造。

盡管如此，自然界的動植物千千萬萬，其許多高超的技能與奧秘人們尚未完全掌握，但可以相信，隨著仿生技術(shù)的發(fā)展，各種仿生發(fā)明會源源不斷地被應(yīng)用到人類的生活中來。

在創(chuàng)造物質(zhì)文明過程中，工業(yè)設(shè)計師該怎樣更好利用仿生發(fā)明來創(chuàng)造產(chǎn)品呢？首先，要明確科學(xué)家或工程師與工業(yè)設(shè)計師職責(zé)的不同，前者解決物與物之間或物體本身整體與部分之間的關(guān)系；后者解決物與人之間的關(guān)系，即構(gòu)建人機對話的平臺。因此，工業(yè)設(shè)計師實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)造的基礎(chǔ)是仿生技術(shù)發(fā)明的實現(xiàn)。這樣，工業(yè)設(shè)計師就有兩種方式來更好地利用仿生發(fā)明開發(fā)產(chǎn)品：

1）科學(xué)家先實現(xiàn)成果，工業(yè)設(shè)計師結(jié)合人類的需求轉(zhuǎn)化為仿生設(shè)計

科學(xué)家先實現(xiàn)了仿生發(fā)明，但由于知識結(jié)構(gòu)的差異，科學(xué)家不可能對市場和人的需求有一個全面而準(zhǔn)確的定位，就不可能成功將其成果轉(zhuǎn)化為市場所需求的產(chǎn)品，更不可能創(chuàng)造人性化的人機界面。而工業(yè)設(shè)計師正好能準(zhǔn)確地捕捉到市場需求，結(jié)合優(yōu)秀的仿生發(fā)明創(chuàng)造出人們所需求的產(chǎn)品，同時構(gòu)建友好的人機對話平臺，從而創(chuàng)造更多有價值的產(chǎn)品。

2）工業(yè)設(shè)計師先提出設(shè)想，科學(xué)家擇優(yōu)實現(xiàn)的互動仿生設(shè)計

科學(xué)家還沒有實現(xiàn)某種仿生發(fā)明，工業(yè)設(shè)計師通過對自然現(xiàn)象的細(xì)心觀察和經(jīng)驗總結(jié)，結(jié)合對市場需求全面而準(zhǔn)確的認(rèn)識，提出某種產(chǎn)品的構(gòu)想或概念?？茖W(xué)家擇優(yōu)實現(xiàn)這種仿生技術(shù)，這使得工業(yè)設(shè)計師創(chuàng)造這種仿生產(chǎn)品成為可能。通過工業(yè)設(shè)計師和科學(xué)家的互動，從而創(chuàng)造有價值的產(chǎn)品。

因此，工業(yè)設(shè)計師要關(guān)注最新的仿生成果，同時也要細(xì)心的觀察自然。

3、結(jié)構(gòu)和材料的仿生

隨著仿生學(xué)的深入開展，人們不但從外形、功能去模仿生物，而且從生物奇特的結(jié)構(gòu)和肌理中也得到不少啟發(fā)。人們在“仿生制造”中不僅是師法大自然，而且是學(xué)習(xí)與借鑒他們自身內(nèi)秉的組織方式與運行模式。有的結(jié)構(gòu)精巧，用材合理，符合自然的經(jīng)濟原則；有些甚至是根據(jù)某種數(shù)理法則形成的，合乎“以最少材料”構(gòu)成“最大合理空間”的要求。這些為人類提供了“優(yōu)良設(shè)計”的典范。

例如蜂巢由一個個排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成，這些結(jié)構(gòu)與近代數(shù)學(xué)家精確計算出來的菱形鈍角109°28’和銳角70°32’完全相同，是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，且容量大、極堅固，令許多專家贊嘆不止。人們仿其構(gòu)造用各種材料制成蜂巢式夾層結(jié)構(gòu)板，強度大、重量輕、不易傳導(dǎo)聲和熱，是建筑及制造航天飛機、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料。

最新科學(xué)研究指出，生物體都是由少數(shù)很簡單的物質(zhì)構(gòu)成的，諸如糖、蛋白質(zhì)和水之類。生物體的不同部分，從柔韌的皮膚到堅硬的骨骼，性能如此多樣，關(guān)鍵在于從原子排列成分子，及從分子組合成纖維,晶體等半成品，在結(jié)構(gòu)上的千差萬別，就是由于結(jié)構(gòu)的奇巧精致，形成了各種優(yōu)越奇特的性能。

解生物體構(gòu)造的這些奧秘，最直接的目的就是研制新型的“仿生材料”。研究人員模仿鮑魚殼的微觀結(jié)構(gòu)，將鋁分子充滿在碳化硼分子之間，已初步研制成功新型的陶瓷材料，除了既堅硬又柔軟以外，還可以感測并適應(yīng)周圍環(huán)境的變化，如果飛機機翼材料具有這種性能，那么遭到損害時能夠感知并自行修復(fù)。具有和生物機體相同彈性的材料，伸縮自如，能成功地用來制作人工動脈。

因此，工業(yè)設(shè)計師也要積極的關(guān)注仿生發(fā)明中精巧的結(jié)構(gòu)和奇特的材料，并且巧妙地應(yīng)用這些結(jié)構(gòu)和材料，結(jié)合市場的需求創(chuàng)造出人們需求的產(chǎn)品，同時也要細(xì)心的觀察自然，提煉自然的精妙，提出更多的構(gòu)想，為科學(xué)家的探索提供更多的思路，從而創(chuàng)造更有價值的仿生成果，為人類創(chuàng)造更加精美更加豐富的產(chǎn)品。

總之，破解生物體結(jié)構(gòu)之謎，研制仿生材料的路還很漫長，目前人類只不過剛剛起步前行，但是仿生材料的應(yīng)用前途無量，卻是絕無疑義的。

4、界面仿生

在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計中，單純地從形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)或材料的某一個方面來仿生是很少見的，更多的是綜合形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)和材料的多個方面來進行仿生設(shè)計，而且還從大自然的生存哲學(xué)即和諧與共生的角度進行仿生設(shè)計，諸如綠色仿生設(shè)計，可持續(xù)仿生設(shè)計等。這種既從自然界的個體表現(xiàn)形式，又從自然界的總體生存理念的仿生設(shè)計，與界面設(shè)計的功能性設(shè)計和情感性設(shè)計是相吻合的，因此，我把這歸結(jié)為界面仿生設(shè)計。

要理解界面仿生設(shè)計，首先要知道界面。所謂界面，即人機界面，是人與機器進行交互的操作方式，即用戶與機器互相傳遞信息的媒介，其中包括信息的輸入和輸出。好的人機界面美觀易懂、操作簡單且具有引導(dǎo)功能，使用戶感覺愉快、興趣增強，從而提高使用效率。

美國學(xué)者赫伯特．西蒙提出：設(shè)計是人工物的內(nèi)部環(huán)境(人工物自身的物質(zhì)和組織)和外部環(huán)境(人工物的工作或使用環(huán)境)的接合。所以設(shè)計是把握人工物內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境接合的學(xué)科，這種接合是圍繞人來進行的?！叭恕笔窃O(shè)計界面的一個方面，是認(rèn)識的主體和設(shè)計服務(wù)的對象，而作為對象的“物”則是設(shè)計界面的另一個方面。它是包含著對象實體、環(huán)境及信息的綜合體，就如我們看見一件產(chǎn)品、一棟建筑，它帶給人的不僅有使用的功能、材料的質(zhì)地，也包含著對傳統(tǒng)思考、文化理喻、科學(xué)觀念等的認(rèn)知?！叭魏我患髌返膬?nèi)容，都必須超出作品中所包含的那些個別物體的表象。”分析“物”也就分析了設(shè)計界面存在的多樣性。

因此，為了認(rèn)識和分析仿生界面設(shè)計，可將其分類為：

1）功能性界面仿生

功能性設(shè)計界面接受物的功能信息，操縱與控制物，同時也包括與生產(chǎn)的接口，即材料運用、科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用等等。這一界面的仿生側(cè)重于功能、結(jié)構(gòu)和材料的仿生，它反映著設(shè)計與人造物的協(xié)調(diào)作用。

2）情感性界面仿生

情感性設(shè)計界面即物要傳遞感受給人，取得與人的感情共鳴。這種感受的信息傳達(dá)存在著確定性與不確定性的統(tǒng)一。情感把握在于深入目標(biāo)對象的使用者的感情，而不是個人的情感抒發(fā)。設(shè)計師“投入熱情，不投入感情”，避免個人的任何主觀臆斷與個性的自由發(fā)揮。這一界面的仿生側(cè)重于用形態(tài)、色彩、肌理等引發(fā)心理情感，體現(xiàn)大自然和諧與共生的精神哲學(xué)的仿生設(shè)計，它反映著設(shè)計與人的關(guān)系。

如在計算機的設(shè)計中，硬件方面人們逐漸采用多種方式與機器交互，如自然語言接口、計算機支持的協(xié)同工作、眼動跟蹤、姿勢識別、三維輸入、表情識別、聽覺界面等，進行著功能性方面的界面仿生設(shè)計；軟件方面廣大的軟件研制人員開發(fā)計算機用戶愈為迫切需要的符合“簡單、自然、友好、一致”原則的人機界面，即情感性方面的界面仿生設(shè)計。

總之，隨著計算機廣泛應(yīng)用，它已經(jīng)變成家喻戶曉的商品，可以任意地裝在人們的口袋里，用來幫助人們處理日常的辦公業(yè)務(wù)和生活事務(wù)，自然的人機界面與和諧的人機環(huán)境已逐步變成信息世界關(guān)心的焦點。其他產(chǎn)品同樣如此。因此，仿生設(shè)計使產(chǎn)品有更加完備的功能性界面和更加自然和諧的情感性界面，更好地滿足人的需求。

三、未來工業(yè)設(shè)計中仿生的前景

今天，我們生活在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的時代，學(xué)習(xí)和利用生物系統(tǒng)的優(yōu)異結(jié)構(gòu)和奇妙的功能，已經(jīng)成為技術(shù)革新和技術(shù)革命的一個新方向。許多事實說明，仿生學(xué)是發(fā)展新技術(shù)的金鑰匙。例如研究顯示，不遠(yuǎn)的將來一種仿生電子眼可望誕生。因為科研人員已揭開眼睛是如何看到經(jīng)大腦“翻譯”的圖像。他們已發(fā)明一種稱為“細(xì)胞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”的電腦微型集成電路，據(jù)此將發(fā)明仿生“電子眼”可以用來進行類似視網(wǎng)膜功能的圖像處理。又如美國賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)療中心耳鼻喉科的醫(yī)生不久將開展“仿生耳”植入手術(shù)，讓從前失去聽力的成人重獲聽力。再如科研人員以猴子作為人的替身，正在研究人大腦的思維與記憶的生理活動。他們設(shè)想，如果仿照人的神經(jīng)系統(tǒng)，把它運用到電子計算機上去，就有可能誕生具有高級神經(jīng)活動的生物計算機，那就是仿生學(xué)劃時代的貢獻(xiàn)。所有這些都預(yù)示著仿生科技前途似錦，而且仿生科技的探索永無止境。

另一方面，神奇的大自然向人類展示著精妙絕倫的生命形態(tài)和絢麗多彩的悅?cè)松剩瑫r，大自然還無聲地闡釋了自然界的生存哲學(xué)——和諧與共生。這種和諧的設(shè)計哲學(xué)呼吁人類社會與大自然之間的高度和諧統(tǒng)一；共生的設(shè)計哲學(xué)則呼吁著人與機器、生態(tài)自然與人造自然之間建立合理的建構(gòu)，搭建人與自然、機器共生的對話平臺。

總結(jié)

綜上所述，運用仿生性思維進行設(shè)計，不僅創(chuàng)造功能完備、結(jié)構(gòu)精巧、用材合理、美妙絕倫的產(chǎn)品，而且賦予產(chǎn)品以生命的象征，讓設(shè)計回歸自然，增進人類與自然統(tǒng)一。因此，工業(yè)設(shè)計師要學(xué)會師法自然的仿生性設(shè)計思維，創(chuàng)造人、自然、機器和諧共生的對話平臺。

參考文獻(xiàn)：

〔01〕《視覺和仿生學(xué)》倪海曙主編知識出版社1985

〔02〕《仿生學(xué)縱橫談》邵海忠編著江西人民出版社1981

〔03〕《世界現(xiàn)代設(shè)計史》王受之編著中國青年出版社2002

篇9

自古以來，自然憑借其獨特的魅力吸引人類去探索它的奧秘。人們模仿飛鳥制作飛機，模仿魚兒制作潛艇，模仿小草制作鋸子，模仿蝙蝠制作雷達(dá)，這一切的一切無一不是自然賜予人類的禮物。人類在感悟自然神奇的同時，也將更多的精力投入到了對自然的模仿之中，仿生學(xué)隨之應(yīng)運而生。仿生學(xué)按其屬性可以分為形態(tài)仿生、功能仿生、結(jié)構(gòu)材料仿生、色彩仿生和肌理仿生。其中，生物形態(tài)的仿生應(yīng)用最為廣泛。本文正是從仿生學(xué)的概念入手，舉例分析生物形態(tài)在座椅仿生設(shè)計中的應(yīng)用，并進一步探究生物形態(tài)的仿生對現(xiàn)代設(shè)計的重要意義。

關(guān)鍵詞：

生物形態(tài) 仿生 座椅設(shè)計 現(xiàn)代設(shè)計

中國分類號：JO

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2015）-05-0022-02

仿生學(xué)是一門研究生物系統(tǒng)的形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能性質(zhì)，并用所獲得的知識為工程技術(shù)提供新的思想觀念和解決方案的科學(xué)。在古代，人類就知道在大自然中汲取靈感，從各種動植物以及自然現(xiàn)象當(dāng)中學(xué)習(xí)知識以便繁衍生息?！巴鈳熢旎?，中得心源”，說的就是以自然為師，向自然學(xué)習(xí)，從自然界中汲取創(chuàng)作養(yǎng)分。人們模仿飛鷹的外形發(fā)明了風(fēng)箏、模仿魚刺的構(gòu)造發(fā)明了骨針、模仿鳥窩的功能在樹上筑巢，用來抵御猛獸的傷害。人類從自然當(dāng)中獲得了很多生活的靈感，但這些都是對自然生物形態(tài)的直接模擬，是初級創(chuàng)造階段，雖然比較粗糙、表面，卻可以看作是仿生的起源，是今天仿生設(shè)計得以發(fā)展的基礎(chǔ)，也從側(cè)面說明人們從很早起就已經(jīng)會“仿生”了。

1.生物形態(tài)在座椅仿生設(shè)計中的應(yīng)用

仿生設(shè)計按其屬性可以分為：形態(tài)仿生、功能仿生、結(jié)構(gòu)材料仿生、色彩仿生和肌理仿生。其中，形態(tài)仿生應(yīng)用得最常見、最普遍。而在所有形態(tài)仿生中，生物形態(tài)的仿生最受大眾歡迎。在漢代以前，含有生物形態(tài)的器具就已經(jīng)在百姓之中廣為流傳了，如十五連盞燈、青銅朱雀燈、長信宮燈，都是在燈具設(shè)計中融入了生物形態(tài)元素，不僅在當(dāng)時轟動一時、頗受歡迎，而且流傳到現(xiàn)代也是十分經(jīng)典的作品。其后，隨著丹麥家具設(shè)計大師雅各布森的蛋椅、蟻椅、孔雀椅的大獲成功，將生物形態(tài)應(yīng)用到座椅設(shè)計中這一趨勢變得更加流行。

1.1 座椅形狀設(shè)計中的仿生

在座椅形狀的設(shè)計中，生物形態(tài)仿生按照相似程度通?？梢苑譃榫呦蠓律?、抽象仿生。具象仿生是指直接模仿自然界中各種生物的形態(tài)，力求通過逼真的色彩和造型，真實地再現(xiàn)生物的特征，達(dá)到惟妙惟肖的效果。在椅子設(shè)計中，有的設(shè)計師就大膽沿用了生物的整體造型進行仿生，如西班牙設(shè)計師Maximo Riera。他最近完成了動物座椅系列的設(shè)計，這一系列共有三把座椅，其中包括“章魚椅”和“犀牛椅”，“海象椅”，見圖1一圖3。每一把椅子的造型都跟現(xiàn)實生活中的“一模一樣”，更在此基礎(chǔ)之上保持了動物應(yīng)有的活力，形象逼真、惟妙惟肖，就好似章魚、犀牛、海象這些動物就在眼前。這個椅子系列向人們展現(xiàn)了野生動物獨有的美麗，它們可以兇悍，但也可以可愛，更應(yīng)該生動。它們雖然居住在自然界，卻也能停留在我們的生活中，給我們的生活增添更多的美麗和生趣。除了沿用生物的整體形態(tài)外，椅子的局部造型也被很多設(shè)計師設(shè)計成動物的一部分。Hybrid是設(shè)計師Merve Kahramans設(shè)計的一款融合了兔子和雄鹿造型的椅子（見圖4），椅子背部設(shè)計了鹿角形狀作為裝飾，看起來氣勢磅礴。在椅子腿的設(shè)計上，巧妙地借鑒了雄鹿的四肢結(jié)構(gòu)，使設(shè)計本身更加有趣。

抽象仿生是指將生物形態(tài)、色彩等特征概括、提煉，用簡潔的設(shè)計語言將其表達(dá)，以形寫神，經(jīng)過夸張組合變形后依舊能保持動物的本質(zhì)特征，讓人一目了然。設(shè)計師Wilson Ninoercheng設(shè)計的一種青蛙椅，椅子整體造型是模仿一種有毒的青蛙。將青蛙的外形抽象化，搭配鮮艷的色彩，整個座椅看起來就像一只正要向上跳躍的青蛙，生動、有趣、簡潔又不繁瑣，加之椅子超軟的坐墊、靠背恰到好處的傾斜角度使得這把椅子成為一款極為舒適的家具設(shè)計。類似的設(shè)計還有嘟嘟鳥兒童座椅。這款椅子利用了鳥類造型的變形，不僅增添了兒童座椅的情趣，而且更重要的是讓兒童對大自然產(chǎn)生了興趣。

具象仿生帶給人們身臨其境的感覺，但抽象仿生卻會留給人們無盡的想象空間。隨著仿生學(xué)的發(fā)展，在形態(tài)仿生的門類里又多了一項內(nèi)容：意象仿生。寓“意”于“象”，通過客觀物體來表達(dá)感情，就是文學(xué)里常說的借物抒情，不過此物非彼物，在仿生中“物”指的是可以觸摸到的實際物體。意象，也并不是一個陌生的詞，在古詩、散文中作者經(jīng)常通過象來抒發(fā)自己的感情表達(dá)自己的志向。在設(shè)計中，設(shè)計師也同樣通過在產(chǎn)品中注入文化元素、感情元素等一系列元素，賦予產(chǎn)品象征性的意義，給人們帶來超出產(chǎn)品形狀之外的聯(lián)想，讓人們對產(chǎn)品產(chǎn)生相應(yīng)的理解和感情。例如，享譽世界的巴黎地鐵入口設(shè)計師赫克托?吉馬德，雖然他是新藝術(shù)風(fēng)格的代表人物，但在他的設(shè)計主張中，我們卻可以看到仿生設(shè)計的影子。他曾在自己的著作之中寫道：“自然的巨著是我們靈感的源泉?！闭头律O(shè)計所強調(diào)的取法自然的目的一致，這些想法也表現(xiàn)在他的設(shè)計之中。他曾經(jīng)設(shè)計過這樣一款椅子一一椅子整個看上去是由曲線組成的，十分有動感。值得一提的是，椅子背部設(shè)計成三根枝權(quán)支起的模樣，遠(yuǎn)觀好像某種脊椎動物的背部，由曲線構(gòu)成給人一種向上的感覺。椅子雖然普通，但傳達(dá)出的動態(tài)和生長的感覺，無疑向我們闡述了生命的真諦就是不斷向上、勇往直前的拼搏。

1.2 座椅裝飾設(shè)計中的仿生

大部分座椅仿生設(shè)計都是應(yīng)用在外觀造型上，但是也有一些仿生應(yīng)用在座椅的裝飾設(shè)計上。有的是在椅子背部裝飾紋樣上采用生物形態(tài)的仿生。最典型的代表是馬克穆多設(shè)計的椅子背部。整個椅子的外觀造型雖然平凡無奇，但背部的花紋設(shè)計卻極其引入注目。這把椅子繼承了新藝術(shù)風(fēng)格的設(shè)計特點，背部采用了渦旋形的圖案，抽象的蜿蜒曲線和清晰的植物邊緣，流動于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)囊巫舆吙蛑?，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，既像一朵朵盛開的花朵，又好似一只孔雀正在開屏向世人展示它的魅力。類似的設(shè)計還有小鹿斑比款座椅。這款座椅在造型上模仿了鹿四肢的形態(tài)，十分可愛。尤其是椅子背部的裝飾，借鑒了鹿角的形態(tài)，使椅子在原來的基礎(chǔ)之上更栩栩如生、趣味性十足。

2.生物形態(tài)的仿生對現(xiàn)代設(shè)計的影響和意義

現(xiàn)代生活日新月異，設(shè)計也不單純是滿足生活需求而已。隨著科技的發(fā)展和人們生活水平的進步，設(shè)計更致力于為改變和方便人們的生活而服務(wù)。仿生學(xué)作為一門正蓬勃發(fā)展的學(xué)科，為現(xiàn)代設(shè)計注入了新的靈感。在這之中，形態(tài)的仿生不僅為現(xiàn)代設(shè)計增添了更多的表現(xiàn)元素，也對現(xiàn)代設(shè)計和人們生活發(fā)展有重要的意義：

2.1 生物形態(tài)的仿生能喚起人們的環(huán)保意識

人和自然本就是一體。將生物形態(tài)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計中，會激發(fā)人本性的情感，能拉近人與自然的距離，喚醒人們保護自然，愛護自然的意識。尤其在兒童座椅設(shè)計中，更可以把那些瀕臨滅絕和已經(jīng)滅絕的生物形態(tài)加入其中，不僅可以讓兒童增長知識，而且還能讓他們對動物和自然產(chǎn)生憐愛之情，使他們產(chǎn)生保護自然的動力。孩子是祖國的未來，只有從孩子抓起，才能從根本上激發(fā)全民族要保護自然的決心。

2.2 生物形態(tài)的仿生產(chǎn)品更具親和力、人性化

科技飛速發(fā)展，給人們帶來優(yōu)越生活的同時，也讓人們產(chǎn)生了巨大的壓力。人們每天奔走于工作生活之間，還要應(yīng)付各種應(yīng)酬，父母的健康、自己的事業(yè)、孩子的學(xué)業(yè)……一座座無形的“大山”壓得每天都喘不過氣來，這時充滿科技感的產(chǎn)品對消費者來說，是沒有感情和冷酷的。人們需要的是關(guān)心、關(guān)愛和被關(guān)懷。具有生物形態(tài)的產(chǎn)品能讓人們感覺到親切、貼心，能激起人們潛意識里對自然的依賴，好似躺在母親懷中一般徜徉自在。

篇10

借助空氣前行

制造軟體機器人使用的是懷特賽德斯團隊發(fā)明的“軟光刻”技術(shù)。其生產(chǎn)過程是：用光照射模具的表面，使覆蓋在模具表面的軟體生物圖案上一層薄薄的高分子膜曝光，然后將沒有圖案的地方溶蝕掉，留一個軟生物模型。懷特賽德斯認(rèn)為，這是一個非常成功的技術(shù)，它具有很高的分辨率，模型相當(dāng)小巧，但在批量化生產(chǎn)之前成本比較昂貴。

軟光刻技術(shù)是以柔軟聚合物模具為載體，這是一個相對比較簡單的制造過程。模型刻好后，對外表面修整再借助微流體技術(shù)在模型內(nèi)部形成空腔通道。當(dāng)通入空氣時，模型的肢體會模擬軟體生物肌體的伸縮而運動。

從軟體機器人的四肢、軀干以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，有點像一朵簡化的雪花，其中央“脊梁管”與四肢通道連接；機器人有兩層聚合物：一層具有良好的伸縮性能；一層質(zhì)地結(jié)實、堅不可摧。當(dāng)空氣注入后，具有彈性的肢體會不停地像氣球一樣膨脹、伸展和收縮。當(dāng)收縮彎曲時，借助肢體與周圍摩擦力作用產(chǎn)生的橫推力，整個身體可以不斷向前爬行。

懷特賽德斯說：“提出這個概念不難，但實現(xiàn)這種運動是很不尋常的。在這些看似四肢很簡單的驅(qū)動下，從中你會看到非常有趣的運動?！彼赋?，雖然這種機器人的運動和構(gòu)造確實很像海星似的軟體動物，但目的是模仿它的功能，而不是其機制。

期待更多版本

研究人員在2011年12月20日出版的《美國國家科學(xué)院院刊》(PNAS)上報道了這項研究的階段性成果。截至目前，軟體機器人的兩個主要步態(tài)，即“波浪起伏”和“蹣跚爬行”時，每一個肢體都在不停地“鼓脹”與“收縮”，以此產(chǎn)生一系列的運動。結(jié)合步態(tài)的調(diào)整，比如說在低強度下擠壓時，軟體機器人所表現(xiàn)出的抗壓能力，硬體機器人一般難以達(dá)到。軟體機器人平展時高約0.9厘米，能夠爬過一個高2厘米的缺口：當(dāng)這個軟體生物機器人爬行到缺口邊緣時，肢體會不停地鼓脹、伸縮起伏，就像一個跳躍的生物試圖通過這一缺口—樣。

軟體機器人長約13厘米，平均行進速度約24米／小時。懷特賽德斯說，其實對于機器人的大小沒有限制，他的團隊已經(jīng)制造出了可以攜帶有效載荷的機器人模具，大小是現(xiàn)在的2倍?！叭绻阆胱屗鼣y帶傳感器，那么這個東西必須能吸附在它身上?！睘榇耍瑧烟刭惖滤箞F隊制作了一個新軟體機器人，它有6個肢體，用作機器人的“抓手”，它們可以蜷縮伸展，能舉起類似生雞蛋一樣的易碎物體。這種類似海星的軟體機器人，在低強度擠壓時所表現(xiàn)出的抗壓能力，硬體機器人一般難以達(dá)到。研究人員對它進行了柔韌性測試：他們將一塊玻璃板置于距離地面不到1.9厘米的高度，并讓這個小機器人嘗試從下面爬過去。結(jié)果科學(xué)家們成功地控制這個機器人15次來回穿過了這個極其狹小的縫隙，并且在大多數(shù)情況下，每次穿過所花的時間不到1分鐘。

懷特賽德斯認(rèn)為，這種軟體機器人作為外科手術(shù)工具，為受損肌體組織進行修復(fù)。步行機器人在凹凸不平的地面行走是相當(dāng)穩(wěn)健的，可以在危險環(huán)境中進行目標(biāo)搜索和救援行動?，F(xiàn)在軟體機器人已引起美國國防部高級研究計劃署的興趣，并出資支持這一研究。