仿生学论文【优秀2篇】

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仿生学论文：浅谈昆虫与仿生学 篇一

结课论文

作者： 学号： 学院： 专业： TEL： EMAIL: 指导老师： 题目：浅谈昆虫与仿生学

浅谈昆虫与仿生学

xxx （华南农业大学经济管理学院xxx，2xxxxx）

摘 要：在生物界中昆虫经历了长期的进化过程，发展出了许多与其所处生存环境相适应的器官系统，它们结构独特、功能奇异，因此，昆虫一直是仿生中最重要的对象之一。本文就昆虫仿生的仅展及热点，如：昆虫的形态仿生、结构仿生、感觉器官仿生、运动功能的仿生及其他特异能力的仿生进行介绍。

关键词：昆虫，仿生，功能

仿生学(bionics)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。无论是在初期抑或是现在，仿生学主要以昆虫为对象的仿生研究一直是国内外的研究热点。目前，有关昆虫仿生研究的主要方向有：昆虫的形态仿生、结构和功能的仿生、感觉器官的仿生、运动功能的仿生及其他特异能力的仿生等。[1]

一、昆虫形态的仿生

昆虫形态千差万别。形态仿生是早期仿生的主要内容，主要应用于军事和航空航天领域，例如：模仿蝴蝶色彩和花纹的军事伪装设施；模仿蜻蜒翅膀上的翅痣在飞机的两翼加上平衡重锤，解决飞机因高速飞行而引起振动的棘手问题；模仿蝴蝶翅面上的鳞片随阳光照射方向自动变换角度而调节体温的原理，成功实现对人造卫星由于位置不断变化而引起温度骤然变化的控制。另外，一些昆虫巢穴的形态结构也是仿生研究的内容。在一些大型建筑中，经常模仿蜜蜂巢穴的六角形的架构设计，使建筑物具有高强度力学支撑结构，既坚固、美观，又节省建材。

二、昆虫结构与功能的仿生

由于生存环境的关系，一些昆虫在进化过程中形成了非常独特的体表微细结构，这些结构为仿生学家所关注。例如：大凤蝶的翅膀颜色是黄、蓝色，但看起来却是闪闪发光的绿色。原因乃是布满在翅膀上的微型小坑对光线的反射，人眼无法将从坑底反射的黄色光与周围两次反射的兰色光区分开来，从而感觉到的是绿色。研究如何模仿蝴蝶翅膀表面细微结构开发新型防伪技术（如防伪纸币或信用卡）已成为该领域重要的课题。

另外，人们注意到一些甲虫的体表很少黏附土壤（尽管它们常年生活在土壤和粪堆中）。坦克的履带和汽车的轮胎以及其他地面作业机械容易黏附泥土，既降低功效又缩短使用寿命。通过研究土壤昆虫（如蜣螂）的体表微观构造，发现体表的非光滑结构、体液和负性电位有利于减黏脱附，利用这些特性，进行仿生研究，解决地面机械的土壤黏附问题，开发出对土壤的黏附大为减少的仿生犁和仿生推土机铲等。[2]

三、昆虫感觉器官的仿生

在嗅觉方面，很多昆虫具有高度灵敏的嗅觉。昆虫触角上分布有不同类型的嗅觉感受器，感受器的类型不同决定了昆虫对不同化学物质的分辨率。不同的昆虫嗅觉灵敏度有差异，触角的结构以及相应的传导网络是其重要的决定因素。除了高灵敏度以外，昆虫的嗅觉感受器还具有高分辨率和高度特异性的特点。目前，各国都在加紧研制实用的仿昆虫触角的嗅觉感受器检测装置。有的直接将昆虫触角与场效应管相连组成气味物质检测系统；有的则≮www.chayi5.com≯仿昆虫嗅觉感受器排列组合研制复传感器（传感器阵列）。德国和法国科学家研究嗅觉感受器并将其用于机器人的嗅觉导航系统。美国加州大学圣地亚哥分校的的研究人员则通过研究蝗虫触角叶接收气味信号的特点，提出一种新的网络模型，其核心是神经元网络之间可以相互连接形成一个系统而使他们能识别比传统网络更多的信号。

就听觉系统而言，声源定位能力是最显著的属性之一，对有些昆虫来说，这种能力是生死攸关的。例如，昆虫（蛾类）“反捕猎”行为，可以聪明地闪避蝙蝠的追捕；神经解剖学研究表明，昆虫（蛾类）鼓膜耳仅有2个听觉感受器细胞，但能非常灵敏地侦听出蝙蝠的超声信号。因此，模仿昆虫听觉结构，研究其对声发射、接收、听信息加工及运动调控的感觉神经生物学与神经行为学原理，可望开发先进的“反声纳”装置。[3]

在视觉方面，尽管昆虫复眼结构简单，但其功能却是人和哺乳动物的单眼所不及。例如：螳螂能在0105s内一跃而起，吞下飞行中的小虫。在如此短的时间内，它需要准确测出小虫大小、飞行方向和速度，而螳螂仅靠其1对大复眼和颈部的一个本体感受器即可实现。此外，昆虫复眼还能感知偏振光、紫外光等。根据这些现象和原理，已经进行了很多成功的仿生应用，如：一次可拍摄1329张照片的蝇眼照相机；仿昆虫复眼的先进的相控阵雷达；仿昆虫复眼研制成功的空对地速度计以及偏振光导航仪。实际上，昆虫的复眼本身是一个精巧的导航控制系统，根据多年的研究发现，昆虫（特别是家蝇）具有快速、准确地处理视觉信息的能力，能实时计算出前面飞行物的方位与速度，同时发出指令控制并校正自己的飞行方向和速度，以便跟踪和拦截目标。对昆虫复眼这一定向导航系统的研究已得到广泛重视。目前，各国都在加紧昆虫视觉仿生研究，试图模仿昆虫复眼成像机理以及昆虫视觉信息处理过程，研制新型靶标自动制导系统。

在昆虫感觉器官仿生（尤其是视觉仿生）方面，国内外都给予了高度关注，目前有2个热点：一是试图研制出对化学物质高度敏感的探测仪器；二是研究昆虫复眼电子模型以及听觉和嗅觉感受器电子模型，并将昆虫的这类特异的感觉原理用于机器人导航系统，以提高机器人的自主功能水平。

四、昆虫运动功能的仿生

昆虫的运动功能奇特，形式多样，有的蠕动、有的跳动、有的飞行。昆虫独特的飞行机制一直为仿生学家所关注，如：昆虫的翅与飞行、昆虫飞行过程中的信号接收与传递、昆虫的神经组织结构及控制机理等。

上世纪末，人们提出了微型飞行器(microairvehicle,MAV)概念[4]。“微型机械飞行虫”(micromechanicalflyingInsect,MFI)或“虫型飞机”(entomopter)就是MAV的一种。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。美国NASA甚至计划10年后将虫型飞机用于火星探测。MFI的发展，在未来国家安全和国家经济建设等方面将起至关重要的作用，正在世界范围内引起极大的关注。美国国防部国防高级研究计划署(DARPA)从1992年就开始这种飞行器的论证工作，1995年组建了可行性研究小组，1997年拨款3500万美元制订一个为期4年的研制计划，开展了一系列的研究，近年来取得重要进展。然而，对于MFI或“虫型飞机”的研究，若采用传统的气动布局和飞行方式，可能会产生升力不足、稳定性差和控制困难等一系列问题。而微小昆虫则是大自然创造的“微型飞行器”，经过上亿年的进化和环境适应，在形态、运动方式以及利用“新型”空气动力学原理等方面，达到了近乎完美的程度。这是各国发展MFI技术加以仿生借鉴的核心。实际上，昆虫飞行功能研究（尤其是MFI研究）已经成为昆虫仿生领域最热烈的前沿方向之一。[5]

除了虫型飞机外，昆虫运动功能仿生的另一个方向是制造虫型机器人，模仿昆虫在陆地行走的腿足部结构和运动原理，研制具有昆虫足样行走能力的机器人或虫样蠕动的微型机车。这类机器人可被用于行进到崎岖不平的山路或其它非平坦地带（如：地震后墙壁倒塌的废墟中）执行特殊的任务。

五、昆虫其他特异能力的仿生

昆虫的独特自卫武器的仿生：有些甲虫在遇到敌害自卫时可喷出致命液体。美国军事专家受甲虫喷射原理的启发研制出了先进的二元化武器。另外，一些发达国家正在利用这种甲虫自卫武器原理研制二元化汽油：2个油箱分储不能独立燃烧的汽油中间体，进入发动机前才混合。或将普通汽油混入某种流体，进入发动机前再用特殊装置将其分离还原成普通汽油。

昆虫发光的仿生：一些昆虫（如：萤火虫）可将化学能直接转变成光能，，且转化效率几乎100%，而普通电灯的发光效率只有6%。模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源使发光效率提高十几倍，大大节约了能量。此外，冷光源无论在军事上还是民用上都具有非常广阔的用途。仿昆虫化学能转换为电能和机械能也是昆虫特异能力仿生的一个重要方向，这在虫型飞机的能量供应上有非常重要的用途。

昆虫群体协作性的仿生：一些社会性昆虫，如：蚂蚁、蜜蜂等具有其特有的社会群体协作性，研究它们的这些群体习性，有的提出所谓“蚂蚁算法”，有的将其原理用于研究MAV和多个机器人之间的协同工作。

综上所述，昆虫种群庞大、种类多样、外形迥异、功能奇特，是极其重要的仿生资源。目前，国际上昆虫仿生的热点主要集中在仿昆虫飞行器研制虫型机器人或虫型飞机、仿昆虫触角感受器开发生物传感器、仿昆虫视觉及其控制机理进行机器人导航、仿昆虫表面微结构研制新型脱黏附和防伪技术、仿昆虫感觉系统研制声纳Π反声纳装置等。我国在这些方面虽然都有所涉及，但尚不够深入，整体水平也有待提高。今后需要大力开展昆虫仿生资源研究，面对数以百万计的昆虫种类及其复杂精妙的结构，昆虫仿生必然有所选择，常见的昆虫易被作为仿生对象，但不太常见功能更为奇特的昆虫（如：在极端环境下生活的昆虫）更是值得开发的资源。与此同时，要进一步开拓仿生研究的新领域，尤其要注重昆虫特异能力（如：特异的感觉能力、信息处理能力）的仿生。只有通过多学科的交叉，结合现代生物学、工程学、微电子学等学科的研究技术和方法，加强对昆虫器官组织和细胞的生物学特性、功能及其机理的基础研究，深入理解昆虫各器官系统的生理学、生物化学、生物信息学等生物过程及其相关功能，才能在比较高的层次上更加有效地进行昆虫仿生。

参考文献：

[1]仿生学-百度百科http://b [2]程红，孙久荣，李建桥，任露泉。昆虫学报，2002,45(2):175～181 [3]肖占中。世界军事，1996,(11):64. [4]微型飞行器:像昆虫那样飞，辽宁日报，刘洪宇，2011-01-14 [5]微型飞行器-百度百科 http://b

基于仿生学的产品设计应用研究论文 篇二

一、仿生学与仿生设计

仿生学是模仿生物特殊本领的一门科学，仿生学一词来自于希腊语“Bio”，代表“生命”，同时词尾“nic”代表“具有……的性质”。同时笔者认为“仿生学学科领域是研究以具有生物系统特征的方式、以类似于生物系统方式或者是以模仿生物系统的系统性科学”。仿生学是一门现代才兴起的跨领域科学，他最早出现在20世纪60年代。但是在后面的极长的时间里，人类产生了大量出色的仿生设计。本文将选取一些汽车设计与灯具设计的实际案例进行分析，它们都反映了产品设计世界中富多彩的仿生设计产品。

同时仿生学界也有一种观点“自然系统已经产生大量的具有创意和实用性的解决方案，而且可以给人类带来灵感，帮助人类在气候控制、食品科学领域进行大量的社会性创新”。然而，回望过去的设计历史，从新艺术运动到流线型运动，设计领域虽然有大量的模仿自然世界的系统论和产品，但是仍然紧紧是在模仿自然世界对象的表面意象，对人类世界的产品和艺术形态进行美化和雕琢。作为现代工业设计的代表性行业之一，汽车设计和灯具设计行业始终徘徊在炫目的形态游戏与表象的仿生学边缘。

二、仿生学在产品设计中的应用实例和分析

（一）仿生学在汽车设计中的应用

在汽车设计中，仿生学是一种有历史意义的设计方法之一，它的应用角度一直在企业界和学术界产生极大的讨论和关注。汽车设计在刚刚出现的时候，以对汽车车身进行差异化的装饰和包装，追求商业上的眼前利益。然而随着汽车产生的进一步发展，汽车给人类所在的生存环境带来很多消极的因素：能源危机、大气污染、城市堵塞等。这些负面现象使得设计界对汽车仿生造型设计的设计方法论进行研究和讨论。

目前汽车设计依然在模仿自然界生命的意象形态。在修辞学方面，人造产品是由特征、原理、情绪三种系统性科学论据组成的，在对象外部形态体现了汽车产品的表面特征。作为“自然界的翻译者”的著名产品设计师路易吉·科拉尼，参考自身对于自然世界的独到见解，运用曲线模拟自然界生命意象，设计出历史性的生物意象形态，进一步将它用到汽车设计中。

在设计界，甲壳虫汽车在模拟自然系统生命对象的设计论中当属最典型的案例。著名设计研究者帕帕奈克在情感化设计与仿生学理论的基础上对甲壳虫汽车的造型设计进行了评论。他论述说：较小的生命形态特征让人觉得需要呗保护和温暖，并且将这种造型特征在汽车设计中应用，可以让大家获得对这辆车的情感化认知。甲壳虫的造型设计为汽车带来了独特的特征和味道，而且让设计说话，带给大家充实而生动的情感体验。

仿生设计不仅在产品造型的角度发挥巨大价值，同时也关联产品和服务构成强大的生态系统，能将全方位可持续的体验带给消费者。奔驰公司在进行可持续未来汽车产品设计的时候，运用仿生设计的系统论保证了汽车在能耗、安全性、低阻力等方面的优势，并且在汽车从设计、生产、驾驶、维护、废物销毁、再循环使用的全生命周期都进行仿生设计研究，力图打造汽车生态系统。该公司的所有设计师都从自然界生物的流体力学研究出发，不断从植物和动物身上获取灵感，最后发觉出提升汽车整体架构强度、降低成本消耗、极大降低能耗和风阻的系统性设计方法，而且使用计算机设计软件对整体形态造型进行计算，这样就保证汽车在进行测试阶段非常安全，同时汽车也获得了极大的轻量化设计。最近几年，奔驰汽车不断将自身的跨学科研究结晶向更高的领域推进，他们研发的BIOME汽车现在可以从自然系统设计中脱离出来，研发人员在经过深入研究后，使用最先进的能源技术将汽车减轻到不可思议的地步，而且在成为废品后可以自动降解，形成极大的再循环，而且汽车还是用太阳能这一无限循环资源对传统能源进行替代，在环境友好方面又迈进了一大步。

（二）仿生学在灯具设计中的应用

在灯具设计中，仿生学也可以产生巨大的作用，在结构仿生设计角度看，我们可以发现力学机构可以模拟自然生物的身体全部分，包括植物的叶子、茎部、根与动物的骨骼等部分。

设计师JohnWischhusen通过仿照人的骨骼设计的一个灯具，至今让人回味无穷，感慨设计师强大的洞察力和勇气，让世人感受仿生设计带给大家生活的独特魅力和审美品位。

还有的灯具设计借鉴蜂巢的六角形排布结构设计，利用其稳定、节省原料、高强度等特点。而且设计师使用蜂巢结构设计为产品带来很多优点，诸如隔音隔热、重量轻等等，在各大交通器设计领域都经常运用。

在仿生形态趣味性方面，本身仿生的形态来自自然界，具有一定的趣味性，将他们运用到产品设计中，带给大家可爱、温暖、自然的全方位感觉。比如著名的蜜蜂台灯设计，他的反光板运营蜜蜂翅膀的形态，灯泡运用蜜蜂头部的形态，支撑结构的造型来源于蜜蜂的脚形态，整个台灯的设计完全模拟了一只休息的蜜蜂，非常传神和有趣。

三、仿生设计的未来展望

仿生设计强调跨领域、独创性、边缘化，不管仿生设计的理论、内容、方法的发展，这些特征都是表现的很明显。

（一）技术与艺术的齐头并进

仿生设计用句古话说就是为了活着而设计，它是一种人类将科技和艺术结合产生的造物方式。虽然这种生存理念被束缚在生命繁衍和延续的理性层面，但是这种生活方式却是人类现代文明的基础。

近现代仿生设计在世界经济、文化、生产的大背景下，依靠现代先进的技术和设计，在社会完成现代化的同时，依靠自身的思想的绽放和启蒙，会产生出大量的造物和思想意识的变革。里面混杂了科技是一切的实用意识形态，也有人本思想的人性化意识形态，而且他们总是各自在自身的领域发展着，不相互合作、欣赏，让技术和艺术产生了巨大的分离，整个进程缺乏前进的动力和欲望，降低了前进的脚步，最后仅仅是为商业服务做出自己的微弱贡献。

将来的仿生设计肯定会将技术与艺术齐头并进发展，会更多的追求先进技术、情感化的全方位发展，在实用价值、情感价值等多角度发挥巨大的作用，让设计们更多的探求这种技术与艺术结合的可行性方案。

（二）实践应用和科学研究并行系统化发展

仿生设计的科学研究与实践应用，不仅要依靠同仿生学相关的电子、信息、物理、化学等科学的系统性科学理论支持，而且也要获得感性工学、科学艺术甚至到达哲学层面的学科支持。例如“基于蚁群算法的产品服务系统规划分析”、“基于进化算法的仿生造型基因进化”、“进化算法在产品创新设计的应用”、“簇群空间和新陈代谢仿生设计”等课题都是现代仿生设计中关于仿生过程算法、仿生结构算法（神经网络）、仿生行为算法（群体智能）等仿生智能计算方法的应用研究。

未来的科学研究与理论实践定会形成从理念、到数据、再到方法论、最后到目标等方面的有机仿生系统，这个系统由大量的元素有机组成，而系统本身也属于一个大的宏观思维下的系统。以后的仿生设计不会仅仅是关注几个单体设计元素和理念，更加注重与系统性的整合。该系统通过进行基础性科学研究，注重仿生设计元素和相关元素的系统性研究，必将仿生设计理论推动到更高的战略发展层面。

（三）以持续发展和社会和谐为目标

仿生设计通常以研究自然生态为对象和目标，强调对自然世界整体趋势和变化的把握，注重对自然生物与其关系的研究，从物质到非物质、复杂到简单、高端到低端等不同层次的系统研究，同时也包含着在跨学科基础上的多样性多层次研究，这样的目标是建立一个人和自然共同工作的系统。但是人和自然的工作方式不是独立和封闭的，而是沟通顺畅、融合的、交叉的、开放的系统，这样才能谋求在未来获得持续发展和社会整体和谐。人类在接近自然系统的同时，给大自然提供一定的保护。未来的仿生设计必将是从以人为本的设计转化为以自然为本的设计理念，进行可持续发展的设计，从战略层面保护大自然生态系统的完整和健康，以人类和自然和谐共存为目标准则，造出一种更加自然和随性的选择境界，挖掘出任何自然和谐共存，可持续发展的道路和方法。

综上所述，仿生设计以其特有的设计思想、理念和方法，把个体系统的需要放到整体系统中衡量，用符合生态学的环境科学原理的观念去指导行动，将不断去探索人与自然的关系，寻求技术与自然、人类的协同一致，试图预见并创造更高层次的人——自然——社会环境系统，这是现代仿生设计发展的趋势和理想目标，也是整个人类社会发展的追求。未来的仿生设计将渗透到人类社会生活的各个层面，对人类现在及未来的生活方式、价值观念产生影响，参与到人和自然的共生与持续发展这个哲学命题的认识和反思中去。

参考文献：

[1]姜娜，杨君顺。 仿生在产品造型设计中的应用[ J ]。 包装工程，2006， 27 （12） ： 306 - 312.

[2]刘青春，何霞。 产品仿生设计探究[ J ]。 包装工程， 2006， 27 （ 4 ） ： 194 - 196.

[3] 王元建。 论现代设计文化及其兼容性[ J ]。 装饰， 2006， （18） ： 13.

[4]陈汗青，曹亚丽。 解读设计符号语言及其本土文化内涵[J]。 装饰， 2005， （12） ： 7.

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