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

篇1

關鍵詞：模糊數學；城區生活垃圾；污染防治

1 概述

隨著城鎮發展規模的不斷擴大，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境的破壞越來越嚴重，治理城市生活垃圾污染對提高居民生活質量，改善居民生活環境有著舉足輕重的作用，這項工作也一直受到各地政府環保部門的高多重視。因此，構建符合巢湖市城區自身特點的生活垃圾轉運系統，尋求防治巢湖市城區生活垃圾污染的方法具有重要的理論和現實意義。

2 模型建立

2.1 傳統綜合評價模型

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

這其中i為第i個指標，j為第j個原因分組，pj為污染因素結構權重，Ki為各指標權重，xi為基期單指標測試平均值，xij為報告期單指標測試平均值，fi為調節因子。這種評價方法的優點在于指標結構簡單，只涉及到單一的指標，并且所涉及到的指標一般而言都有一定的實際意義，可以讓非數學專業人士也能理解；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，而往往是一個多維度的復雜體系，另外，這樣一個多維度的復雜體系中的各個指標也會隨著污染種類的變化發生相應的變化，這更是一個復雜的問題，因而，僅僅用單個指標來代表復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。本文基于模糊數學理論所建立的污染綜合評價模型就能很好地避開傳統模型的難點，具有較好的可行性。

2.2 基于模糊數學理論的數學模型的建立

構建評價系數矩陣， 首先要調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），并且根據所選取的污染源所造成的嚴重程度予以打分，根據所打的分就可以確定一個矩陣R，這個矩陣稱為指標評價系數矩陣，具體如下矩陣所示[3]。

接著，通過（3）式來計算評價權重的一個向量W，如下所示

最后，參考文獻[4，5]的方法將所計算出來的權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重（較好及以上的權重才有評價的意義，忽略權重級別較低的指標）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

現在巢湖市城區生活垃圾進行綜合評價，經過調查研究巢湖市城區生活垃圾的幾個重要影響因素為：人口數量、城區面積、城市經濟承載力、居民收入、消費結構、回收再利用率，以上因素通過調查統計所得數據如表1。

通過層次分析法計算出他們的權重向量：

4 結束語

根據上面的算例仿真結果，可以看出本文所介紹的評價模型較好地克服用單個指標來代表復雜的污染因素從而對評估結果的有效性不確定性的影響，并且在評價城市城區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果的有效性，除此之外，也使得評價結果更加清晰直觀。正如前文所述，對于城區垃圾污染的評價來說，城區垃圾污染問題本身就是一個多維度的復雜體系所構成的，它是一個復雜且模糊性的數學問題，用模糊數學綜合評價方法來進行評價具有較高的可操作性與可靠性，是一種實用且科學的方法。

參考文獻

[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

關鍵詞：生物技術專業；地方型本科高校；人才培養模式

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

進入21世紀，生物產業迅猛發展，已成為增長最快的經濟領域，涌現出大量生物產業成果，表明生物產業能夠在環境、健康、能源和糧食等重大問題的解決中發揮不可替代的作用。國內外都高度重視生物產業的發展，紛紛制定中長期發展規劃，加大投入，試圖占領生物技術領域的各塊高地。我國在“十一五”期間就把生物產業作為重點發展的領域，將生物產業列入戰略性新興產業；“十二五”期間制定了《“十二五”生物技術發展規劃》，全面推進生物產業的快速發展。“十二五”以來，我國生物產業復合增長率達15%以上，2015年產業規模超過3.5萬億元。最近，發改委印發《“十三五”生物產業發展規（2016-2020）》，提出到2020年，我國生物產業規模達到8至10萬億元，生物產業增加值占GDP的比重超過4%，成為國民經濟的主導產業。生物產業的迅猛發展，對生物技術專業人才的需求量也在逐年上升。

生物技術是一門多學科交叉融合、理論與實踐并重的新型綜合性學科，具有很強的實踐性和應用性，在國家經濟社會發展中的地位和作用日益突出。由于生物技術專業涉及的領域非常廣泛，任何一個高校都不可能培養面面俱到、行行精通的生物技術人才，特別是對于一些新建地方本科院校，由于師資力量、辦學經驗以及生源質量等方面的限制，其人才培養模式與那些“211”、“985”等高水平大學相比有很大的不同[1]。地方型本科高校的生物技術專業在辦學中一定要結合自身優勢，辦出特色，本文就地方型本科高校生物技術專業人才培養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專業的發展提供新思路。

一、認清學校辦學定位，明確人才培養目標

按高等教育人才培養目標定位劃分，高等學校培養的人才主要有三種類型：重點大學培養的是以學術為主的研究型人才、普通本科院校培養的是以開發性和應用性為主的應用型人才、高職類院校培養是以技能為主的應用型人才。作為地方型本科高校，其主要目的是為地方行業培養各類應用型、技術型和復合型高級專門人才，培養的畢業生大多到企業、公司等生產一線從事技術工作。地方型本科高校在確定生物技術專業人才培養目標時，首先應認清自身的辦學定位，制定符合學校及地方經濟實際的人才培養方案。因此，地方型本科高校生物技術專業在制定人才培養方案時一定要注意立足地方實際的原則，在人才培養目標及模式上也要避開與“211”、“985”等重點大學撞車，而是需要尋找新的突破口[2]。筆者認為，這個突破口可以從兩個方面來確定：一是辦學實際，審視自身在多年辦學中形成的特色是什么；二是要參考地方經濟需求，因為地方型本科高校的生源大多都來源于學校駐地附近，學生的就業也大多會選擇在學校駐地周邊，因此培養地方經濟發展所需要的生物技術人才尤為重要。

二、基于全面發展和重點突出相結合的原則，優化理論教學內容

生物技術專業涉及領域非常廣泛，包括與國民經濟息息相關的諸多產業，如農業、能源、環保、化工、醫藥、衛生、食品等。生物技術專業包含的理論課程非常多，包括專業基礎課程（如高等數學、普通物理學、無機及分析化學、有機化學等）、專業課程（包括植物學、動物學、生物化學、細胞生物學、遺傳學、微生物學、分子生物學、基因工程、細胞工程等），以及專業選修的課程（如生物統計學、生物信息學、免疫學等）等。生物技術專業總共可以開設的課程達70余門，這些課程有些內容相互交叉融合，有些課程自成體系，這么多課程在開設與否及學時安排上不可能同等對待。所以，每個高校必須根據自己的師資現狀及人才培養目標，對這些課程進行有重點的教學。對于內容有交叉的課程，需要統籌梳理，進行理論教學內容的優化，精簡生物技術專業的課程體系，突出重點課程。

三、強化實驗課程，提高學生的動手能力和創新思維

實踐能力培養對生物技術專業應用型人才培養質量來說至關重要。實踐能力主要是通過實驗、專業實踐及生產實習來進行培養的。生物技術專業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，又鍛煉學生的實驗技能，主要是一些專業課的實驗。三是“開放性”實驗，是學生在掌握一定相關知識的基礎上，運用已學的實驗方法、自行設計實驗方案，并在開放實驗室獨立完成，自主分析實驗數據并做出相應結論，在整個實驗過程中指導教師對學生只進行宏觀地指導監督。“開放性”實驗可以讓學生主動開拓知識面，靈活運用和歸納知識，培養學生的創新思維和創新能力，對于提高學生的綜合素質具有不可替代的作用。但限于經費、設備及師資力量，地方型本科院校中“開放性”實驗開設較少。在生物技術人才培養中，應加大“開放性”實驗的投入，改善開放實驗室條件，強化“開放性”教學。同時，在實驗項目的選擇、教學模式等環節進行改革，提高實驗教學效果，使學生能夠通過實驗課程真正地領會知識，掌握實驗技能。

四、保障實習環節，零距離接觸企業生產

實習是高校實踐教學的重要組成部分，對于以培養應用型人才為主要目標的地方型高校來說，實習環節尤其重要。雖然各個高校都建有一定數量的校內外實習基地，但學生的生產實習仍面臨一系列的困難。首先，校內實習基地不健全，有些實習基地專業對口性較差，難以真正起到作用。其次，已建的校外實習基地多數流于形式，雖然簽有實習協議，但并沒有真正執行。甚至有些學校把實習環節全部交給學生，讓學生通過個人途徑自行聯系實習。第三，大多數學校還沒有建立完善的實習考核機制，沒有跟蹤學生的實習過程，僅僅依靠學生的實習鑒定表就授予學分。因此，在地方型高校生物技術專業的改革發展中，切實保障實習環節的真正施行是一個重中之重。筆者認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基地建設。可以聘請企業人員給學生介紹企業生產問題，與企業合作開展科技攻關、員工培訓等，增強學校與企業的互動，建立良性合作關系。（2）強化實習過程管理，增強帶隊老師的責任感，督促學生自始至終完成實習過程。（3）建全實習考核機制，采用結果考核與過程考核相結合的原則，全面真實地考核學生在企業所學到的技能。（4）有計劃地培訓或引進雙師型教師，完善雙師型教師隊伍。

五、嚴把論文選題，保證畢業論文質量

畢業論文是高等院校教學計劃最后的也是最重要的教學環節，是本科教育人才培養計劃中的重要組成部分，與本專業的人才培養質量直接相關。畢業論文在選題類型上大體可分為三種類型，即科研型、生產型和綜述型。科研型論文是指論文內容主要側重于理論研究；生產型論文是指論文內容主要側重于實際生產應用，包括在實驗室中研發、小試，或者是學生參與到一些企業的科研項目中；而綜述型論文是指學生利用網絡、數據庫等搜集某一領域的研究現狀，梳理概括，并對該領域的下一步發展提出一些展望或建議。從地方型高校的辦學定位及培養目標來看，生產型論文尤其是參與企業科研的類型是最適合學生的類型，而在實際中，這一類型的論文開設很少，相反，有很大比例的學生畢業論文是綜述型的，這與學校的培養目標是不相符合的[3]。因此，學校應在提高畢業論文質量上下大功夫，創造條件提高生產型論文的比例，這對于培養生物技術專業人才的應用性和實用性極其重要。發展生物技術產業已提升到國家科技重點發展的戰略高度，地方型本科高校生物技術專業就是為生物技術產業的發展培養主力軍和實際生產者的。地方型本科高校應以適應地方經濟發展需求為目標，制定適合的生物技術專業人才培養模式。在理論教學上要以學生就業及學生自身的未來發展為導向，把握主要內容，取舍有度。通過實驗教學、生產實習及畢業論文等環節，著重培養學生的實驗技能和創新思維。同時，應該創造條件，讓學生多走進企業，了解企業的管理模式和生產方式，還要加強對學生的就業指導，引導學生樹立正確的擇業觀和成才觀。

參考文獻：

[1]王彥杰，韓毅強，晏磊，等.生物技術專業“落地人才”培養模式的探索與實踐[J].安徽農學通報，2012，（18）：150-151.

[2]胡曉倩，張界，黃松.生物技術專業地方性應用型轉型建設研究[J].黃山學院學報，2013，（5）：135-137.

[3]倪雯，沈露露，晶，等.生物技術專業畢業論文現狀的調查分析[J].高校生物學教學研究，2015，（5）：38-43.

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關鍵詞：大型交通建筑；建筑仿生；建筑仿生設計

中圖分類號：TU248

文獻標識碼：A

文章編號：1008-0422(2011)08-0097-03

1　前言

隨著建筑學的不斷發展，建筑設計的方法越來越多。近年來，大型交通建筑設計的方法和發展趨勢主要包括高技術生態設計、仿生設計、地域主義設計等等，力求以新的方法創造出新的建筑形象和更加生態化的建筑作品。經濟社會的發展也為大型交通建筑的設計提出了更高的要求，建筑仿生思想作為人類傳統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，從而為城市的發展做出貢獻，成為對大型交通建筑設計探索的重要方向之一。

2　建筑仿生學

2.1仿生學的起源

早在遠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造性活動，是人類為了生存而表現出的仿生行為，也是仿生概念與思想發展的基礎，是現代仿生學的雛形。

隨著生產的需要和科學技術的發展，自20世紀50年代以來，生物學家和工程師們合作，開始從生物界獲得知識用來改善舊的或創造新的工程技術設備，將生物學和工程技術學科結合在一起，互相滲透孕育出一門新的科學――仿生學。

2.2建筑仿生學的產生

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構來建造棚屋，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，既要適應人的需求，又應該與自然有機的結合。人類在建筑技術上遇到的難題，自然界中似乎早已有了相似的解答，生物學與技術科學產生了相互聯系和交流的迫切需要。上世紀中期，在對生物有機體功能和結構的研究領域形成了系統的理論和經驗，確立了基本的研究方法前提下，建筑仿生學作為仿生學的一個科學分支出現了。此后，隨著生物學與建筑學的不斷發展，建筑師和規劃師以仿生學理論為指導來探索生物體的形象、功能和結構在建筑方面的應用，使建筑、人和自然成為有機的統一體。

2.3建筑仿生學的涵義

建筑仿生學從仿生學的觀點出發來研究建筑，把建筑與人看做是一個統一的“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到統一。

劉先覺在《仿生建筑文化的新趨向》中定義建筑仿生學是根據自然生態與社會生態規律，并結合建筑科學技術特點而進行綜合應用的科學。

2.4傳統設計觀與仿生設計觀的比較

在傳統設計觀的影響下，建筑師常常會將建筑視為靜止而不可變的實體，因此在建筑與環境適應性上缺乏仔細的研究。若從仿生設計的角度出發，考察建筑所處環境，就可能對建筑師的方案有更恰當的定位。仿生設計觀更加提倡尊重自然、順應自然、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計中的意義

3.1為大型交通建筑設計的創新性提供有效的設計方法

德國著名設計大師路易吉?科拉尼(LuigiColani)曾說：“設計的基礎應來自誕生于大自然的生命所呈現的真理之中。”由此可見，來源于自然的設計思想和方法應用到建筑中，可以使建筑的形象具有創新性。因此，建筑仿生設計方法的運用成為豐富當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計的科學性提供了良好的平臺

建筑仿生設計方法的應用并不是對生物形態的簡單模仿，它是通過研究生物體的形態、結構等深層原因，未進一步探討在建筑上應用的可能性。通過這種系統性和科學性的設計方法，使大型交通建筑在功能、結構和形象中有機的結合，為大型交通建筑的設計提供理性指導。

3.3為大型交通建筑設計的可持續性提供途徑

通過對大自然的理解，運用自然界中科學合理的規律來進行設計，對運用的新方法和新技術進行探討，使建筑設計與仿生方法有機的結合，突出以人為本的理念，設計出生態化的建筑，達到環境的可持續發展。

4　大型交通建筑仿生設計方法

仿生建筑的原型來自于形態豐富的大自然，人類從大自然中得到啟示，力圖創造出更多新的形態，從而為人們觀賞和延用。自然形態把自然界的信息傳遞給人類，建筑師通過對自然形態的認知，提高了建筑設計的能力。建筑仿生設計主要是通過仿生物形式美，仿生物功能和仿生物結構三個方面未達到建筑設計的目的。

4.1仿生物形式美的設計

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自己的設計意圖，從而運用到建筑造型的創作上。這種模仿很容易讓人們在建筑物中發現生物體的特征，例如，鳥是天空中生物的經典代表，因而成為機場建筑里頻繁出現的設計手法。

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

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形混凝土結構與屋脊的鋼拱結構相連接形成“腹部”，寬大的“翅膀”豎立于脊背之上(如圖1)。從側面看，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)”。在內部，V形鋼結構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)。

在建筑設計中，仿生物形式美的設計手法，使建筑的形式更別致，形象和生動，更具有表現力。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仿生物功能的設計

功能是指事物或方法所發揮的有利作用。建筑的功能往往是錯綜復雜的，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。建筑與生物的區別在于，后者是可以移動生長的，由于在建筑設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生了興趣，使得建筑向多功能發展，在有限的空間內高效低耗的組織好各個功能的關系，突顯建筑設計的實用性。

英國建筑師尼古拉斯?格雷姆肖(NicholasGrimshaw)設計的滑鐵盧國際火車站，錐形不對稱的建筑造型會讓人聯想到與動物形態的相似性(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。車站西側覆蓋的大塊無數矩形玻璃板與復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節的支架懸掛在鋼制結構上(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，而附加的風擋刮水器形成了一個滑動的水平封條，這樣組合的結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構(如圖9，10)。這種會呼吸的鱗狀物表皮結構使該車站不僅具有明顯的動物形態特征，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仿生物結構的設計

英國學者特奧多?安德列?庫克(Theodo)曾說道：“凡精巧之建筑，其設計基礎無不意味著純結構之美……。”仿生物結構的設計主要是運用生物體和自然界物質的內部結構原理，對植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、骨骼等結構進行研究，設計出更加堅固合理的建筑作品。仿生物結構設計已經成為建筑師設計的新原理和新方法的來源之一，在建筑設計中占有重要的地位。

以人的頭骨為例，當人的大腦受到外界侵襲時，頭骨中產生不同的彈性形變，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，不會導致其他更大的裂縫產生。埃羅?沙里寧設計的環球航空公司候機樓的屋頂就是模仿人的頭骨的結構形式(如圖11)，每一條曲線和每一塊“骨”的銜接都遵循了結構秩序，形成自由形態的殼體結構，其造型如同飛翔的雄鷹(如圖12)，是建筑與技術組構出的杰出作品。

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

篇4

摘要：

通過詳細介紹仿生學在石油工程領域的發展現狀，提出了石油工程仿生學的概念，指出了建立石油工程仿生學的必要性，概括了石油工程仿生學的特點和研究方法，并梳理了其發展趨勢。目前，仿生學在鉆井、管道、井筒等領域取得了實質性進展。未來石油工程仿生學研究應遵循科學的研究方法，按生物原型階段、數學模型階段和工程實現階段循序漸進地加深研究成果，盡可能避免模仿的復雜性；同時加強在模仿中的創造與創新。石油工程仿生學發展應以生產中的技術需求為根本出發點，以改善現有的或創造嶄新的技術系統為目的，有層次、分階段地開展應用研究，在功能材料、表面性能、信息獲取與處理、工程實現等方面為關鍵技術問題的突破提供創新性解決方案和技術手段，經知識積累、成果轉化和工業化應用3個階段，逐漸形成涵蓋勘探、開發、工程的仿生技術體系。

關鍵詞：

仿生學；石油工程仿生學；仿生技術體系；材料仿生；表面仿生；信息仿生；工程仿生

為了適應環境、延續生命，自然界中的生物經過億萬年的進化和優勝劣汰，造就了近乎完美的結構、形態和功能。五彩繽紛的自然界一直是人類產生各種技術思想和發明創造靈感的不竭源泉，從千百年前模仿蜘蛛織網發明漁網，到近代模仿鳥類飛翔發明飛機，再到21世紀模仿鯊魚皮結構發明鯊魚皮泳衣，人類一直在向大自然學習，利用仿生原理和思想推動技術進步，對仿生學的使用也從無意識向有意識轉變。仿生學是研究生物系統的結構、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統構成的技術科學［1］。自仿生學誕生到20世紀末，科研工作者經過幾十年的探索，逐步加深了對仿生學的認識和理解，初步掌握了仿生學研究方法，完成了基礎知識的積累。進入21世紀，仿生學的思維和方法迅速滲透到各個學科和行業，研究成果大量涌現，根據發表科學論文數量推斷，這一階段的成果占了總數量的近90％。在這一時期，仿生學在石油工程中也出現了應用案例，不僅利用仿生學理論解決了鉆井、管道防護等技術難題，并且對石油工業的技術創新理念和思維也產生了日益重要的影響。本文介紹了仿生學在石油工程領域的一些重要研究成果，在對仿生學在石油工程領域發展歷程深入分析的基礎上，提出了建立石油工程仿生學的必要性，并概括了石油工程仿生學的研究特點和方法，梳理了其發展方向。

1仿生學在石油工程領域的應用現狀

仿生學的本質是模擬生命系統，其學科結合和行業結合的特點促進了優秀的仿生研究成果從科學研究走向生產實踐，最終投入實際應用。仿生學和石油工程的交叉在鉆井、管道、井筒、油藏等領域也產生了一些研究成果。

1．1鉆井領域

1．1．1仿生鉆井液井壁穩定問題一直是困擾國內外鉆井的難題，水平井比直井的井壁失穩問題更加突出［2］。中國石油大學（北京）根據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］。該技術在聚合物主鏈上接枝類似貽貝足絲蛋白中的一種關鍵基團，合成類似貽貝蛋白質的水溶性聚合物。仿生鉆井液體系在巖石表面自發固化形成致密且具有黏附性的“仿生殼”，起到維持井壁穩定的作用。試驗井現場鉆井試驗表明，該仿生鉆井液體系在抑制鉆屑分散、穩定井壁、攜屑等方面效果顯著［4］。此外，模仿細菌結構開發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［6］，聚晶金剛石復合片（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PDC鉆頭依然存在金剛石與硬質合金結合力不足、防黏效果不明顯、磨損較快等缺點，為此，吉林大學開展了仿生鉆頭研究工作，研發的仿生鉆頭已從最初的單一功能仿生，發展到目前的耦合仿生，鉆頭性能也由單一的減黏脫附發展到減阻、耐磨、切削效率等指標的綜合提升［7－9］。仿生耦合PDC鉆頭借鑒了竹子中纖維素和木質素的分布方式，牙齒中有機／無機2種不同材料的梯度復合形式，樹木的年輪排布，貝殼表面的非光滑形態，以及螻蛄前足的快速挖掘特點等多種生物特性，并將其進行耦合設計，如圖1所示。現場試驗表明，仿生耦合PDC鉆頭比常規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海底管道是海上石油輸送上岸的主要方式［10］，然而，海底復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保帶來重大風險。由于常規水下拋石、砂包堆壘、混凝土沉排墊等方法效果不理想，中國石油大學（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［11，12］，原理如圖2所示。當海底水流經過仿生水草時，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，達到了埋管目的。現場試驗表明，防沖刷仿生水草施工1年后泥沙淤積厚度達20～50cm，防護效果良好。該技術在海管懸空治理中得到了大范圍推廣應用。

1．2．2仿生血小板管道修復技術英國Brinker公司模仿血小板在傷口處凝結的原理，開發了一種管道修復技術［13］。在管道流體中加入Platelets微粒，當其流至裂縫處時，流體壓力迫使其進入裂縫，達到阻止泄漏的目的，如圖3所示。該技術已應用在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，為管道安全運行發揮了重要作用。

1．3井筒領域

1．3．1仿生泡沫金屬防砂技術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。根據骨松質的三維立體結構，提出了一種仿生泡沫金屬防砂技術［14］。泡沫金屬內部為三維孔隙結構［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，實現了常規平面防砂到三維立體防砂的轉變［圖4（b）］。基于仿生泡沫金屬的復合防砂管［圖4（c）］，由不同孔隙度的多個泡沫金屬防砂層、導流層、保護層等組成，該結構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構強度。目前，已發展出防砂粒徑0．15mm、0．25mm、0．35mm的系列化仿生泡沫金屬防砂工具，在油田應用5口井，對于出砂嚴重的井，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膨脹管作業過程中，膨脹錐與膨脹管內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構，研發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蝕刻以及表面硬質涂層涂覆。仿生膨脹錐在中國石油大慶油田進行了4井次的現場試驗，結果表明，與傳統脹錐相比，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，降低了作業風險。

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

1．4油藏領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，并將這些信息儲存在隨身內存中，之后納米級機器人從產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，大多數孔隙喉道尺寸大于5μm。為了避免橋堵，納米機器人的尺寸應為孔隙喉道的約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材料能夠在轉變溫度控制下隨意變形的特性，設計了結構簡單、座封可控的仿生封隔器，座封過程不受井下流體性質影響，膠筒尺寸可定制，并且通過調節SMP的轉變溫度，可適應不同井下溫度，以滿足不同井深條件下的完井需求。除了硬件，還出現了“軟性”仿生研究成果。例如，中國科學院王守覺院士提出了“仿生模式識別”的概念，將傳統模式識別的“區分”事物轉變為“認識”事物，使之更接近人類“認識”事物的特性［22］。石油工作者將這一理論應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確率［23］。

2石油工程仿生學發展展望

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

2．1建立石油工程仿生學的必要性經過幾年探索，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、仿生振動波傳輸等多項研究，取得了階段性成果，部分已進入現場應用階段。總體來說，通過專項研究迅速找到了石油工程和仿生學的結合點，并從最初的研究思路轉化為研究成果，成功應用于石油工程現場，解決了油田技術需求。這充分說明了開展石油工程和仿生學的結合研究是合理的、可行的，從長遠來看，建立“石油工程仿生學”是非常有必要的。“石油工程仿生學”是借鑒生物系統的結構、原理、功能等特征為石油工程技術難題提供解決方案的應用科學。建立“石油工程仿生學”意味著更加系統地開展仿生學在石油工程領域的應用研究，有利于更有針對性地發掘石油工程的仿生創新源頭，有利于更有目的性地開展仿生基礎研究，有利于加速仿生學科研成果的應用轉化，有利于仿生學思維和方法在石油工程領域的普及與傳播，以點帶面，促進石油工程與仿生學的全面結合。

2．2石油工程仿生學的研究特點石油仿生學研究可以分為3個階段：生物原型階段，數學模型階段和工程實現階段。首先研究生物某種功能的實現機制和結構特點；然后研究并簡化其結構，抽象出物理模型，進而建立數學模型；最后采用技術手段，制備實物模型，實現對生物系統的工程模擬［24，25］。仿生學作為前沿領域，研究成果大多屬探索類，注重理論性和超前性，而石油工程作為應用行業，以現場需求為驅動力，更加注重科研成果的實用性和推廣性。因此，在科研實踐中，石油工程仿生學應以滿足生產中的技術需求為根本出發點，以改善現有的或創造嶄新的技術系統為目的，有層次、分階段地進行單元仿生或多元耦合（協同）仿生［26］研究。同時，石油工程仿生學在模仿生物的特性或功能時，要盡可能避免模仿的復雜性，要在模仿中創造（創新），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化分階段推進。根據這一特點，確定了石油工程仿生學研究和應用的2種主要方式：①需求驅動型，在石油工業的科研和生產實踐中提出技術問題或功能需求，有針對性尋找并借鑒生物的同類或相似功能，經過可行性研究后開展仿生學三階段研究工作；②源頭驅動型，加強與世界仿生學研究機構之間的交流與合作，密切關注仿生學或生命科學研究的最新成果，找準其與石油工業技術需求的結合點，開展應用研究。筆者研究團隊的研究成果充分體現了石油工程仿生學研究特點的適用性，驗證了研究方法的合理性與可行性。例如，泡沫金屬研發之初采用泡沫鎳作為基材，雖然在技術上具有明顯優勢，但高昂的價格阻礙了推廣應用，為此，繼續開展研發工作，開發出不銹鋼泡沫技術，使其具有了推廣應用的條件；仿生非光滑表面膨脹錐技術則是充分借鑒了其他研究機構的成果，優化改進之后應用于膨脹錐，不僅解決了油田生產難題，還促進了仿生研究成果的應用轉化；仿生振動波通訊技術則是在原理上借鑒了動物的通訊方式，但在實現過程中通過大幅提高信號發射強度的方式避免了高靈敏度、小信號接收器開發的復雜性，從而在最短時間內實現生產井指令由地面到井下的無線傳輸。

2．3石油工程仿生學的發展方向

隨著石油工程仿生學系統性研究的啟動，研究內容體現出了明顯的方向性，但研究的深度和廣度依然不足。根據石油工業的技術現狀、需求和特點，以及仿生學的整體發展水平，未來石油工程仿生學應注重材料仿生、表面仿生、信息仿生和工程仿生4個方面的系統性研究，以點帶面，形成涵蓋勘探、開發、工程的仿生技術體系。

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原理設計和制造具有生物功能，甚至是具有真正生物活性的材料。石油工程領域的材料仿生主要分為2類：①在機械、電學、化學、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出明顯的仿生特征，或通過外場刺激可調控其分子的長度、結構、化學組成、表面形貌等，進而調控材料性能，如輕質高強材料、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，大幅提升現有材料、工具以及傳感器的性能指標；②具有強化、修復、、保護等作用的微觀仿生材料，提高現有制劑性能、界面結合效果等，此類仿生材料多以添加劑的方式應用。

2．3．2表面仿生自然界許多生物體的表面結構是非光滑的，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不同的生活環境經過長期進化而來的，而表面仿生是在仿生對象表面實現類似生物的表面結構，從而表現出更好的表面性能。未來，石油領域的表面仿生多是對機械部件表面進行處理，重點應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構的研究和模仿，將仿生非光滑功能表面應用到大量處于惡劣環境中的設備、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，提高作業效率，降低安全風險；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，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，根據需要實現疏水、親水、疏油、親油等不同特性組合，在工礦、石化、冶金、機械、環保等領域具有廣泛的應用前景［27］。

2．3．3信息仿生信息仿生主要是對生物信息獲取、大數據處理以及生物間信息溝通、協同等特性的模擬與實現。石油工程領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，此類信息仿生技術可用于油田生產數據的精確采集，以及信息的高效傳遞，從而提高油田生產狀態的實時監測與控制水平；②在信息處理方面借鑒生物的大數據處理機理和方法，提高大數據處理能力和智能化水平，建立決策機制，并將其應用在地震解釋、油藏認識、開發方案制定以及油田綜合管理等方面，促進油田勘探開發高效運行。

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，不強調機理相似：①對生物功能的模仿和實現，此類仿生多是受某種生物功能啟發，注重結構相似或生物功能的工程實現，體現生物功能的智能性，并能夠滿足生產實踐需求。目前，石油工程領域的控制方式正在由傳統的機械方式向自動化和智能化方向轉變，在這一轉變過程中引入工程仿生，不僅能夠優化功能結構和控制方式，還能夠促進功能拓展，提高作業效率和便捷化程度。②材料仿生、表面仿生、信息仿生等方面的工程實踐方法。現有的諸多仿生學研究成果還局限在實驗室環境，在其向工業應用轉化的過程中，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發展展望石油工程與仿生學的結合依然處于初級階段，大多數研究成果為“形似”仿生。隨著生命科學研究水平的提高以及技術手段的完備，生命科學從生物結構、功能、特性等研究，逐漸深入到生命活動規律、發育規律、生命本質、生物之間和生物與環境之間的相互關系等研究。生命科學的發展加深了對生命本質的認識，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，石油工程仿生學的發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研究，并將研究成果有形化［28］。此外，電子、材料、控制等學科的技術進步也將促使石油工程仿生研究成果越來越“神似”。石油工程仿生學未來發展大概可以分為3個階段，即知識積累、成果轉化和工業化應用（圖7）。2020年前，為知識積累階段，任何一個學科領域的發展，都需要長期的知識積累，其中既包括仿生學基礎理論知識的積累與儲備，也包括石油工程仿生學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本質的認識與理解，探索并逐漸形成石油工業與仿生學的結合模式；2020年到2025年為成果轉化階段，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場應用的要求，形成基本完備的工程實現技術和手段；2025年后，部分研究成果在生產、成本、效率、能耗、作業工藝等方面能夠滿足大規模工業化應用的要求。2008年提出的仿生井概念是未來石油工程仿生發展的集中體現［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域，一旦該區域水淹后，就將這個分支“砍掉”，并在另一個含油區域“長出”另一個分支，如此反復。

3結語

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造自己的文明。不管人類社會發展到哪一個時期，仿生學無時無刻不在影響著人類的生活和活動。仿生學的思想是建立在自然進化和共同進化的基礎上。仿生學研究生物系統的結構和性質，為工程技術提供新的設計思想及工作原理。仿生學涉及生物學、生物物理學、生物化學、物理學、控制論、工程學等學科領域，屬于生物科學與技術科學之間的邊緣學科。仿生技術通過對各種生物系統所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究，最后實現新的技術設計并制造出更好的新儀器、機械等產品。

體育仿生學屬于體育科學的學科之一，也是仿生學分支。體育仿生學研究如何通過深入認識生物系統的結構和功能，進行模仿、模擬或從中得到啟迪，并有效地應用到運動技術、運動訓練、運動器械、體育建筑等領域。成千上萬年的優勝劣汰使這些優良設計機能完備、結構精巧、用材合理，不但符合自然的經濟法則，有些更是合乎數理法則，即以最少材料構成最大合理空間。運用仿生性思維進行設計，并尋求人類社會生產活動和自然界的契合點，是人類各種科學技術原理及重大發明的源泉，可以實現人類社會與自然界的高度和諧統一。

形態仿生

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

Bionic 手套

為了完成更加復雜的工作，人類的手掌由于內部指骨的原因變得不那么平滑。在做運動時，為了達到足夠的摩擦力，骨節部分往往比手掌的其它部分受到更多的壓力和摩擦。這樣就容易產生水泡、老繭，增加疲勞感。受到貓科動物肉墊的啟發，采用仿生學設計的運動手套使手掌與握把或器械的接觸面變得平滑。這種利用仿生學設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，運動鞋的設計也有大幅改善。赫赫有名的天足設計也是以貼近地面、減少沖擊、快速反應為原理做出的開發應用。

功能仿生

功能仿生設計主要研究生物體和自然界物質存在的功能原理，并用這些原理去改進現有的或建造新的技術系統，以促進已有產品的更新換代或新產品的開發。 很多時候人們都會發現，動植物在某些方面的功能，會遠遠超越人類自身在此方面的科技成果，因而，通過模擬再現生物學的原理，人類不但可以找到技術的解決方案，而且同時也使得該方案能完全適應自然的需要。運動鞋設計最初都是采用實心鞋底結構，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，設計發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，體現了產品對人性的關懷。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。目前，學習和利用生物系統的優異結構和奇妙的功能，已經成為技術革新和技術革命的一個新方向。

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達到排汗快干的作用。但這樣的設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，并不能將身體產生的熱量帶走。

由瑞士科學家按仿生原理設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部穿著環境的舒爽，且帶走了多余的熱量。一些水分從衣物外表面蒸發，一些水分凝結變冷，重新被皮膚吸收。微型導管的作用就宛如皮膚內的汗腺，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集中在身體出汗集中的區域，胸前、腋下和后背等部位。這些功能板幫助身體輸導遺留的水分或在更大的區域蒸發濕氣，在排濕的同時達到最大的降溫效果。汗水從側面被吸走，卻可以從整個胸部進行蒸發，功能板的面積與產品的降溫效果成正比。

考慮到戶外環境的多變，例如越野自行車等運動會在寒冷濕潤的環境下進行。仿生運動服裝曾經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，受到運動傷害的風險。仿生運動服不僅令專業運動員有如神助，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。汗水轉化成能量

緊身功能運動服技術有效壓縮了肌肉，提高了肌肉的穩定度和工作效率，提高了成績，卻妨礙了血液循環。仿生服裝拉開了壓縮間距，通過毛細血管改善了血液循環，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。

結構仿生

結構仿生設計主要是指生物體和自然界物質存在的內部結構原理在設計中的應用問題，適用與產品設計和建筑設計。研究較多的是植物的莖、葉以及動物形體、肌肉、 骨骼的結構。隨著仿生學的深入開展，人們不但從外形、功能去模仿生物，而且從生物奇特的結構中也得到不少啟發。在仿生制造中不僅是模仿大自然外部結構，而且要學習與借鑒他們自身內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卻有著驚人的彈跳力，可跳十幾厘米高，并可暢行于網上，行動敏捷，原來在它大腿內充滿奇特的液體，相當于一個液壓裝置，可根據情況自行調節液壓的強弱，一旦遇到緊急情況，大腿內就會充滿液體而由軟變硬。仿生學家模仿這種奇妙的液壓腿，研制了液壓裝置，廣泛應用到各類產品中，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，便是工藝中車體設計與機械原理的經典之作，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，使之前不可能的設計成為現實。

護具

啄木鳥一天可發出約600次的啄木聲，每啄一次的速度可達每秒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，原來是它頭部的構造與眾不同，它的腦殼非常堅硬，被細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，并且它頭部兩側還有強有力的肌肉系統，也能起到防震作用。科學家根據這種渾然天成的特殊構造，設計開發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圈，避免了因突然而來的旋轉運動所造成的腦損傷，比一般防護帽的效果好得多。得益于材料技術的發展，以Visco Elastic Polymer Dough等防水材料制作的護具進一步應用于各種護具中，不僅穿著更加安全舒適，設計也更加人性化。

代代木體育館

除了體育用品，體育場館設計中的結構仿生更是屢見不鮮。被稱為20世紀世界最美建筑之一的代代木體育館就是當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計靈感，以海螺的獨特造型造就了他表現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成的角上，狀似蝸牛。這座建筑還采用了來源于蜘蛛網靈感的懸索結構，用數根自然下垂的鋼索牽引主體結構的各個部位，從而托起了這座總面積達兩萬多平米的超大型建筑，成為建筑藝術的經典作品。

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志性設計正是利用了大自然中葉片和葉脈的自然結構和有序分布。葉脈地分布，讓葉片擁有了一個寬大的自然結構。這種結構，讓葉片穩固而不易受到自然界外力的影響。卡拉特拉瓦從植物的葉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。這種仿生學的設計，讓卡拉特拉瓦屢試不爽。

材料仿生

隨著仿生學的深入開展，人們不但從外形、功能去模仿生物，從生物奇特的結構和肌理中也得到不少啟發。人們在仿生制造中不僅是師法大自然，而且是學習與借鑒他們自身內的組織方式與運行模式。人造纖維就是模仿天然纖維的結構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與內部構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的飛躍。

AirJordan XIX

喬丹系列球鞋的設計者之一，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構，在運動中不會產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。以腳后跟為穩定中心來換取腳踝的穩定，從根本上來防止腳踝在運動中會出現的任何不穩定因素，用這種理念設計的球鞋還包括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，材料學家和設計師共同開發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。兩種不同表面特質的材料的組合使流經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計，也可以幫助減少水的壓力阻力，實現了材質、肌理與造型的完美匹配。該泳衣無疑是材料仿生設計的里程碑之作，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。其纖維橫截面由復雜的多種結構組成,這種纖維素具有相似性。纖維科學家將其定義為“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,而創造一種環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纖維,人造絲出現在一個世紀前,這種化學纖維擬態絲是用木漿制成的,隨后,人們發現木質漿具有可溶性,還可濕紡加工。而人造絲與木質纖維具有纖維素同樣的結構。隨之,尼龍又出現了。尼龍是人類模仿天然纖維的杰作。50年后,混紡加工技術出現,合成纖維漸漸成為我們的時尚,也形成一種開發方式。隨之,聚酯纖維以標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、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化為結構性材料,如纖維素和蛋白質。這種轉換要求更多能量,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。日本農業生物科學研究所(NIAS)馬越博士(Dr J. Magoshi)認為,蠶絲的形成經歷了這個機械過程,而這個過程在所有動植物體內都會產生。也就是說,所有動植物都可以成為擬態生物纖維的“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。現在發現,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蛋白絲,而凝膠體又通過吸收空氣中的二氧化碳轉化為溶膠,最終變為液態水晶體,蠶一邊移動一邊拉出口中的液態水晶體而形成蠶絲。這個過程與人類合成纖維的生產大同小異。

其實,當提及動物纖維時,人類沒有真正理解自己的毛發和羊毛生長的過程。人類毛發和羊毛的生長都是一個氨基酸的聚合過程。倘若毛發在形成過程中,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,那么人類就可以不斷創造無數種擬態纖維。目前,世界上已有許多纖維公司把觸角伸向人類毛發生成原理。現代生物技術可以讓頭發按照人類預期的形狀在活體內生長。倘若人發能夠復制,那么羊毛也可以用未來的生物擬態技術合成出來。

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。為了使自身產絲更有效地捕捉到昆蟲,蜘蛛往往會自動地將絲中的養分加以調整,使其絲的強度能讓纖維絲以蜘蛛網的軸心看齊。當蛛絲一邊被拉伸時,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,其經緯黏度足以捕捉到比蜘蛛自身大得多的昆蟲。但是,當蜘蛛移動時,蜘蛛網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家因此對蜘蛛絲的結構十分感興趣。他們希望能解釋蜘蛛絲結構的物理屬性,從而開發像蜘蛛絲一樣的擬態非均勻性智能化纖維材料。這或許成為未來開發新纖維材料的關鍵所在。這樣的生物擬態應用信息,確定無疑,將成為今后新型化學纖維誕生的溫床。未來的生物擬態技術可利用動植物體內的均質物質和非均質物質開發多種生物纖維,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。

當然,除了動物纖維,人類也可以利用植物纖維的擬態開發纖維種類。例如,竹子纖維是一種天然的強化型復合材料。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,其非均質性結構可幫助人類抵御高寒和強風的襲擊。日本東京理工學院教授菊谷先生(T. Kikutani)成功地合成了一種同等密度的竹類生物擬態,這種材料擁有極高強度、高韌度、高系數,因此成為市場需求最迫切的產品。

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構缺陷上下工夫。而與之相適應的新型紡紗加工技術則成為創新者的另一挑戰。因為,未來的生物擬態已不再是傳統意義上的紡織,而是利用分子導向控制以實現預設的纖維紡織精準度。

在自然界,單體蛋白質分子量超過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向的纖維產品將會逐步取代現行的纖維生產方式。

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關鍵詞：生物仿生學；產品設計；仿生設計

一、生物仿生學概述

生物仿生學既是模仿生物的形態或功能結構以實現發明創造的一門科學，主要的目的是提煉自然生物百萬年來進化出的適應機制將其通過現代工業技術移植到所需的領域及產品中以達到預期的實用效果，通過這種方法能夠更好也更高效的實現技術革新。

事實上早在遠古時期的人類就已經發現了仿生的種種益處，早期的人類就已開始借鑒自然界中生物的形態用于工具的制造，例如古時候人類通過模仿魚的形態來造船，也許當時的人們并不明晰這背后的原理，但通過生活中的實踐發現這是行之有效的。到了現代隨著科學技術的發展，人們已經掌握了更多的科學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構的內在原理，這便為各個領域的技術發展提供了有效的參照。

二、生物仿生學在產品設計中的應用

仿生是產品設計研發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出我們無限的創想和靈感，再通過科學手段加以證明和驗偽，最終我們能夠得到科學有效的新型技術用于實現產品的各項功能。而如今對于生物仿生學的研究已涉及到生物表現的各個層面，從最為直觀的外在形態、色彩、肌理到生物精妙的內部結構我們都能以科學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造出了高效便利的產品。

（一）生物形態層面的仿生設計

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成了美學上的認可。正因如此，自然界中總有著無限的美意等待著我們去發現，人類文明發展至今已經創造出了無計其數的人造物，經過不斷地探索和嘗試我們力求找到匹配自然之美的設計法則，最為直接的方式就是參考自然物的外在形態，即基于自然生物形態層面的仿生設計，這種方法是以自然界中生物或植物的形態作為造型基礎，再根據產品的功能需要，使產品在功能和造型上能夠得到相應的統一。

而對于形態的提煉上根據設計師的設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出兩種截然不同的視覺體驗，而對于設計過程中抽象到具象之間的度的拿捏就要看設計者的個人風格及觀念了。世界上許多知名設計師通過這樣一種形式的設計創作出了許多經典的設計作品（圖1）。

（圖1）

（二）生物色彩層面的仿生設計

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，我們對于環境的認知很大一部分是依靠視覺系統，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品設計中使產品達到一定的視覺體驗，甚至會產生相應的聯想，讓產品產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上對其表面質感進一步地深化處理的結果，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，從側面也反應出現代加工技術的卓越成效。

（圖3）

（四）生物結構層面的仿生設計

生物結構仿生是伴隨著仿生學技術的不斷發展，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外結構組織中得到啟發，人們根據生物的構建組織以及運行模式拓展了仿生的一個新的層面，結構仿生設計讓最終的產品具備更為有用的功能意義。

生物自身結構是非常奇特的，它們經過數百萬年的演化成功地經受住了各個時期的災變，并且一直向著更優良的系統進化著，可以說每個現代生物都有著完美的生理機制，人們通過研究它們的結構能夠得到無數的啟發性的發現，很多方面不得不承認自然生物依舊領先于我們人類目前的科學技術。因此通過對生物結構的仿生往往可以解決許多目前面臨的技術難點，這讓生物仿生學在產品設計的領域中再次得到了相當的重視。

結構仿生首先要依據一定的科學理論為研究基礎，簡單地模仿未必能產生預期功效。因此在結構仿生前要對生物相應的結構進行系統的研究，探明其工作原理證明其確實科學有效，再將其原理解構后以現代的工業技術和手段進行重構，使生物結構通過一種新的形式移植到產品設計當中以發揮其原生物結構的功效。

在眾多現代產品設計中我們能夠看到很多已經成熟應用了的結構仿生技術，這些技術里有可以分為外在結構仿生和內部結構仿生。

外在生物結構仿生是通過生物的外在結構作為參照，通過外在的仿生以達到生物該結構組織的相應功能。例如吸盤的設計就屬于外在結構仿生，它以章魚觸手結構為啟發的仿生應用，還有就是魔術貼的設計，也是外在結構仿生的一個極其經典案例，它的靈感來源則是鬼針草的尾部細小倒鉤。這些結構仿生設計如今已經隨處可見，大量應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。

生物內部結構仿生則是通過對生物內部結構的研究，將生物內在的工作原理進行分析，提煉出對于我們有用的結構并運用在設計當中，使我們的設計產生相應的效應。在高新的建筑、航天工業中就大量地充斥著內部結構仿生的技術應用，例如蛋殼屋頂所運用的薄殼結構以及航天工業中的蜂窩結構等這些結構仿生成果都是極為成功的案例，這些新的技術不僅節約了材料并且讓局部的應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，而航天設備也變得更加輕質，而這些都要歸功于結構仿生技術的發展，這都將為未來設計提供了有效的技術基墊。

目前結構仿生已經廣泛應用在了各類產品的開發中，并收到了很大的成效，可以預見科學技術的不斷提高對于生物外在結構和內部結構的研究也會愈加深入，這將會為人們提供更多參考素材。結構仿生將在未來設計中占有相當的分量。

（五）小結

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

三、總結

可以預見隨著生物仿生學的進一步發展，仿生設計在未來蘊含著極大的潛力和機遇，將會有更多的發現和創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代工業技術建立了聯系，這是一座工業通往自然的橋梁。可以說生物界就是工業創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當提供相應的保護，這樣才能讓這筆財富可持續地發展下去并為人所用，這是新的機遇也是新的挑戰，如何權衡自然與工業的平衡，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】 

[1]原研哉.設計中的設計[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

人類在遙遠的歲月似乎就認識到能從自然生態系統中領悟到自身生存、發展、進步的真諦。人類從蒙昧時代進入文明時代就是在模仿和適應自然規律的基礎上發展起來的。回顧中國的古文明史，不難看到人們較早就留下了模仿自然生態的痕跡。從遠古原始人構筑的人首龍身、人面鳥身等“人心營構之象”，到現實生活中以各種動物形態為原型的實用器皿，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和功能創造性地模仿。

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。經過漫長歲月，從最初的木制飛人發展到今天的超音速飛機，終于實現了人類在藍天上自由飛翔的夢想。達芬奇被認為是現代仿生學之父。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的飛行設備草圖。大約400年之后，奧托成功了，他根據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和功能類比的應用于科學。

由此可見人類師法自然思維由來已久，這便促成了仿生學的誕生，仿生學是在生物科學與技術科學之間發展起來的，模仿生物系統的原理來建造技術系統的一門新興邊緣學科。仿生學恰似“橋梁”和“紐帶”，連接著生物科學與技術科學。仿生設計則是在仿生學的基礎上發展起來的。它以仿生學為基礎，通過研究自然界生物系統的優異功能、形態、結構、色彩等特征，并有選擇性的在設計過程中應用這些原理和特征進行設計。

著名的德國工業設計師路易吉.科拉尼是仿生設計理論的大力倡導者和實踐者，他那蘊藏著人類責任感的設計哲學思想，以及呼吁人類社會與大自然和諧統一的設計觀念，都具有極其深刻的劃時代意義。他鮮明的仿生設計原理與方法、強烈的造型意念和極具旺盛生命力的設計，成功地影響了后代設計師。

運用仿生性思維進行設計，可作為人類社會生產活動與自然界的鍥合點，使人類社會與自然達到高度的和諧統一，仿生設計正逐漸成為工業設計發展的大趨勢。

二、現代工業設計中的仿生

現代社會文明的主體是人與機器。人類在這種文明所導致的生態失調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，共生哲學觀強烈地呼吁人與機器、生態自然與人造自然之間合理的建構，創造人類社會與自然高度的和諧。那么，師法自然的仿生設計就是一種良策和新理念。

仿生設計是人們在長期向大自然學習的過程中，經過積累經驗，選擇和改進其功能、形態，從而來創造更優良的人造物。尤其是當今的信息時代，人們對產品設計的要求和過去不同，既注意功能的優良特性，又追求形態的清新、淳樸，同時注重產品的返樸歸真和個性。提倡仿生設計，不但創造功能完備、結構精巧、用材合理、美妙絕倫的產品，同時賦予產品形態以生命的象征，讓設計回歸自然，增進人類與自然統一。

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

1、形態的仿生

形態從其再現事物的逼真程度和特征來看，可分為具象形態和抽象形態。

1）具象形態的仿生

具象形態是透過眼睛構造以生理的自然反應，誠實地把外界之形映入眼睛膜刺激神經后感覺到存在的形態。它比較逼真的再現事物的形態。由于具象形態具有很好的情趣性、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、日用品應用比較多。但由于其形態的復雜性，很多工業產品不宜采用具象形態。

2）抽象形態的仿生

抽象形態是用簡單的形體反映事物獨特的本質特征。此形態作用于人時，會產生“心理”形態，這種“心理”形態必需生活經驗的積累，經過聯想和相象把形浮現在腦海中，那是一種虛幻的，不實的形，但是這個形經過個人主觀的喜怒哀樂聯想所產生的形變化多端、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具有以下特征：

1）形態高度的簡化性和概括性

形態高度的簡化性和概括性，指的是形態本質的抽象表現。通過對生物形態或非生物形態的科學分析，結合的我們的生活經驗，均可證明一切形態的本質都是一種內力的運動變化。這種內力運動變化是產生形態的根據。在研究形態時，設計者從知覺和心理角度有意無意地都把形態的內力運動變化感受為生命活力，再通過形態抽象變化，用點、線、面的運動組合來表現生命活力。因此，形式上表現為簡化性，而在傳達本質特征上表現為高度的概括性。

這種形式的簡化性和特征的概括性，正好吻合現代工業產品對外觀形態的簡潔性，幾何性以及產品的語意性的要求，因此，它大量的應用于現代產品設計。

2）形態豐富的聯想性和想象性

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

3）同一具象形態的抽象形態的多樣性

設計者在對同一具象形態進行抽象化的過程中，由于生活經驗、抽象方式方法以及表現手法不同，因此抽象化所得形態有多種。

抽象仿生形態應用于產品開發時，在生產和銷售中有以下優點：

1）生產便捷

抽象形態的形式簡潔，這吻合了現代工業產品提倡的簡練幾何外觀的特征，因此，對生產設備并沒有特殊的要求，開發商可以方便快捷的進行生產，這為各種工業產品的仿生生產提供了無限可能。

2）產品形態多樣化

具象形態不勝枚舉，抽象后的形態更是不計其數，這為仿生的工業產品形態的多樣化提供了選擇的可能。

3）滿足不同層次的顧客

抽象形態的聯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品形態的有機、可愛、情趣、親和、運動等特點，同時因聯想和想象不同，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賦予產品的藝術美感和想象空間，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)產品回歸自然

抽象仿生形態的本質特征是由內力運動變化而產生的生命活力。這種特征賦予仿生產品以生命的象征，讓產品回歸自然，建立了人、機器、自然對話的平臺，這種共生的哲學觀合理地構建人造自然和生態自然之間的和諧，增進了人類和自然的統一。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，思想性和藝術性的含量相對低一些；抽象仿生集中于提煉物體的內在本質屬性，是一種特殊的心理加工活動，屬于高層次思維創造活動，它側重揭示物體的理念內涵。在現代仿生設計中，高、新、精、尖的工業產品，更適合用抽象仿生。

2、功能的仿生

人們發現，動植物的某些方面的功能，實際上遠遠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雜的環境中生存與運動，這是因為其運動器官和形體與惡劣復雜環境斗爭進化的結果。植物和動物在幾百萬年的自然進化中，不僅完全適應自然，而且其進化程度接近完美。今天，我們生活在科學技術飛快發展的時代，學習和利用生物系統的優異結構和奇妙的功能，已經成為技術革新和技術革命的一個新方向。許多事實說明，仿生學是發展新技術的金鑰匙。

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

在創造物質文明的過程中，人類常常將生物的某些特性運用到創造發明之中。例如科學家根據蜻蜒的飛行原理研制成功了直升飛機；根據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；又如根據蛙眼原理，科學家利用電子技術制成了雷達系統，能準確快速地識別目標；根據螢火蟲100%的光能轉化效率原理，人類制成的冷光源，將其發光效率提高十幾倍，大大節約了能量。再如仿昆蟲單復眼的構造特點，人類造出了大屏幕模塊化彩電和復眼照相機；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，隨著仿生技術的發展，各種仿生發明會源源不斷地被應用到人類的生活中來。

在創造物質文明過程中，工業設計師該怎樣更好利用仿生發明來創造產品呢？首先，要明確科學家或工程師與工業設計師職責的不同，前者解決物與物之間或物體本身整體與部分之間的關系；后者解決物與人之間的關系，即構建人機對話的平臺。因此，工業設計師實現產品創造的基礎是仿生技術發明的實現。這樣，工業設計師就有兩種方式來更好地利用仿生發明開發產品：

1）科學家先實現成果，工業設計師結合人類的需求轉化為仿生設計

科學家先實現了仿生發明，但由于知識結構的差異，科學家不可能對市場和人的需求有一個全面而準確的定位，就不可能成功將其成果轉化為市場所需求的產品，更不可能創造人性化的人機界面。而工業設計師正好能準確地捕捉到市場需求，結合優秀的仿生發明創造出人們所需求的產品，同時構建友好的人機對話平臺，從而創造更多有價值的產品。

2）工業設計師先提出設想，科學家擇優實現的互動仿生設計

科學家還沒有實現某種仿生發明，工業設計師通過對自然現象的細心觀察和經驗總結，結合對市場需求全面而準確的認識，提出某種產品的構想或概念。科學家擇優實現這種仿生技術，這使得工業設計師創造這種仿生產品成為可能。通過工業設計師和科學家的互動，從而創造有價值的產品。

因此，工業設計師要關注最新的仿生成果，同時也要細心的觀察自然。

3、結構和材料的仿生

隨著仿生學的深入開展，人們不但從外形、功能去模仿生物，而且從生物奇特的結構和肌理中也得到不少啟發。人們在“仿生制造”中不僅是師法大自然，而且是學習與借鑒他們自身內秉的組織方式與運行模式。有的結構精巧，用材合理，符合自然的經濟原則；有些甚至是根據某種數理法則形成的，合乎“以最少材料”構成“最大合理空間”的要求。這些為人類提供了“優良設計”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，這些結構與近代數學家精確計算出來的菱形鈍角109°28’和銳角70°32’完全相同，是最節省材料的結構，且容量大、極堅固，令許多專家贊嘆不止。人們仿其構造用各種材料制成蜂巢式夾層結構板，強度大、重量輕、不易傳導聲和熱，是建筑及制造航天飛機、宇宙飛船、人造衛星等的理想材料。

最新科學研究指出，生物體都是由少數很簡單的物質構成的，諸如糖、蛋白質和水之類。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，在結構上的千差萬別，就是由于結構的奇巧精致，形成了各種優越奇特的性能。

解生物體構造的這些奧秘，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構，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，還可以感測并適應周圍環境的變化，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。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，工業設計師也要積極的關注仿生發明中精巧的結構和奇特的材料，并且巧妙地應用這些結構和材料，結合市場的需求創造出人們需求的產品，同時也要細心的觀察自然，提煉自然的精妙，提出更多的構想，為科學家的探索提供更多的思路，從而創造更有價值的仿生成果，為人類創造更加精美更加豐富的產品。

總之，破解生物體結構之謎，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，但是仿生材料的應用前途無量，卻是絕無疑義的。

4、界面仿生

在現代工業產品設計中，單純地從形態、功能、結構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、功能、結構和材料的多個方面來進行仿生設計，而且還從大自然的生存哲學即和諧與共生的角度進行仿生設計，諸如綠色仿生設計，可持續仿生設計等。這種既從自然界的個體表現形式，又從自然界的總體生存理念的仿生設計，與界面設計的功能性設計和情感性設計是相吻合的，因此，我把這歸結為界面仿生設計。

要理解界面仿生設計，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功能，使用戶感覺愉快、興趣增強，從而提高使用效率。

美國學者赫伯特．西蒙提出：設計是人工物的內部環境(人工物自身的物質和組織)和外部環境(人工物的工作或使用環境)的接合。所以設計是把握人工物內部環境與外部環境接合的學科，這種接合是圍繞人來進行的。“人”是設計界面的一個方面，是認識的主體和設計服務的對象，而作為對象的“物”則是設計界面的另一個方面。它是包含著對象實體、環境及信息的綜合體，就如我們看見一件產品、一棟建筑，它帶給人的不僅有使用的功能、材料的質地，也包含著對傳統思考、文化理喻、科學觀念等的認知。“任何一件作品的內容，都必須超出作品中所包含的那些個別物體的表象。”分析“物”也就分析了設計界面存在的多樣性。

因此，為了認識和分析仿生界面設計，可將其分類為：

1）功能性界面仿生

功能性設計界面接受物的功能信息，操縱與控制物，同時也包括與生產的接口，即材料運用、科學技術的應用等等。這一界面的仿生側重于功能、結構和材料的仿生，它反映著設計與人造物的協調作用。

2）情感性界面仿生

情感性設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存在著確定性與不確定性的統一。情感把握在于深入目標對象的使用者的感情，而不是個人的情感抒發。設計師“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揮。這一界面的仿生側重于用形態、色彩、肌理等引發心理情感，體現大自然和諧與共生的精神哲學的仿生設計，它反映著設計與人的關系。

如在計算機的設計中，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計；軟件方面廣大的軟件研制人員開發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計。

總之，隨著計算機廣泛應用，它已經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務和生活事務，自然的人機界面與和諧的人機環境已逐步變成信息世界關心的焦點。其他產品同樣如此。因此，仿生設計使產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、未來工業設計中仿生的前景

今天，我們生活在科學技術飛速發展的時代，學習和利用生物系統的優異結構和奇妙的功能，已經成為技術革新和技術革命的一個新方向。許多事實說明，仿生學是發展新技術的金鑰匙。例如研究顯示，不遠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大腦“翻譯”的圖像。他們已發明一種稱為“細胞神經網絡”的電腦微型集成電路，據此將發明仿生“電子眼”可以用來進行類似視網膜功能的圖像處理。又如美國賓夕法尼亞大學醫療中心耳鼻喉科的醫生不久將開展“仿生耳”植入手術，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。他們設想，如果仿照人的神經系統，把它運用到電子計算機上去，就有可能誕生具有高級神經活動的生物計算機，那就是仿生學劃時代的貢獻。所有這些都預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和絢麗多彩的悅人色彩，同時，大自然還無聲地闡釋了自然界的生存哲學——和諧與共生。這種和諧的設計哲學呼吁人類社會與大自然之間的高度和諧統一；共生的設計哲學則呼吁著人與機器、生態自然與人造自然之間建立合理的建構，搭建人與自然、機器共生的對話平臺。

總結

綜上所述，運用仿生性思維進行設計，不僅創造功能完備、結構精巧、用材合理、美妙絕倫的產品，而且賦予產品以生命的象征，讓設計回歸自然，增進人類與自然統一。因此，工業設計師要學會師法自然的仿生性設計思維，創造人、自然、機器和諧共生的對話平臺。

參考文獻：

〔01〕《視覺和仿生學》倪海曙主編知識出版社1985

〔02〕《仿生學縱橫談》邵海忠編著江西人民出版社1981

〔03〕《世界現代設計史》王受之編著中國青年出版社2002

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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，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，仿生學隨之應運而生。仿生學按其屬性可以分為形態仿生、功能仿生、結構材料仿生、色彩仿生和肌理仿生。其中，生物形態的仿生應用最為廣泛。本文正是從仿生學的概念入手，舉例分析生物形態在座椅仿生設計中的應用，并進一步探究生物形態的仿生對現代設計的重要意義。

關鍵詞：

生物形態 仿生 座椅設計 現代設計

中國分類號：JO

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2015）-05-0022-02

仿生學是一門研究生物系統的形態結構和功能性質，并用所獲得的知識為工程技術提供新的思想觀念和解決方案的科學。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象當中學習知識以便繁衍生息。“外師造化，中得心源”，說的就是以自然為師，向自然學習，從自然界中汲取創作養分。人們模仿飛鷹的外形發明了風箏、模仿魚刺的構造發明了骨針、模仿鳥窩的功能在樹上筑巢，用來抵御猛獸的傷害。人類從自然當中獲得了很多生活的靈感，但這些都是對自然生物形態的直接模擬，是初級創造階段，雖然比較粗糙、表面，卻可以看作是仿生的起源，是今天仿生設計得以發展的基礎，也從側面說明人們從很早起就已經會“仿生”了。

1.生物形態在座椅仿生設計中的應用

仿生設計按其屬性可以分為：形態仿生、功能仿生、結構材料仿生、色彩仿生和肌理仿生。其中，形態仿生應用得最常見、最普遍。而在所有形態仿生中，生物形態的仿生最受大眾歡迎。在漢代以前，含有生物形態的器具就已經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，都是在燈具設計中融入了生物形態元素，不僅在當時轟動一時、頗受歡迎，而且流傳到現代也是十分經典的作品。其后，隨著丹麥家具設計大師雅各布森的蛋椅、蟻椅、孔雀椅的大獲成功，將生物形態應用到座椅設計中這一趨勢變得更加流行。

1.1 座椅形狀設計中的仿生

在座椅形狀的設計中，生物形態仿生按照相似程度通常可以分為具象仿生、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，力求通過逼真的色彩和造型，真實地再現生物的特征，達到惟妙惟肖的效果。在椅子設計中，有的設計師就大膽沿用了生物的整體造型進行仿生，如西班牙設計師Maximo Riera。他最近完成了動物座椅系列的設計，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實生活中的“一模一樣”，更在此基礎之上保持了動物應有的活力，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了野生動物獨有的美麗，它們可以兇悍，但也可以可愛，更應該生動。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外，椅子的局部造型也被很多設計師設計成動物的一部分。Hybrid是設計師Merve Kahramans設計的一款融合了兔子和雄鹿造型的椅子（見圖4），椅子背部設計了鹿角形狀作為裝飾，看起來氣勢磅礴。在椅子腿的設計上，巧妙地借鑒了雄鹿的四肢結構，使設計本身更加有趣。

抽象仿生是指將生物形態、色彩等特征概括、提煉，用簡潔的設計語言將其表達，以形寫神，經過夸張組合變形后依舊能保持動物的本質特征，讓人一目了然。設計師Wilson Ninoercheng設計的一種青蛙椅，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計。類似的設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。隨著仿生學的發展，在形態仿生的門類里又多了一項內容：意象仿生。寓“意”于“象”，通過客觀物體來表達感情，就是文學里常說的借物抒情，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、散文中作者經常通過象來抒發自己的感情表達自己的志向。在設計中，設計師也同樣通過在產品中注入文化元素、感情元素等一系列元素，賦予產品象征性的意義，給人們帶來超出產品形狀之外的聯想，讓人們對產品產生相應的理解和感情。例如，享譽世界的巴黎地鐵入口設計師赫克托?吉馬德，雖然他是新藝術風格的代表人物，但在他的設計主張中，我們卻可以看到仿生設計的影子。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。”正和仿生設計所強調的取法自然的目的一致，這些想法也表現在他的設計之中。他曾經設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，椅子背部設計成三根枝權支起的模樣，遠觀好像某種脊椎動物的背部，由曲線構成給人一種向上的感覺。椅子雖然普通，但傳達出的動態和生長的感覺，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 座椅裝飾設計中的仿生

大部分座椅仿生設計都是應用在外觀造型上，但是也有一些仿生應用在座椅的裝飾設計上。有的是在椅子背部裝飾紋樣上采用生物形態的仿生。最典型的代表是馬克穆多設計的椅子背部。整個椅子的外觀造型雖然平凡無奇，但背部的花紋設計卻極其引入注目。這把椅子繼承了新藝術風格的設計特點，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，流動于嚴謹的椅子邊框之中，遠遠望去，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，十分可愛。尤其是椅子背部的裝飾，借鑒了鹿角的形態，使椅子在原來的基礎之上更栩栩如生、趣味性十足。

2.生物形態的仿生對現代設計的影響和意義

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

2.1 生物形態的仿生能喚起人們的環保意識

人和自然本就是一體。將生物形態應用到產品設計中，會激發人本性的情感，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。尤其在兒童座椅設計中，更可以把那些瀕臨滅絕和已經滅絕的生物形態加入其中，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生憐愛之情，使他們產生保護自然的動力。孩子是祖國的未來，只有從孩子抓起，才能從根本上激發全民族要保護自然的決心。

2.2 生物形態的仿生產品更具親和力、人性化

科技飛速發展，給人們帶來優越生活的同時，也讓人們產生了巨大的壓力。人們每天奔走于工作生活之間，還要應付各種應酬，父母的健康、自己的事業、孩子的學業……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品對消費者來說，是沒有感情和冷酷的。人們需要的是關心、關愛和被關懷。具有生物形態的產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。

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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明的“軟光刻”技術。其生產過程是：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。懷特賽德斯認為，這是一個非常成功的技術，它具有很高的分辨率，模型相當小巧，但在批量化生產之前成本比較昂貴。

軟光刻技術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在模型內部形成空腔通道。當通入空氣時，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、軀干以及內部結構來看，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；一層質地結實、堅不可摧。當空氣注入后，具有彈性的肢體會不停地像氣球一樣膨脹、伸展和收縮。當收縮彎曲時，借助肢體與周圍摩擦力作用產生的橫推力，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，但實現這種運動是很不尋常的。在這些看似四肢很簡單的驅動下，從中你會看到非常有趣的運動。”他指出，雖然這種機器人的運動和構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，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”，以此產生一系列的運動。結合步態的調整，比如說在低強度下擠壓時，軟體機器人所表現出的抗壓能力，硬體機器人一般難以達到。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，他的團隊已經制造出了可以攜帶有效載荷的機器人模具，大小是現在的2倍。“如果你想讓它攜帶傳感器，那么這個東西必須能吸附在它身上。”為此，懷特賽德斯團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出的抗壓能力，硬體機器人一般難以達到。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。結果科學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，并且在大多數情況下，每次穿過所花的時間不到1分鐘。

懷特賽德斯認為，這種軟體機器人作為外科手術工具，為受損肌體組織進行修復。步行機器人在凹凸不平的地面行走是相當穩健的，可以在危險環境中進行目標搜索和救援行動。現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。