一、“仿生設(shè)計(jì)學(xué)”概念闡釋
仿生設(shè)計(jì)學(xué),亦可稱之為設(shè)計(jì)仿生學(xué)（Design Bionics）,它是在仿生學(xué)和設(shè)計(jì)學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一門新興邊緣學(xué)科，主要涉及到數(shù)學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)、物理學(xué)、控制論、信息論、人機(jī)學(xué)、心理學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)、工程學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)、色彩學(xué)、美學(xué)、傳播學(xué)、倫理學(xué)等相關(guān)學(xué)科。
仿生設(shè)計(jì)學(xué)與舊有的仿生學(xué)成果應(yīng)用不同，它是以自然界萬(wàn)事萬(wàn)物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“結(jié)構(gòu)”等為研究對(duì)象，有選擇地在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)用這些特征原理進(jìn)行的設(shè)計(jì)，同時(shí)結(jié)合仿生學(xué)的研究成果，為設(shè)計(jì)提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途徑。在某種意義上，仿生設(shè)計(jì)學(xué)可以說(shuō)是仿生學(xué)的延續(xù)和發(fā)展，是仿生學(xué)研究成果在人類生存方式中的反映。
仿生設(shè)計(jì)學(xué)作為人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)與自然界的鍥合點(diǎn)，使人類社會(huì)與自然達(dá)到了高度的統(tǒng)一，正逐漸成為設(shè)計(jì)發(fā)展過(guò)程中新的亮點(diǎn)。自古以來(lái)，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類繁多的動(dòng)植物及物質(zhì)存在，它們?cè)诼L(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)。人類生活在自然界中，與周圍的生物作“鄰居”，這些生物各種各樣的奇異本領(lǐng)，吸引著人們?nèi)ハ胂蠛湍７隆Ｈ祟愡\(yùn)用其觀察、思維和設(shè)計(jì)能力，開始了對(duì)生物的模仿，并通過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)，制造出簡(jiǎn)單的工具，增強(qiáng)了自己與自然界斗爭(zhēng)的本領(lǐng)和能力。
二、仿生設(shè)計(jì)的歷史
自古以來(lái)，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù)原理及重大發(fā)明的源泉。生物界有著種類繁多的動(dòng)植物及物質(zhì)存在，它們?cè)诼L(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中，為了求得生存與發(fā)展，逐漸具備了適應(yīng)自然界變化的本領(lǐng)。人類生活在自然界中，與周圍的生物作“鄰居”，這些生物各種各樣的奇異本領(lǐng)，吸引著人們?nèi)ハ胂蠛湍７�。人類運(yùn)用其觀察、思維和設(shè)計(jì)能力，開始了對(duì)生物的模仿，并通過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)，制造出簡(jiǎn)單的工具，增強(qiáng)了自己與自然界斗爭(zhēng)的本領(lǐng)和能力。
人類最初使用的工具——木棒和石斧，無(wú)疑是使用的天然木棒和天然石塊；骨針的使用，無(wú)疑是魚刺的模仿……所有這些工具的創(chuàng)造、生活方式的選擇都不能說(shuō)是人類憑空想象出來(lái)的，只能說(shuō)是對(duì)自然中存在的物質(zhì)及某種構(gòu)成方式的直接模擬，是人類初級(jí)創(chuàng)造階段，也可以說(shuō)是仿生設(shè)計(jì)的起源和雛形，它們雖然是比較粗糙的、表面的，但卻是我們今天得以發(fā)展的基礎(chǔ)。
在我國(guó)，早就有著模仿生物的事例。相傳在公元前三千多年，我們的祖先有巢氏模仿鳥類在樹上營(yíng)巢，以防御猛獸的傷害；四千多年前，我們的祖先“見飛蓬轉(zhuǎn)而知為車”，即見到隨風(fēng)旋轉(zhuǎn)的飛蓬草而發(fā)明輪子，做有裝成輪子的車。古代廟宇中大殿之前的山門的建造，就其建筑結(jié)構(gòu)來(lái)看，頗有點(diǎn)像大象的架勢(shì)，柱子又圓又粗，仿佛像大象的腿。
我國(guó)古代勤勞勇敢的勞動(dòng)人民對(duì)于絢麗的天空、翱翔的蒼鷹早就有著各種美妙的幻想。根據(jù)秦漢時(shí)期史書記載，兩千多年前，我國(guó)人民就發(fā)明了風(fēng)箏，并且應(yīng)用于軍事聯(lián)絡(luò)。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代，魯國(guó)匠人魯班，本名公輸般，首先開始研制能飛的木鳥；并且他從一種能劃破皮膚的帶齒的草葉得到啟示而發(fā)明了鋸子。據(jù)《杜陽(yáng)雜編》記載，唐朝有個(gè)韓志和，“善雕木作鸞、鶴、鴉、鵲之狀，飲啄動(dòng)靜與真無(wú)異，以關(guān)戾置于腹內(nèi)，發(fā)之則凌云奮飛，可高達(dá)三丈至一二百步外，始卻下�！蔽鳚h時(shí)期，有人用鳥的羽毛做成翅膀，從高臺(tái)上飛下來(lái)，企圖模仿鳥的飛行。以上幾例，足以說(shuō)明我國(guó)古代勞動(dòng)人民對(duì)鳥類的撲翼和飛行，進(jìn)行了細(xì)致的觀察和研究，這也是最早的仿生設(shè)計(jì)活動(dòng)之一。明代發(fā)明的一種火箭武器“神火飛鴉”，也反映了人們向鳥類借鑒的愿望。
我國(guó)古代勞動(dòng)人民對(duì)水生動(dòng)物——魚類的模仿也卓有成效。通過(guò)對(duì)水中生活的魚類的模仿，古人伐木鑿船，用木材做成魚形的船體，仿照魚的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓，由此取得水上運(yùn)輸?shù)淖杂�。后�?lái)隨制作水平提高而出現(xiàn)的龍船，多少受到了不少動(dòng)物外形的影響。古代水戰(zhàn)中使用的火箭武器 “火龍出水”，多少有點(diǎn)模仿動(dòng)物的意思。以上事例說(shuō)明，我國(guó)古代勞動(dòng)人民早期的仿生設(shè)計(jì)活動(dòng)，為開發(fā)我國(guó)光輝燦爛的古代文明，創(chuàng)造了非凡的業(yè)績(jī)。
外國(guó)的文明史上，大致也經(jīng)歷了相似的過(guò)程。在包含了豐富生產(chǎn)知識(shí)的古希臘神話中，有人用羽毛和蠟做成翅膀，逃出迷宮；還有泰爾發(fā)明了鋸子，傳說(shuō)這是從魚背骨和蛇的腭骨的形狀受到啟示而創(chuàng)造出來(lái)的。十五世紀(jì)時(shí)，德國(guó)的天文學(xué)家米勒制造了一只鐵蒼蠅和一只機(jī)械鷹，并進(jìn)行了飛行表演。
一八ОΟ年左右，英國(guó)科學(xué)家、空氣動(dòng)力學(xué)的創(chuàng)始人之一—?jiǎng)P利，模仿鱒魚和山鷸的紡錘形，找到阻力小的流線型結(jié)構(gòu)。凱利還模仿鳥翅設(shè)計(jì)了一種機(jī)翼曲線，對(duì)航空技術(shù)的誕生起了很大的促進(jìn)作用。同一時(shí)期，法國(guó)生理學(xué)家馬雷，對(duì)鳥的飛行進(jìn)行了仔細(xì)的研究，在他的著作《動(dòng)物的機(jī)器》一書中，介紹了鳥類的體重與翅膀面積的關(guān)系。德國(guó)人亥姆霍茲也從研究飛行動(dòng)物中，發(fā)現(xiàn)飛行動(dòng)物的體重與身體的線度的立方成正比。亥姆霍茲的研究指出了飛行物體身體大小的局限。人們通過(guò)對(duì)鳥類飛行器官的詳細(xì)研究和認(rèn)真的模仿，根據(jù)鳥類飛行機(jī)構(gòu)的原理，終于制造了能夠載人飛行的滑翔機(jī)。
后來(lái)，設(shè)計(jì)師又根據(jù)鶴的體態(tài)設(shè)計(jì)出了掘土機(jī)的懸臂，在一戰(zhàn)期間，人們從毒氣戰(zhàn)幸存的野豬身上中獲得啟示，模仿野豬的鼻子設(shè)計(jì)出了防毒面具。在海洋中浮沉靈活的潛水艇又是運(yùn)用了哪些原理？雖然我們無(wú)據(jù)考察潛艇設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)潛艇時(shí)是否請(qǐng)教了生物界，但是不難設(shè)想，設(shè)計(jì)師一定懂得魚鰾是魚類用來(lái)改變身體同水的比重，使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陸兩棲動(dòng)物，體育工作者就是認(rèn)真研究了青蛙在水中的運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)，總結(jié)出一套既省力、又快速的游泳動(dòng)作——蛙泳。另外，為潛水員制作的蹼，幾乎完全按照青蛙的后肢形狀做成，這就大大提高了潛水員在水中的活動(dòng)能力。
三、仿生設(shè)計(jì)的發(fā)展
到了近代，生物學(xué)、電子學(xué)、動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的發(fā)展亦促進(jìn)了仿生設(shè)計(jì)學(xué)的發(fā)展。以飛機(jī)的產(chǎn)生為例：
在經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次模仿鳥類的飛行失敗后，人們通過(guò)不泄的努力，終于找到了鳥類能夠飛行的原因：鳥的翅膀上彎下平，飛行時(shí)，上面的氣流比下面的快，由此形成下面的壓力比上面的大，于是翅膀就產(chǎn)生了垂直向上的升力，飛的越快，升力越大。
1852年，法國(guó)人季法兒發(fā)明了氣球飛船；1870年，德國(guó)人奧托.利連塔爾制造了第一架滑翔機(jī)。利連塔爾是十九世紀(jì)末的一位具有大無(wú)畏冒險(xiǎn)精神的人，他望著家鄉(xiāng)波美拉尼亞的鸛用笨拙的翅膀從他房頂上飛過(guò)，他堅(jiān)信人能飛行。1891年，他開始研制一種弧形肋狀蝙蝠翅膀式的單翼滑翔機(jī)，自己還進(jìn)行試飛；此后五年，他進(jìn)行了2000多次滑翔飛行，并同鳥類進(jìn)行了對(duì)比研究，提供了很有價(jià)值的資料。資料證明：氣流流經(jīng)機(jī)翼上部曲面所走路程，比氣流流經(jīng)機(jī)翼下平直表面距離較長(zhǎng)，因而也較快，這樣才能保證氣流在機(jī)翼的后緣點(diǎn)匯合；上部氣流由于走的較快，它就較為稀薄，從而產(chǎn)生強(qiáng)大吸力，約占機(jī)翼升力的三分之二大��；其余的升力來(lái)自翼下氣流對(duì)機(jī)翼的壓力。
19世紀(jì)末，內(nèi)燃機(jī)的出現(xiàn)，給了人類有史以來(lái)一直夢(mèng)寐以求的東西：翅膀。不用說(shuō)這種翅膀是笨拙的、原始的和不可靠的，然而這卻是使人類能隨風(fēng)伴鳥一起飛翔的翅膀。
萊特兄弟發(fā)明了真正意義上的飛機(jī)。在飛機(jī)的設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，怎樣使飛機(jī)拐彎和怎樣使它穩(wěn)定一直困繞著他們。為此，萊特兄弟又研究了鳥的飛行。例如，他們研究鶙鵳怎樣使一只翅膀下落，靠轉(zhuǎn)動(dòng)這只下落的翅膀保持平衡；這只翅膀上增大的壓力怎樣使鶙鵳保持穩(wěn)定和平衡。這兩個(gè)人給他們的滑翔機(jī)裝上翼梢副翼進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，由地面上的人用繩控制，使之能轉(zhuǎn)動(dòng)或彎翹。他們的第二個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)是用操縱飛機(jī)后部一個(gè)可轉(zhuǎn)動(dòng)的方向舵來(lái)控制飛機(jī)的方向，通過(guò)方向舵使飛機(jī)向左或向右轉(zhuǎn)彎。
后來(lái)，隨著飛機(jī)的不斷發(fā)展，它們逐漸失去了原來(lái)那些笨重而難看的體形，它們變的更簡(jiǎn)單，更加實(shí)用。機(jī)身和單曲面機(jī)翼都呈現(xiàn)出象海貝、魚和受波浪沖洗的石頭所具有的自然線條。飛機(jī)的效率增加了，比以前飛的更快，飛的更高。
到了現(xiàn)代，科學(xué)高度發(fā)展但環(huán)境破壞、生態(tài)失衡、能源枯竭，人類意識(shí)到了重新認(rèn)識(shí)自然，探討與自然更加和諧的生存方式的高度緊迫感，亦認(rèn)識(shí)到仿生設(shè)計(jì)學(xué)對(duì)人類未來(lái)發(fā)展的重要性。特別是一九六Ο年秋，在美國(guó)俄亥俄州召開了第一次仿生學(xué)討論會(huì)，成為仿生學(xué)的正式誕生之日。
此后，仿生技術(shù)取得了飛躍的發(fā)展，并獲得了廣泛的應(yīng)用。仿生設(shè)計(jì)亦隨之獲得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，一大批仿生設(shè)計(jì)作品如智能機(jī)器人、雷達(dá)、聲納、人工臟器、自動(dòng)控制器、自動(dòng)導(dǎo)航器等等應(yīng)運(yùn)而生。
近代，科學(xué)家根據(jù)青蛙眼睛的特殊構(gòu)造研制了電子蛙眼，用于監(jiān)視飛機(jī)的起落和跟蹤人造衛(wèi)星；根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理仿照鴨子頭形狀而設(shè)計(jì)的高速列車；模仿某些魚類所喜歡的聲音來(lái)誘捕魚的電子誘魚器；通過(guò)對(duì)螢火蟲和海蠅地發(fā)光原理的研究，獲得了化學(xué)能轉(zhuǎn)化為光能的新方法，從而研制出化學(xué)熒光燈等等。
目前，仿生設(shè)計(jì)學(xué)在對(duì)生物體幾何尺寸及其外形的模仿同時(shí)，還通過(guò)研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞等各種優(yōu)異特征，并把它運(yùn)用到技術(shù)系統(tǒng)中，改善已有的工程設(shè)備，并創(chuàng)造出新的工藝、自動(dòng)化裝置、特種技術(shù)元件等技術(shù)系統(tǒng)；同時(shí)仿生設(shè)計(jì)學(xué)為創(chuàng)造新的科學(xué)技術(shù)裝備、建筑結(jié)構(gòu)和新工藝提供原理、設(shè)計(jì)思想或規(guī)劃藍(lán)圖，亦為現(xiàn)代設(shè)計(jì)的發(fā)展提供了新的方向，并充當(dāng)了人類社會(huì)與自然界溝通信息的“紐帶”。
對(duì)人腦的探索，可以展望未來(lái)的電子計(jì)算機(jī)有可能具有生物原理的功能。同它相比，現(xiàn)在的電子計(jì)算機(jī)只能作為算盤。
對(duì)植物光合作用的研究，將為延長(zhǎng)人類的壽命、治療疾病提供一個(gè)嶄新的醫(yī)學(xué)發(fā)展途徑。
對(duì)生物體結(jié)構(gòu)和形態(tài)的研究，有可能使未來(lái)的建筑、產(chǎn)品改變模樣。使人們從“城市”這個(gè)人造物理環(huán)境中重新回歸“自然”。
信天翁是一種海鳥，它具有淡化海水的器官——“去鹽器”。對(duì)其“去鹽器”的結(jié)構(gòu)及其工作原理的研究，可以啟發(fā)人們?nèi)ジ纳婆f的或創(chuàng)造出新的海水淡化裝置。
白蟻能把吃下去的木質(zhì)轉(zhuǎn)化為脂肪和蛋白質(zhì)，對(duì)其機(jī)理的研究，將會(huì)對(duì)人工合成這些物質(zhì)有所啟發(fā)。
同時(shí)仿生設(shè)計(jì)亦可對(duì)人類的生命和健康造成巨大的影響。例如人們可以通過(guò)仿生技術(shù)，設(shè)計(jì)制造制造出人造器官，如血管、腎、骨膜、關(guān)節(jié)、食道、氣管、尿道、心臟、肝臟、血液、子宮、肺、胰、眼、耳以及人工細(xì)胞。專家預(yù)測(cè)，在本世紀(jì)中后期，除腦以外人的所有器官都可以用人工器官代替。例如，模擬血液的功能，可以制造、傳遞養(yǎng)料及廢物，并能與氧氣及二氧化碳自動(dòng)結(jié)合并分離的液態(tài)碳?xì)浠衔锶斯ぱ荒M腎功能，用多孔纖維增透膜制成血液過(guò)濾器，也就是人工腎；模擬肝臟，根據(jù)活性碳或離子交換樹脂吸附過(guò)濾有毒物質(zhì)，制成人工肝解毒器；模擬心臟功能，用血液和單向?qū)?qū)動(dòng)裝置，組成人工心臟自動(dòng)循環(huán)器。
隨著對(duì)宇宙的開發(fā)、認(rèn)識(shí)，又將使人類不但認(rèn)識(shí)宇宙中新形式的生命，而且將為人類提供嶄新的設(shè)計(jì)，創(chuàng)造出地球上前所未有的新的裝置……
四、仿生設(shè)計(jì)學(xué)的特點(diǎn)與研究?jī)?nèi)容
仿生設(shè)計(jì)學(xué)是仿生學(xué)與設(shè)計(jì)學(xué)互相交叉滲透而結(jié)合成的一門的邊緣學(xué)科，其研究范圍非常廣泛，研究?jī)?nèi)容豐富多彩，特別是由于仿生學(xué)和設(shè)計(jì)學(xué)涉及到自然科學(xué)和社會(huì)科學(xué)的許多學(xué)科，因此也就很難對(duì)仿生設(shè)計(jì)學(xué)的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行劃分。這里，我們是基于對(duì)所模擬生物系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中的不同應(yīng)用而分門別類的。歸納起來(lái)，仿生設(shè)計(jì)學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要有：
1、形態(tài)仿生設(shè)計(jì)學(xué) 研究的是生物體（包括動(dòng)物、植物、微生物、人類）和自然界物質(zhì)存在（如日、月、風(fēng)、云、山、川、雷、電等）的外部形態(tài)及其象征寓意，以及如何通過(guò)相應(yīng)的藝術(shù)處理手法將之應(yīng)用與設(shè)計(jì)之中。
2、功能仿生設(shè)計(jì)學(xué) 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(jìn)現(xiàn)有的或建造新的技術(shù)系統(tǒng)，以促進(jìn)產(chǎn)品的更新?lián)Q代或新產(chǎn)品的開發(fā)。
3、視覺仿生設(shè)計(jì)學(xué) 研究生物體的視覺器官對(duì)圖象的識(shí)別、對(duì)視覺信號(hào)的分析與處理，以及相應(yīng)的視覺流程；他廣泛應(yīng)用與產(chǎn)品設(shè)計(jì)、視覺傳達(dá)設(shè)計(jì)和環(huán)境設(shè)計(jì)之中。
4、結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)學(xué) 主要研究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(jì)中的應(yīng)用問(wèn)題，適用與產(chǎn)品設(shè)計(jì)和建筑設(shè)計(jì)。研究最多的是植物的莖、葉以及動(dòng)物形體、肌肉、骨骼的結(jié)構(gòu)。
從國(guó)內(nèi)外仿生設(shè)計(jì)學(xué)的發(fā)展情況來(lái)看，形態(tài)仿生設(shè)計(jì)學(xué)和功能仿生設(shè)計(jì)學(xué)是目前研究的重點(diǎn)。在本文中，還將著重介紹形態(tài)仿生學(xué)和功能仿生設(shè)計(jì)學(xué)的一些情況。
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