创新方法之仿生法

【创新故事】苍蝇，被称为“四害”之一，令人讨厌。但科学家却拜苍蝇为师，克服了很多难题，发明了很多新玩意。当前第1页\共有34页\编于星期四\20点1.新型导航仪——振动陀螺仪。家蝇的特别之处在于它的快速飞行技术，这使得它很难被人类抓住。即使在它的后面也很难接近它。那么，它是怎么做到的呢？当前第2页\共有34页\编于星期四\20点昆虫学家研究发现，苍蝇的后翅退化成一对平衡棒。当它飞行时，平衡棒以一定的频率进行机械振动，可以调节翅膀的运动方向，是保持苍蝇身体平衡的导航仪。科学家据此原理研制成一代新型导航仪——振动陀螺仪，大大改进了飞机的飞行性能，可使飞机自动停止危险的滚翻飞行，在机体强烈倾斜时还能自动恢复平衡，即使是飞机在最复杂的急转弯时也万无一失。当前第3页\共有34页\编于星期四\20点2.蝇眼照像机。苍蝇的复眼包含4000个可独立成像的单眼，能看清几乎360度范围内的物体。在蝇眼的启示下，人们制成了由1329块小透镜组成的一次可拍1329张高分辨率照片的蝇眼照像机，在军事、医学、航空、航天上被广泛应用。当前第4页\共有34页\编于星期四\20点【定义】什么是仿生法呢？各种动物和植物伴随着我们度过了成千上万年，但人类有意识地向它们学习却是上世纪中期才开始的。人们往往在遇到难以解决的问题时就开始细心地观察动物和植物，希望能从它们身上找到答案或启示，这种有意识地模仿生物进行创新发明的方法叫仿生法。当前第5页\共有34页\编于星期四\20点我们为什么要认真向生物学习呢？有两点：1.生物身上有太多我们不知道的秘密，而人对未知事物总是充满了好奇。2.我们自己解决不了的问题通过向其他生物学习获得了解决，生物身上有很多的优点，值得我们学习。当前第6页\共有34页\编于星期四\20点我们看一下飞机在研制过程中出现的问题：人们经过长期反复的实践，使飞机不论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类，但是在继续研制更快更高的飞机时，设计师又碰到了一个难题，就是气体动力学中的颤振现象。当飞机飞行时，机翼发生有害的振动，飞行越快，机翼的颤振越强烈，甚至使机翼折断，造成飞机坠落，许多试飞的飞行员因此丧生。当前第7页\共有34页\编于星期四\20点飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究消除有害的颤振现象，经过长时间的努力才找到解决这一难题的方法。就是在机翼前缘的远端上安放一个加重装置，这样就把有害的振动消除了。可是，昆虫早在3亿年以前就飞翔在空中了，它们也毫不例外地受到颤振的危害，经过长期的进化，昆虫早已成功地获得防止颤振的方法。生物学家在研究蜻蜓翅膀时，发现在每个翅膀前缘的上方都有一块深色的角质加厚区——翼眼或称翅痣。如果把翼眼去掉，蜻蜓飞行就变得荡来荡去。实验证明正是翼眼的角质组织使蜻蜓飞行的翅膀消除了颤振的危害，这与设计师高超的发明何等相似。如果早跟蜻蜓学习，问题早就解决了，用不着费那么大的工夫，还有很多飞行员为此付出了生命的代价。所以向生物学习很有价值。当前第8页\共有34页\编于星期四\20点那么如何应用仿生法呢？一、认真观察生物的现象生物身上隐藏着巨大的秘密，让我们来看一下：1.小蚋是翅振速率最快的昆虫，每秒钟可拍打60000万次。2.蚂蚁是力气最大的昆虫，它可支撑其体重300倍的重物。3.跳蚤是跳高冠军，它一跳就是其体长的200倍。这相当于人跳400m高。4.蝗虫是飞行能力最强的昆虫，它可以连续不停地飞行9个小时。5.食量最大的天蛾幼虫，它在出生一个月内可吃掉比其体重重80000倍的东西。6.移动最快的昆虫是热带蟑螂，每秒钟可移动40～43倍体长的距离，相当于人每秒前进130m。7.天蛾是嗅觉最灵敏的昆虫，其雄蛾可以在十几公里以外嗅到雌蛾散发出的气味。虽然雌蛾释放的信息素只有00001mg。当前第9页\共有34页\编于星期四\20点二、联系实际问题创造性地解决仿生工程车蝎子当前第10页\共有34页\编于星期四\20点仿生学-------利用研究出来生物系统的结构和性质为工程技术提供新的设计思想和工作方式。提问：请问在你们的生活中有那些类似的仿生设计呢？请举出三个例子：1、

2、3、

防毒面具蜂窝设计鲨鱼皮肤当前第11页\共有34页\编于星期四\20点举例研究：防毒面具防毒面具从外形上分析其仿生的来源？仿生原理：根据野猪长型鼻子中特殊的生理结构为基础，开发出一种具有防御有毒气体的工具。当前第12页\共有34页\编于星期四\20点举例研究：蜂窝设计蜂窝轮胎蜂窝煤仿生优点：1、质量轻2、刚性高3、节省材料当前第13页\共有34页\编于星期四\20点举例研究：鲨鱼的皮肤海洋杀手------鲨鱼由于它的游泳速度是同类鱼中的最快，原因是因为？当前第14页\共有34页\编于星期四\20点

提速武器——鲨鱼皮泳衣

鲨鱼皮表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使身体周的水流更高效地流过进而实现快速游动。当前第15页\共有34页\编于星期四\20点知识的拓展：仿生设计创造法应用仿照贝壳的形状，建成了悉尼歌剧院，成为著名的地标式建筑。利用变色龙可以随周围环境改变自身颜色的特点，制作出来的户外运动鞋。当前第16页\共有34页\编于星期四\20点飞机飞机的造型源于模仿飞鸟，这不仅仅是因为飞鸟的形态优美，而是其形态上的合理，由于它展开时身体扁平，体积小、重量轻，因而产生的风阻力小，使飞机飞行速度快且飞得高！当前第17页\共有34页\编于星期四\20点直升飞机当前第18页\共有34页\编于星期四\20点潜水艇潜水艇是模仿游鱼，蛙泳是模仿青蛙，形态仿生便是利用具象的自然形态，结合相应的艺术处理手法与设计理念，使之成为一个既有观赏性，又具使用功能的设计作品

当前第19页\共有34页\编于星期四\20点超强粘合剂

几年前，科学家认识到壁虎足垫上数百万个分叉的小刚毛所拥有的神奇力量，正是这种力量让壁虎上演飞檐走壁的绝技。目前，科学家正在研制一系列模仿这种神奇力量的超强粘合剂，用以提高打造爬墙机器人当前第20页\共有34页\编于星期四\20点像海参一样软硬兼备的塑料

当受到惊吓之后，身体柔软的海参会分泌一种特殊化学物质，能够在几秒钟之内将皮肤变硬，此时的皮肤如同一副铠甲。这一软硬兼备的本领为科学家提供了灵感，促使他们研制一种遇水之后即由硬变软的塑料材料。当前第21页\共有34页\编于星期四\20点模仿海鸥的侦察机

美国佛罗里达州大学工程师里克·林德从海鸥身上得到启发，研制出一种能在高层建筑周围寻找出路，同时又可猛扑向林荫大道的远程遥控侦察机，很多现代战场正是由高层建筑和林荫大道构成。当前第22页\共有34页\编于星期四\20点在迅速飞动的各种形状的小动物里，青蛙可立即识别出它最喜欢吃的苍蝇和飞蛾，而对其他飞动着的东西和静止不动景物都毫无反应。弄清了蛙眼的原理和结构，仿生学家就发明了电子蛙眼。青蛙与电子眼当前第23页\共有34页\编于星期四\20点水母顺风耳水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。

当前第24页\共有34页\编于星期四\20点仿鸟设计为高铁降噪

日本新干线高速列车是世界上速度最快的列车之一，每小时的行驶距离接近200英里(约合321公里)。除此之外，由于采用“取经”于猫头鹰羽毛和翠鸟喙的降噪设计，行驶过程也出奇地安静。当前第25页\共有34页\编于星期四\20点萤火虫的特异功能是由它体内所含的荧光素、荧光酶和氧气相互作用的结果。冷光灯当前第26页\共有34页\编于星期四\20点放眼看去，动物在长期进化中逐渐形成了适合生存环境的种种形态，而保持这种形态的骨骼系统在强度、硬度和稳定性等方而是很完美的。仿生建筑的分类骨架形态的建筑结构当前第27页\共有34页\编于星期四\20点昆虫单复眼与生物显微镜高级研究用正置生物显微镜：内置“复眼”照明，使数码成像更为理想。当前第28页\共有34页\编于星期四\20点汽车形态仿生当前第29页\共有34页\编于星期四\20点当前第30页\共有34页\编于星期四\20点蝴蝶形建筑，在建筑形态上仿若一只只蝴蝶，在湖泊与树林之间翩然飞舞。蝶型建筑让建筑在最大比例上向湖泊开放，蝶翅部分由黄金分割的椭圆弧形成，使建筑与自然融为一体，宛若天成。同时因为蝴蝶翅膀与身体形态上的起伏，扩大了户型观景空间，让建筑与艺术完美结合。浅水半岛蝴蝶形建筑当前第31页\共有34页\编于星期四\20点竹笋形建筑竹笋形建筑，其建筑形态仿佛破地向山的竹笋，充满着建筑爆发力。竹笋形建筑中大量的钢架结构出现，使整个建筑体系在浓烈的现代主义风格中