(高清版)GBT 42444-2023 仿生学 术语、概念与方法论

国家标准化管理委员会国家市场监督管理总局发布国家标准化管理委员会 I Ⅱ 1 34.1仿生学的本质 34.2与相关科学的界限和交叉领域 44.3仿生产品及仿生流程 4 5 5 65.3仿生学的局限性 6 7 76.2新思想的开发 86.3抽象和类比 6.4从计划阶段到发明阶段 7仿生学创新方法的实施 附录A(资料性)示例 A.2仿生蜘蛛丝 A.3进化算法 A.4鳍条 A.5荷叶效应 A.7新艺术风格 A.8斐波纳契序列 A.9奥林匹亚屋顶 21IⅡ域的思想是仿生学的核心内容(见第4章仿生学的内涵)。纵观历史，仿生学的发展可分为以下几个阶段：约在20世纪50年代，以模型为基础的仿生学被的原理转化到技术设计中。20世纪60年代左右，由于受到控制论的影响，仿生学的两大支柱(生物学素——知识的转化奠定了重要基础。自1980年以来，仿生学已经延伸至微米和纳米尺度(例如荷叶效应的内容)2。测量和制造技术新方法的出现是实现这些拓展的关键。特别是20世纪90年代以来，由如今，仿生学日益被视为是一门已在产品与技术方面取得了众多创它们如何应用于技术却并非易事。这种差异是它1仿生学术语提供了框架。同时，给出了从新思想开发到将仿生学方法应用到文件还阐述了仿生学作为一种创新方法或可持续发展策略的潜力和局限性。学在不同领域的应用，并描述了仿生学研发方法与经典研发形式的区别。如果一个技术系统是按照本本文件为仿生应用提供了合理的框架，旨在为仿生学领域工作的科学家和工程师提供一种通用的根据对某个特定对象的观察得出一般性结论的采用适当的方法将生物或技术系统分解成各个组成部分，然后对各个部分进生物工程bioengineering2发明invention3可持续性sustainability可持续性发展sustainabledevelopment通过对生物原理的转化和应用，使现有的功能性技术产品获得新功能或改进功能的仿生学开发仿生学的成功应用主要体现在其将生物学知识和想法转化到技术或其他创新领域中，即受自然启得到充分的展现。因为在这种情况下，新思想的开发往往停留在寻找生物系统和技术问题之间明显相仿生学的创新过程始于将生物系统与特定的技术问题联系起来，其特点是它将对生物学领域知识尤为重要。在机体生物学的框架下，这些关系主要来源于功能形态学分析。一个成功的仿生流程的关键部分就是生物研究与产品和流程的开发工程之间的接口设计。仿生学不但将抽象的生物学成果转化4目已证明了这一点[](见表1和附录A中A.2)。 已将生物系统抽象为模型：5如何形成的仿生产品准则结论：是否属于1.生物系统的功能分析2.从系统到系统情况下的转化和应用计算机辅助优化设计(见A.1)技术拉动十十十是仿生蜘蛛丝(见A.2)生物学推动十十十十进化(见A.3)技术拉动十十十是鳍条结构(见A.4)生物学推动十十十是荷叶效应(见A.5)生物学推动十十十是自锐刀具(见A.6)技术拉动十十十是新艺术(见A.7)+/一一否斐波纳契序列(见A.8)+/一否慕尼黑的奥林匹亚屋顶(见A.9)自主开发否钢筋混凝土(见A.10)十—+/一否EA优化结果(见A.3)十否皂膜类比(见A.11)自主开发一 一否在输入“是”作为结论之前，应满足准则1至准则3的内6面，生物多样性和自然所具有的文化功能(从教学的本质上讲)以及对于这些由于仿生学的固有属性而开辟的另一个机会是仿生学把在传统上不相关的、之前少有接触的科学和技术领域的人员聚集在一起。这创造了交叉学科和跨学科合作的新形式，效的跨学科方法和工具。这可能成为复杂系统管理的一个重要基础在长期范围内越来越多地反映自然的想法是合理的。相应地，仿生学至少为我们提供了一种获得更具只有对从生物系统到创新技术产品和过程的整 仿生学是一种补充，而不是替代。工程师们使用的传统设计过程也和改进的基础。已被验证和确立的工程工艺不宜被仿生工艺取代。 生物系统通常以其独特的结构来解决许多并发的挑战。这就形成了极为复杂的结构，为人们 可扩展性：从微观尺度到宏观尺度的转变使设计面临新的约束。一78GB/T42444—2023/IS技术拉动(自上而下)技术推动(自下而上)分析(方法)阶段给出可能的解释。技术过程或产品的设计和制造的最实际的开发工作是在第三阶段进行的。在进行这项开发工作时，所采取步骤的特定顺序因科学学科的不同而有所差异，因此无法指定一个普适的方法。仿生过程的结果是一种以新方案形式出现的只有当仿生产品或仿生过程的发明被成功引入新思想的开发是创造发明的重要步骤。新思想的开发受(已有)知识、对知识和信息的灵活处理和提供了一个有利的起点，由于相关人员相应的专业知识和技能，使他们具有新思想开发的完整图景，还需要将客户和市场作为附加方考虑进来，它们也直接发展新思想的情况(生物学对市场的推动或市场对生物学的拉动)非常少见(见图2)。9【拉动】【拉动】【推动】【推动】生物学【拉动】对市场图3)。功能性、形态学、检验技术可行性、从仿生模产品技术问题原理工程科学的步骤和方法对其进行检验。这些检验的结果被系统性地分类，度或延展性)的信息，或对生物组织的力学性能提供基本的见解。物理分析方法(而能够对待检查的系统进行定量分析，除此之外预测可能的系统状态。通常有必要在分析过程中应用找到类比以及方法代表着可以对一个可能的解决方案进行抽象的描述 一个通过抽象过程得到完整数学公式的例子是计算机辅助优化方法[35以及通过该方法优化的构件。计算机辅助优化方法用于设计具有较高承载能力和较长使用寿命的技术构件。为了实现这个目a)生物系统是生长的树木；b)对复杂的细胞分裂和细胞生长过程进行了抽象；c)该模型已运用于简单的算法并转化到技术应用中(已在产业中被用于优化技术构件)。一个这种仿生产品的例子是整形外科/骨科专用螺钉(见图A.1)。如同所有技术产品，它的整体设GB/T42444—2023/ISO1841000.图A.1整形外科/骨科专用螺钉的计算机辅助优化A.2仿生蜘蛛丝仿生蛛丝模仿了蛛丝蛋白核心的氨基酸序列，是分子仿生学中生物学推动过程的一个范例。顾名思义，这一仿生学的新兴领域聚焦于分子水平的生物材料及其结构要素、相互作用和组装机制，以及将这些方面转化到创新性仿生材料的制造上。因此，对生物系统的抽象需要至少在结构-功能关系或组装机制的任何一个方面上是分子水平的。工程蛛丝蛋白(主要是蜘蛛丝蛋白)的开发以及将其加工成一种特定的材料形态的过程可以被划分为三个不同的步骤：a)分子仿生学；b)重组蛋白生产；c)材料加工。a)分子仿生学。1)生物系统的功能分析：用生物分子方法和基因工程方法分析了某丝型丝蛋白核心结构域的氨基酸组成和序列。在编码结构元素的丝蛋白中，特定的二级结构基序可以被赋予特定的功能，如弹性或结晶度。这些特定的基序被反译回遗传信息(逆转录),从而针对特定b)从系统到模型的抽象：一层附在外露表面上的硬质薄层和在该表面下包覆的构成切割面的更柔软的主体的结合(+);技术拉动过程的一个例子(见第6章)是基于啮齿动物门齿模型的自锐切削工具的开发。啮齿动物门齿前部的牙釉质含量少于其他牙齿(硬度：HV400)。在切割食物时，牙釉质薄层形成了一个外露的时受损更快。结果是，牙釉质保持了高质量的切缘，牙齿甚至可以通过吃东西而重新变得锋利[见图的切缘。到目前为止，虽然还没有一个完整的数学公式来描述这种关系，但这仍然是科学探索的目标4]。无论如何，已抽象的知识为其向现代技术的转化奠定了基础。如今，已经有可能开发出应用于矿物填充塑料线条切割的自锐机械刀片(机刀)。工程师们已能够研制出一种能够久锋利的切割器。切缘半径保持在1pμm左右。与常规切削刀具相比，作用在仿生刀具上的切削力几象牙20)a例如植物和动物(+),例如矿物质(一);在设计上，许多历史上的新艺术时期的设计都是基于从自然界中衍生出来的连续的较大数字之商(当n趋于无穷时)形成了众所周知的黄金比例(X,+1/X,)[42]。基于斐波纳契序列的金色螺旋常常出现在一些动物物种的螺旋状钙质外壳上。这些壳具有与鹦鹉螺相似的螺旋间距。坐落于慕尼黑的奥林匹亚屋顶经常被引用为仿生建筑的一个例子。这个结构的模型是1967年在蒙特利尔举办的世博会上的德国展馆。这两个设计都是基于对一个物理/技术现象的调查，即最小曲面，这种现象是经过对自然界中形态的形成过程的充分调查得出的。奥林匹钢筋混凝土是世界上最重要的复合建筑材料之一。它的结构加固的基底矩阵结构实现了相同的静力学原理。尽管钢筋混凝土是被一个法国钢筋混凝土不能被认为是一种仿生产品。因为在当时，在植物中发现的复合结构原理尚未被抽象出皂膜类比用于确定薄膜在张力下的形状和形式(例如帐篷)。以这种方式同的。皂膜类比仅基于基本的物理原理。在此情况下，本案例未满足表1所要求的“生物系统/模型”[1]BERTLINGJ,PFLAUMHZukunft,StudieimAuftragdesDeutschenBundestagesfürdasBürobeimDeutschenBundestag.FraunhoferUMSICHT,Oberhausen,2005.[2]BARTHLOTTW,NEINHUISC.LotusefturierterOberflachen.Biol.UnsererZeit.1998,28pp.314-321.[3]KESELAB.Bionik.Fischer,Frankfurt,2005.[4]BURTRS.Socialoriginofgoodideas,2003.Draf[5]OERTELD,GRUNWALDA.PotenzialeundAnwendungsperspektivenderBionik,TABArbeits-berichtNr.108.Berlin2006,180[6]VATTAMS,HELMSME,GOELAK.2007.BiologicallyEdu/handle/1853/14346.[7]HAUFF,V.ed.UnseregemeinsameZukunft.DerBrundtlandBerichtderWeltkofürUmweltundEntwicklung.Greven:EggenkampVerlag,1987.[8]NACHTIGALLW.Bionik.Grundlagenschaftler.Springer,Berlin,2002.[9]SPECKT,SPECK0.Process(ed.):DesignandNatureIV,3-11.WITPress,Southampton,2008.[10]OECD.Chmiel,H.,Bioprozesstechnik,UTB1991.OnlineH[11]SCHEIBELT.PrCurr.Opin.Biotechnol.2005,16pp.427-433.[12]APITZK,GEGEM.WasManNaturimUnternehmenanwenden.Gabler,Wiesbaden,1991.[13]NÖLKEM,In:EvolutionII.NullNummer,2004,pp.81-9.14]GODINS.UnleashingtheIdeavirus.http://s/2000Ideavirus.pdf,25.10.2010.[15]DORRAB,LAKEWA.Schneetrichten2006,8p.9.[16]FREYE.DerEinflussbiologischerVorbilderaufdieEntwicklungbionischerMaterialenundTechnologien.Staatsexamenthesis,Freiburg,2008.[17]VONGLEICHA,PADEC,PETSCHOWU,et.al.PotSpringer,Berlin,Heidelberg,FirstEdition,2010,Retrievedfrom/[18]SPECKT,HARDERD,SPECforum,IWBGmbH,VDI-GesellschaftKunststofftechnik.VDIVerlagG[19]VINCENTJF,BOGATYREVAOA,BOGATYREVNR,et.al.Biomimetics:itspracticeandtheory.J.R.Soc.Interface.2006,3(9)pp.471-482.[20]MASSELTERT,BARTHLOTTW,BAUERKURUP.2012):Biomimeticproducts.-In:Y.Bar-Cohen(ed.),Biomimetics:nature-basedinnovation,377-429.CRCPress/Taylor&Franci[21]MOSBRUGGERV,ROTHNEBELSICKAstruktionen,invonGleich,A.:Bionik:OkVerlag,Stuttgart,2001.[22]VONGLEICHA,PADEC,PETSCHOWU,PISSARSKIE.Bionik;AundzukünftigePotenziale,BMBF,2007.2/02,BayerischeAkademiefürNaturschutzundLandschaftspflege(ANL),Laufen/Salzactionsquelle.ShakerVerlag,Aachen,1999.MethodsandTools.Springer,Berlin,Heidelberg,2013.tiseforschung.FdsandTools.nature-basedinnovation,377-429.CRCPress/TayloGroup,BocaRaton,Lon2000.pp.541-550.Lengerich:PabstSciencePublishers,2001.[28]MILWICHM,SPECKT,SPECKO,et.al.Biomimeticsandtechnicaltextgineringproblemswiththehelpofnature'swisdom.-.Am.J.Bot.2006,93pp.1455-1465.[29]VDI6220Part1:2012-12,Biomimetics01.Am.J.Bot.2006,93pp.1455-146thehelpofnatureseforschung.FdsandToolsBerlin:BeuthVerlag.[30]Biomimeticallyoptimizedbranchcapacity.-.TechnicalTextiles.2013,56(5)pp.231-[31]STONERB,WOODKL.Developmentofafunctional2000,122(4)pp.359-370.[32]STONERB,WOODKL.CRAWFORDR.H.Aheuristicmetforproductarchitectures.Des.Stud.2000,21(1)pp.5-31.[33]NAGELRL,MIDHAPA,TINSLEYA,et.al.ExploringtheUseofFunelsinBiomimeticConceptualDesign.J.Mech.Des.2008,130(12)pp.102-121.[34