标题：动物仿生学
简介
仿生设计学,亦可称之为设计仿生学（Design Bionics）,它是在仿生学和设计学的基础上发展起来的一门新兴边缘学科。
生命、植物等自然形态以其自身的丰富性，向我们展现着无限的美。这种高度感性的美的存在，常被设计师作为借鉴的对象。人类在古老的年代似乎就认识到能从自然生态系统中领悟到自身生存、发展、进步的真谛。人类从蒙昧时代进入文明时代就是在模仿和适应自然规律的基础上发展起来的。回顾中国的古文明史，不难看到人们较早就留下了模仿自然生态的痕迹。从公元前三千多年，我们的祖先巢氏模仿鸟类在树上营巢，到春秋战国时期的鲁班借鉴草叶的齿形边缘设计的第一把木锯，从仰韶文化的以鱼纹为著的动物形象和动物纹样为装饰的半坡彩陶；到现实生活中以各种动物形态为原型的实用器皿，如牛角杯、猪形杯、鹰形壶等。外国的文明史上，也有很多仿生的案例：如泰尔从鱼背骨和蛇的腭骨的形状受到启示发明的锯子；达芬奇设计的最原始的人类第一架飞行器等等。大量的事例记述了人们对自然生命的外在形态和功能创造性模仿。
到了现代，由于人口的不断增加，资源消耗量的不断增大，加上交通、通信事业的飞速发展，人类生产活动和社会活动的范围不断扩大，资源开发利用突破了区域界限和国界，资源配置向国际化和全球性发展。由此而引起了一系列的全球性问题：环境破坏、生态失衡、能源枯竭，人类意识到重新认识自然，探讨与自然更加与谐的生存方式的高度紧迫感，亦认识到仿生设计学对人类未来发展重要性。特别是在一九六Ο年秋，在美国俄亥俄州召开第一次仿生学讨论会，成为仿生学正式诞生之日。此后，仿生技术取得飞跃的发展，并获得广泛的应用。仿生设计亦随之获得突飞猛进发展，一大批仿生设计作品如智能机器狗和雷达、声纳、人工脏器、自动控制器、自动导航器等等应运而生。[1]
研究内容
主要涉及到数学、生物学、电子学、物理学、控制论、信息论、人机学、心理学、材料学、机械学、动力学、工程学、经济学、色彩学、美学、传播学、伦理学等相关学科。 [2]
研究对象
仿生设计学与旧有的仿生学成果应用不同，它是以自然界万事万物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“结构”等为研究对象，有选择地在设计过程中应用这些特征原理进行的设计，同时结合仿生学的研究成果，为设计提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途径。在某种意义上，仿生设计学可以说是仿生学的延续和发展，是仿生学研究成果在人类生存方式中的反映。仿生设计学作为人类社会生产活动与自然界的锲合点，使人类社会与自然达到了高度的统一，正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。 [1]
分支与类型
进入二十一世纪，仿生学已成为现代科学技术的前沿和热点领域，受自然和生物启发模仿自然和生物的各种特性而进行的仿生设计也已成为一种设计潮流。仿生设计从广泛的角度理解，分支众多，包括电子仿生设计、机械仿生设计、建筑仿生设计、化学仿生设计、人体仿生设计、分子仿生设计、宇宙仿生设计等。在这里所阐述的主要是与产品设计相关的仿生设计类型，它们分别是：形态仿生（形象仿生、意象仿生）、功能仿生、结构仿生、色彩仿生。[1]
形态仿生
自然界中有各种各样的生物，都有自己独特的形态特征，如蝴蝶翅膀上那精美的图案、骆驼高高的驼峰、大象长长的鼻子笨拙沉重的体态等。各种形态既有区别又有共性，例如同科的种子植物就具有根、茎、叶等共同特征，但同样是叶子，生活环境不同,它们叶子的大小形态也不同,生活在南方多雨环境中的植物,如椰子,油棕等,它们叶子又宽又大,这样使植物可以充分吸收阳光,调节体内水分的含量,而在寒冷或者干旱地区生长的植物,如油松,杨树,仙人掌,光棍树,麻黄等,它们的叶片很小,有的甚至退化成了针状,用以减少风沙危害和水分蒸发,使植物更好的适应生存环境。站在设计的角度，我们要善于归纳各种生物的形态特征，才能进行形态的仿生设计。
根据模仿逼真度的不同，我们把形态仿生分为具象仿生和抽象仿生。
具象仿生，它是一种对模仿对象外在特征的直接模仿与借鉴，以追求设计作品与模仿对象之间外形特征的形式相似性为主要目标的设计手法。具象一般是指人物、动物、植物、风景、静物等客观存在的形态，是根据视觉经验可以识别、辨别的形体，因此，具象仿生强调的是一目了然式的识别性与认同感，基本上模仿对象的全部主要特征，使产品的形态具有情趣，活泼可爱。这种方式多运用在玩具、工艺品、简单的日常生活用品的设计中。
抽象仿生，它是一种对模仿对象的内在神韵或外在形象特征进行提炼、概括的基础上的模仿与借鉴，强调的是神似，甚至是在似与不似之间的微妙把握。
抽象仿生的形态具有高度的简化性和概括性，在研究形态时，设计者从知觉和心理角度将形象特征进行提炼、概括，再通过形态抽象变化，用点、线、面的组合来再现模仿对象。因此，在形态上表现出简化性和概括性。这种形态的简化性和概括性，正好吻合现代工业产品的要求，因此，它大量的应用于现代产品设计。
抽象仿生的形态具有丰富的联想性和想象性，抽象仿生形态作用于人时，产生的“心理”形态需要生活经验的积累，经过联想和想象才浮现在脑海中。因此，它充分地释放了人无限想象力。同时因人的生活经验不同，因此经过个人主观喜好联想产生的“心形”也不尽相同，产生形态生命活力的感受自然丰富多彩。
同一具象形态的抽象形态具有多样性，设计者在对同一具象形态进行抽象化的过程中，由于生活经验、抽象方式方法以及表现手法不同，因此抽象化所得到的形态有较大的差异，呈现出丰富多样性的特征。[1]
功能仿生
地球上的各种生物，在几百万年的进化过程中，拥有了适应环境的各种功能，而且其进化程度接近完美。人类模仿生物的功能进行物质改良与创新是一种常用的方法。公元前三千多年，我们的祖先巢氏就懂得模仿鸟类在树上营巢预防猛兽伤害。近代，科学家根据蜻蜓的飞行原理研制成功了直升飞机；根据青蛙眼睛的特殊构造研制了电子蛙眼，用于监视飞机的起落和跟踪人造卫星；根据萤火虫和海蝇的发光原理，获得了化学能转化为光能的新方法，从而研制出化学荧光灯；再如仿昆虫单复眼的构造特点，制造出大屏幕模块化彩电和复眼照相机；仿狗鼻子嗅觉功能，制造出电子鼻，可以检测出极其微量的有毒气体等等令人惊叹的创造。
功能仿生主要是研究生物体和自然界物质存在的功能原理，深入分析生物原形的功能与构造、功能与形态的关系，综合表现在产品形态设计中的方法。[1]
结构仿生
自然界中，很多生物都具有一定的强度、刚度和稳定性的结构，很多结构关系如：一面蜘蛛网、一只蛋壳、一个蜂巢，看似弱小，有时却能承受很大的外力，或抵御强大的风暴。这些巧妙合理的结构关系正逐步被给人们所认识和利用。植物的果实担负着延续种族的任务，亿万年的进化使其果实多呈圆形。圆的外形使它们在较小的空间占用最大的体积来存贮营养，同时使它们对外界的压力如风力等有较大的抵抗力。如花生、核桃等还有着坚硬的外壳，可以保护里面相对娇嫩的果仁。同样地，动物也具有对自然力的适应性，如蛋壳、乌龟壳和贝壳等，都巧妙利用了一定的力学原理。如果你握住一个鸡蛋，即使加力挤压，也很难把它弄破。原来蛋壳的拱形结构与其表面的弹性膜一起构成了预应力结构，在工程上称为薄壳结构。自然界中巧妙的薄壳结构具有各种不同形状的弯曲表面，不仅外形美观，还能够承受相当大的压力。在建筑工程上，人们已广泛采用这种结构，如大楼的圆形屋顶、模仿贝类制造的商场顶盖等。
动物界中，辛勤的蜜蜂被称为昆虫世界里的建筑工程师。它们用蜂蜡建筑的蜂巢的结构由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成，具有结构稳定、用料省和强度高等优点。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。
结构仿生主要是研究生物体和自然界物质存在的内部结构原理在设计中的应用问题，通过研究生物整体或部分的构造组织方式，发现其与产品的潜在相似性进而对其模仿，以创造新的形态或解决新的问题。研究最多的是植物的茎、叶以及动物形体、肌肉、骨骼的结构。因为是在结构原理上的仿生，其仿生借鉴的主要是对象的内在特征，对产品外在造型特征的影响有时非常明显，有时又不是很明显。例如：铲土机的机械臂的工作原理就是模仿螳螂的前臂的结构，实现可以自由伸缩的功能，产品的形态上也留下了直接仿生痕迹。又如：豆荚的结构为人们所熟悉，设计师巧妙的将豆荚一分为二，放大比例关系，设计成一个可爱的果盘，形态逼真而直接。[1]
色彩仿生
色彩是最抽象的语言，当代美国视觉艺术心理学家布鲁莫(Carolyn Bloomer)说：“色彩唤起各种情绪，表达感情，甚至影响我们正常的生理感受。”在产品设计上，色彩不仅具备审美性和装饰性，还具备象征性的符号意义。作为首要的视觉审美要素，色彩深刻地影响着人们的视觉感受和心理情绪。人类对色彩的感觉最强烈、最直接，印象也最深刻。色彩对产品意境的形成有很重要的作用，在设计中色彩与具体的形相结合，使产品更具生命力。
自然界中存在着千姿百态的色彩组合，在这些组合中大量的色彩表现得极其和谐与统一，体现出色彩理论中的各种对比与调和关系，并经过不断的进化适合物种生存的需要。色彩仿生是指通过研究自然界生物系统的优异色彩功能和形式，并将其运用到产品形态设计中。
色彩的掩护作用是一种光学上的掩饰，一种迟缓获取视觉信息的欺骗性伪装。自然界中有很多动物如树叶蝶能随环境的变化迅速改变体色来保护自己的安全，色彩的这种保护、伪装作用首先被人类借鉴于国防工业，陆军的“迷彩服”就是很好的例子，绿色或黄褐色斑点与野战中周围的环境色近似，起到掩护主体对象不易被敌方发现，提高安全性的目的。[1]
用途与应用
蝙蝠和雷达：蝙蝠的嘴巴和鼻子上长着一个怪异的“鼻状叶”结构，周围还有皮肤“皱纹”，这些组成了一种奇特的超声波装置，当蝙蝠发射超声波的时候，超声波碰到飞舞的昆虫就能立刻反射回来，这时，蝙蝠就知道：周围有吃的了。它们只需要快速地行动起来，就能美美地饱餐一顿。蝙蝠的这种本领叫做“回声定位”。在第一次世界大战期间，人们根据蝙蝠的“回声定位”原理发明了雷达，雷达能及时探测出敌机的方位和距离，以便发出警报，然后进行狙击。来自英国利兹大学的研究人员大胆地进行了尝试。他们研制成功一种“蝙蝠拐杖”，这种特殊的拐杖能发出一种人耳听不见的声呐波，通过震动的强弱，帮助盲人探测障碍物的远近。 
苍蝇和照相机：苍蝇的一只复眼是由4000多只小眼组成的，这些小眼睛组成一个蜂窝一样的形状堆积在苍蝇的头两边。复眼对苍蝇的生活来说可重要了，苍蝇身上的许多部分都是与复眼直接相连，复眼看到目标之后，苍蝇就立刻出动，干起新的坏事。可别小看苍蝇的复眼，它们观察物体比我们人类还要仔细和全面。每秒钟闪烁60次的日光灯，你也许根本无法察觉，可是苍蝇却能够不费吹灰之力地看出来。人类对苍蝇眼睛的研究至今，收藏非常丰富。人类对苍蝇眼睛的研究至今，收获非常丰富。美国人根据苍蝇复眼的原理发明了“蝇眼”航空照相机，这种照相机一次能拍摄1000多张高清晰照片。天文学也有一种叫做“蝇眼”的光学仪器，这是一种在无月光的夜晚也能够探测到空气簇射光线的仪器。这种仪器的多镜面光学系统正是根据苍蝇复眼的结构设计的。
蝴蝶和防伪纸币：科学家通过研究大凤蝶发现其翅膀颜色本来是黄色和蓝色的，但是，在一般人看起来，它却是绿色的，这是为什么呢？原来科学家发现在显微镜下：蝴蝶翅膀上有很多很小的下凹的小坑，小坑底是黄色的，而坑的斜坡上是蓝色的，当阳光照射在蝴蝶翅膀上的时候，由于发生光的折射作用，人眼看到的蝴蝶翅膀上的时候，由于发生光的折射作用，人眼看到的蝴蝶就是绿色的。根据这个现象，人们在纸币或信用卡上也设置了许多小坑，这样，无论假币有多么逼真，都难逃光学设备的“法眼”。
萤火虫和人工冷光：萤火虫的发光器拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光酶两种物质。萤火虫的发光，实质上是把这两种物质的化学能转变成光能的过程，这其中要有氧气的参加。萤火虫呼吸的时候，如果氧气越充分，那么萤火素和萤火酶结合之后的复杂变化就会越剧烈，萤火虫发出的光就越强烈。科学家用化学方法人工合成了荧光素。由荧光素和水等一些物质混合而成的生物光源，可在充满爆炸性瓦斯的矿井中充当闪光灯，这种光不会引爆瓦斯。 [3]
发展历史
自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理及重大发明的源泉。生物界有着种类繁多的动植物及物质存在，它们在漫长的进化过程中，为了求得生存与发展，逐渐具备了适应自然界变化的本领。人类生活在自然界中，与周围的生物作“邻居”，这些生物各种各样的奇异本领，吸引着人们去想象和模仿。人类运用其观察、思维和设计能力，开始了对生物的模仿，并通过创造性的劳动，制造出简单的工具，增强了自己与自然界斗争的本领和能力。 
人类最初使用的工具——木棒和石斧，无疑是使用的天然木棒和天然石块；骨针的使用，无疑是鱼刺的模仿……所有这些工具的创造、生活方式的选择都不能说是人类凭空想象出来的，只能说是对自然中存在的物质及某种构成方式的直接模拟，是人类初级创造阶段，也可以说是仿生设计的起源和雏形，它们虽然是比较粗糙的、表面的，但却是我们今天得以发展的基础。 
在中国，早就有着模仿生物的事例。相传在公元前三千多年，我们的祖先有巢氏模仿鸟类在树上营巢，以防御猛兽的伤害；四千多年前，我们的祖先“见飞蓬转而知为车”，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做有装成轮子的车。古代庙宇中大殿之前的山门的建造，就其建筑结构来看，颇有点像大象的架势，柱子又圆又粗，仿佛像大象的腿。 
中国古代勤劳勇敢的劳动人民对于绚丽的天空、翱翔的苍鹰早就有着各种美妙的幻想。根据秦汉时期史书记载，两千多年前，我国人民就发明了风筝，并且应用于军事联络。春秋战国时代，鲁国匠人鲁班，本名公输般，首先开始研制能飞的木鸟；并且他从一种能划破皮肤的带齿的草叶得到启示而发明了锯子。据《杜阳杂编》记载，唐朝有个韩志和，“善雕木作鸾、鹤、鸦、鹊之状，饮啄动静与真无异，以关戾置于腹内，发之则凌云奋飞，可高达三丈至一二百步外，始却下。”西汉时期，有人用鸟的羽毛做成翅膀，从高台上飞下来，企图模仿鸟的飞行。以上几例，足以说明我国古代劳动人民对鸟类的扑翼和飞行，进行了细致的观察和研究，这也是最早的仿生设计活动之一。明代发明的一种火箭武器“神火飞鸦”，也反映了人们向鸟类借鉴的愿望。 
中国古代劳动人民对水生动物——鱼类的模仿也卓有成效。通过对水中生活的鱼类的模仿，古人伐木凿船，用木材做成鱼形的船体，仿照鱼的胸鳍和尾鳍制成双桨和单橹，由此取得水上运输的自由。后来随制作水平提高而出现的龙船，多少受到了不少动物外形的影响。古代水战中使用的火箭武器 “火龙出水”，多少有点模仿动物的意思。以上事例说明，我国古代劳动人民早期的仿生设计活动，为开发我国光辉灿烂的古代文明，创造了非凡的业绩。 外国的文明史上，大致也经历了相似的过程。在包含了丰富生产知识的古希腊神话中，有人用羽毛和蜡做成翅膀，逃出迷宫；还有泰尔发明了锯子，传说这是从鱼背骨和蛇的腭骨的形状受到启示而创造出来的。十五世纪时，德国的天文学家米勒制造了一只铁苍蝇和一只机械鹰，并进行了飞行表演。 
一八ОΟ年左右，英国科学家、空气动力学的创始人之一—凯利，模仿鳟鱼和山鹬的纺锤形，找到阻力小的流线型结构。凯利还模仿鸟翅设计了一种机翼曲线，对航空技术的诞生起了很大的促进作用。同一时期，法国生理学家马雷，对鸟的飞行进行了仔细的研究，在他的著作《动物的机器》一书中，介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。德国人亥姆霍兹也从研究飞行动物中，发现飞行动物的体重与身体的线度的立方成正比。亥姆霍兹的研究指出了飞行物体身体大小的局限。人们通过对鸟类飞行器官的详细研究和认真的模仿，根据鸟类飞行机构的原理，终于制造了能够载人飞行的滑翔机。 
后来，设计师又根据鹤的体态设计出了掘土机的悬臂，在一战期间，人们从毒气战幸存的野猪身上中获得启示，模仿野猪的鼻子设计出了防毒面具。在海洋中浮沉灵活的潜水艇又是运用了哪些原理？虽然我们无据考察潜艇设计师在设计潜艇时是否请教了生物界，但是不难设想，设计师一定懂得鱼鳔是鱼类用来改变身体同水的比重，使之能在水中沉浮的重要器官。青蛙是水陆两栖动物，体育工作者就是认真研究了青蛙在水中的运动姿势，总结出一套既省力、又快速的游泳动作——蛙泳。另外，为潜水员制作的蹼，几乎完全按照青蛙的后肢形状做成，这就大大提高了潜水员在水中的活动能力。[2]
仿生设计发展
到了近代，生物学、电子学、动力学等学科的发展亦促进了仿生设计学的发展。以飞机的产生为例：在经过无数次模仿鸟类的飞行失败后，人们通过不泄的努力，终于找到了鸟类能够飞行的原因：鸟的翅膀上弯下平，飞行时，上面的气流比下面的快，由此形成下面的压力比上面的大，于是翅膀就产生了垂直向上的升力，飞的越快，升力越大1852年，法国人季法儿发明了气球飞船；1870年，德国人奥托.利连塔尔制造了第一架滑翔机。利连塔尔是十九世纪末的一位具有大无畏冒险精神的人，他望着家乡波美拉尼亚的鹳用笨拙的翅膀从他房顶上飞过，他坚信人能飞行。1891年，他开始研制一种弧形肋状蝙蝠翅膀式的单翼滑翔机，自己还进行试飞；此后五年，他进行了2000多次滑翔飞行，并同鸟类进行了对比研究，提供了很有价值的资料。资料证明：气流流经机翼上部曲面所走路程，比气流流经机翼下平直表面距离较长，因而也较快，这样才能保证气流在机翼的后缘点汇合；上部气流由于走的较快，它就较为稀薄，从而产生强大吸力，约占机翼升力的三分之二大小；其余的升力来自翼下气流对机翼的压力。 
19世纪末，内燃机的出现，给了人类有史以来一直梦寐以求的东西：翅膀。不用说这种翅膀是笨拙的、原始的和不可靠的，然而这却是使人类能随风伴鸟一起飞翔的翅膀。 
莱特兄弟发明了真正意义上的飞机。在飞机的设计制作过程中，怎样使飞机拐弯和怎样使它稳定一直困绕着他们。为此，莱特兄弟又研究了鸟的飞行。例如，他们研究鶙鵳怎样使一只翅膀下落，靠转动这只下落的翅膀保持平衡；这只翅膀上增大的压力怎样使鶙鵳保持稳定和平衡。这两个人给他们的滑翔机装上翼梢副翼进行这些实验，由地面上的人用绳控制，使之能转动或弯翘。他们的第二个成功的实验是用操纵飞机后部一个可转动的方向舵来控制飞机的方向，通过方向舵使飞机向左或向右转弯。 
后来，随着飞机的不断发展，它们逐渐失去了原来那些笨重而难看的体形，它们变的更简单，更加实用。机身和单曲面机翼都呈现出象海贝、鱼和受波浪冲洗的石头所具有的自然线条。飞机的效率增加了，比以前飞的更快，飞的更高。到了现代，科学高度发展但环境破*、生态失衡、能源枯竭，人类意识到了重新认识自然，探讨与自然更加和谐的生存方式的高度紧迫感，亦认识到仿生设计学对人类未来发展的重要性。特别是一九六Ο年秋，在美国俄亥俄州召开了第一次仿生学讨论会，成为仿生学的正式诞生之日。 
此后，仿生技术取得了飞跃的发展，并获得了广泛的应用。仿生设计亦随之获得突飞猛进的发展，一大批仿生设计作品如智能机器人、雷达、声纳、人工脏器、自动控制器、自动导航器等等应运而生。 
近代，科学家根据青蛙眼睛的特殊构造研制了电子蛙眼，用于监视飞机的起落和跟踪人造卫星；根据空气动力学原理仿照鸭子头形状而设计的高速列车；模仿某些鱼类所喜欢的声音来诱捕鱼的电子诱鱼器；通过对萤火虫和海蝇地发光原理的研究，获得了化学能转化为光能的新方法，从而研制出化学荧光灯等等。 
仿生设计学在对生物体几何尺寸及其外形的模仿同时，还通过研究生物系统的结构、功能、能量转换、信息传递等各种优异特征，并把它运用到技术系统中，改善已有的工程设备，并创造出新的工艺、自动化装置、特种技术元件等技术系统；同时仿生设计学为创造新的科学技术装备、建筑结构和新工艺提供原理、设计思想或规划蓝图，亦为现代设计的发展提供了新的方向，并充当了人类社会与自然界沟通信息的“纽带”。 
对人脑的探索，可以展望未来的电子计算机有可能具有生物原理的功能。同它相比，电子计算机只能作为算盘。 
对植物光合作用的研究，将为延长人类的寿命、治疗疾病提供一个崭新的医学发展途径对生物体结构和形态的研究，有可能使未来的建筑、产品改变模样。使人们从“城市”这个人造物理环境中重新回归“自然”。 
信天翁是一种海鸟，它具有淡化海水的器官——“去盐器”。对其“去盐器”的结构及其工作原理的研究，可以启发人们去改善旧的或创造出新的海水淡化装置。 
白蚁能把吃下去的木质转化为脂肪和蛋白质，对其机理的研究，将会对人工合成这些物质有所启发。 
同时仿生设计亦可对人类的生命和健康造成巨大的影响。例如人们可以通过仿生技术，设计制造制造出人造器官，如血管、肾、骨膜、关节、食道、气管、尿道、心脏、肝脏、血液、子宫、肺、胰、眼、耳以及人工细胞。专家预测，在本世纪中后期，除脑以外人的所有器官都可以用人工器官代替。例如，模拟血液的功能，可以制造、传递养料及废物，并能与氧气及二氧化碳自动结合并分离的液态碳氢化合物人工血；模拟肾功能，用多孔纤维增透膜制成血液过滤器，也就是人工肾；模拟肝脏，根据活性碳或离子交换树脂吸附过滤有毒物质，制成人工肝解毒器；模拟心脏功能，用血液和单向导通驱动装置，组成人工心脏自动循环器。 随着对宇宙的开发、认识，又将使人类不但认识宇宙中新形式的生命，而且将为人类提供崭新的设计，创造出地球上前所未有的新的装置……[2]