海洋贝类是由绝大部分的碳酸钙和极少
量的有机质 (一般少于5)所构成的有 机—无机复合材料，贝壳珍珠层的硬度
是普通文石的2倍，韧性是后者的1000
倍。
Flight mechanisms based on insect flight.(Ellington 1999)
基 于 昆 虫 飞 行 的 飞 行 机 制
建 立 在 荷 叶 表 面 的 自 清 洁 表 面
仿生学的前沿
仿生学的前沿也伴随着科技发展与经济社会的发展而 发展；
仿生学有无止境的前沿!
仿生学未来
1、近四十亿年进化，“物竞天择”的生物世界是技术创 新不可替代、取之不竭的知识宝库和学习泉源； 2、仿生科学有无止境的前沿，正向着微观、系统、智能、 精细、洁净方向发展；
奇异的仿生学
刘燕 教授
吉林大学生物与农业工程学院 吉林大学工程仿生教育部重点实验室
奇异的仿生学
前言
第一章 从模仿到创造
——仿生学的发展
第一节 仿生学的起源
远古时代
人类处于农牧（渔）时代，人类
的祖先模仿蜘蛛网编网捕鱼；受果实 和瓢虫滚动的启发发明轮子……
生 存 — — 自 卫 — — 竞 争
仿生学的发展
工业时代 人们模仿植物和动物结构，创造 新的建筑结构； 模仿鸟的飞翔 发明飞机； 模仿人与动物发明
机器人； 模仿海豚发明潜艇
……
观 察 — — 灵 感 — — 模 仿
仿生学的发展
信息时代 模仿人的运算发明计算机； 模仿生物的信息传感……
分 析 — — 启 示 — — 设 计
仿生学的发展
人类进化只有五百万年的历史， 而生命进 化已经历了近四十亿年的历史。
谢谢各位！
制造仿生产品
营造仿生系统
建造仿生工程
狭义理解—模拟生物制造人工技术制品

创新地设计与制造仿生技术产品：用人工使原材料成为
可供使用的物品。
第三节 仿生学与科技创新的关系
科学与技术创新的动力与源泉

科学：反映现实世界的客观规律的知识体系。
科学研究的动力与源泉来自于： 求知欲、好奇心（事实）；
基 于 蜘 蛛 喷 丝 头 的 挤 出 技 术
蜘蛛丝的理化性质与蚕丝相比，具有
非常明显的优势，在力学强度方面，蜘蛛丝
纤维与强度最高的碳纤维及高强纤维等强度 相接近，但它的韧性明显优于高强纤维。
Self-cleaning surface based on the surface of the lotus leaf.(Barthlott & Neinhuis 1999)
仿生学的含义
仿生学广义的理解是：仿生学这门学科研究生物系统各种各
样
的特征（包括物质、能量、信息等），作为模拟对象逐步改
技术设备并创造新的工艺技术。
善现代
仿生学狭义的理解是：仿生学是研究生物接收、传递、加工 信 息的方法及其机制。作为模拟对象，设计各种各样自控机的 科学。
广义理解—模拟生物（自然）创造人工制品
微型飞行器由于其体积小，有很好的 隐蔽性和机动性，最适于在室内或野外小 范围内进行侦察；也可以攻击载人飞行器
及其它目标。将MFI用于气象数据收集、
环境研究等方面，可大大减少费用。
Extrusion technology based on the spinneret of the spider(Knight & Vollrath 1999)
知识时代 人们模仿生命的微 观结构与功能; 模仿生命的遗传与发育; 模仿人脑的认知; 模仿
生命的协同进化;
……………
模 仿 — — 制 造 — — 创 新

第二节 仿生学的诞生
自然科学的迅速发展，模仿生物创造出来的新仪器、新设 备也日益增多。例如：雷达、响尾蛇导弹、电子计算机等。 生物学、物理学、生物化学、控制论工程等学科相互关 联、相互渗透，使仿生学上升到新的层次。



过 行 功 其
程 为 能 它

形体（形状、构形）
人造的物体：（刻、画、照、摄、录…）、象形文字
雕 刻
绘 画
象形文字
体表：流线形
剑 鱼
海 豚

形态（形貌）
人造花朵：艺术、塑、刻、雕…
人造盆景
人造刻花
雕 塑
表面形态：非光滑、纹理

结
构
几何：欧氏几何（平面、立体、1，2，3维）、非欧几
仿生学标志
仿生学的定义
仿生学可以定义为：研究生物系统的结构、性状、原理、 行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工
作 科 原理和系统构成的技术科学。
仿生学需要生命科学、物质科学、信息科学、脑与认知
学、工程技术、数学与力学以及系统科学的交叉。 仿生学的应用可涉及所有技术领域和大多数应用领域。
何（拓扑、分形、统计）
物理：异相耦合、同相结构

材
料
组成（成分）、组织、结构（宏观、介观、微观）

过
程
短：反应（快速）、动作（体育、武术）
食虫草
跳 高
武 术
长：生长（向日葵）
向日葵
生物进化 地球进化
行
为
多类：a.摄食、躲避、防护；b.社会、个体； c.信息、交流
主要以运动：有位移运动、无位移运动
源于需求与市场竞争的推动。


学习自然，运用规律——发明与创造
科学与技术创新的动力与源泉
科学与技术固然性质与目标不同，但它们仍有共同 和相关之处：

都源于人的创新欲望； 都源于对自然和社会的认知和学习； 科学与技术互为条件，互相促进； 都受到社会需求、社会环境、社会文化的制约和推动。
人的创造欲是科技创新的根本动力，自然和社会 是我们认知和创新服务的对象，也是我们学习的最好老 师。
仿生学的定义
仿生学一词最早是在1960年由美国人斯蒂尔取自拉丁 文“bios”（生命方式）和词尾“nic”（具有……性质 的）合成的，他认为：仿生学是研究模仿生物系统方式 ， 或是以具有生物系统特征的方式，或是以类似于生 方式的系统科学。 物系统
一般认为，1960年全美召开的第一届仿生学讨论会 是仿生学诞生的标志。
鱼鹰捕食
海豹躲在浮游生物群中
蜂 群

功 能
物理：机械、力、声、电、磁、（脱附、减阻、耐磨、降噪）
化学：物化（自洁)、防腐、节能
自适应：自繁殖、自生长、自学习、自修复
生物学：新陈代谢、光合作用、固氮
荷叶自洁外墙漆
牛的新陈代谢
植物的光合作用
（3）创造人工制品：
开发仿生技术 创造性地设计与
（1）生 物：
动物（150多万种）、植物（40多万种）、微 生物
（10万种）
个体、组、群
整体、部分；组织、器官、系统
有利 （2）模 拟： 有益 于人类需求的，对人类社会有好处的 有用 范围：静、动 层次：点、线、面、体、组、群



形 形 结 材
体（形状、构形） 态（形貌） 构 料
T o u g h c e r a m c i s b a s e d o n m o t h e r o f p e a r ( . l J a c k s o n e t a 1 l 9 9 7 )
基 于 珍 珠 母 的 硬 质 陶 瓷
在结构仿生方面最引人注目的是软 体动物的贝壳珍珠层层状结构的仿生。

事物变化规律的探索（规则）；

新方法、新工具与新问题。
科学的目的是求知和求真。
科学与技术创新的动力与源泉
技术的目的在于满足需求和市场的竞争。 其动力与源泉来自：

源于人们实践经验累积与创造欲望； 源于科学发现引发的技术创新，创造的新工艺、新方法、新产品 、 新体系； 源于对自然界生物结构、功能、行为以及相互作用的学习与 模 仿；
近 代 几 个 对 人 类 生 活 具 有 重 要 意 义 的 仿 生 学 成 果
Drag reduction based on dermal riblets on shark skin.(Bechet et al. 1997)
基 于 鲨 鱼 真 皮 肋 间 肌 的 减 阻
鲨鱼皮表面形态
仿鲨鱼皮泳装