仿生学的创新应用研究

仿生学的创新应用研究[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;内容摘要：本文深刻分析了现代工业化发展所碰到的新问题，分析了仿生学在现代社会中的经济作用、仿生学在发明创造经过中发挥的主要作用，侧重论述了仿生学对企业创新投资的指点作用。本文重要论述了下面几方面的论点：〔1〕仿生学的应用产生了越来越多的社会价值，如仿生学的环保价值，可循环利用的价值等。〔2〕通过案例分析了仿生学在社会生产中的典型应用，提出了仿生学的创新应用思维。如研究苍蝇的躲避机理，借鉴其机理并运用到了汽车上，通过摄像头的视觉捕捉，汽车上的仿造苍蝇大脑的智能系统，能够判定这车前的行人车辆和固定障碍物，并通过计算来决定能否要自动刹车来躲避危险，这样的视觉防碰撞系统，在某些情况下可靠性上以至跨越了传统的雷达刹车系统，更好地实现了保卫作用。〔3〕分析了仿生机构及系统的应用研究及仿生学的应用前景。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;本文关键词语：仿生学，低耗高效，潜力，产业[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;Q81A1672-3791〔2018〕02〔b〕-0097-04[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;从第一次工业革命到今天，人类社会一直倍加推崇机械化生产。但事实上，我们对于原料的利用水平仍停留在加热、加压、化学处理之类的做法上。与此同时，人们显然不能忽视这种做法所带来的负面效应，越来越严重的温室效应，导致南北两极的冰山加速溶化。南半球的臭氧空洞使得某些地区的紫外线计量到达了能够致癌的水平，化学加工所产生毒性副产品导致触目惊心的环境污染，另一个无法忽视的事着实于不可再生资源的迅速消耗。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;自从20世纪开始对于资源的争夺成为了战斗的导火索之一。如今，全世界对石油、煤炭和天然气等石化资源的需求量不断增加，但存储量却在不断减少。2013年来自英国石油公司的一份报告指出假使按当年石油日需求量9200万桶来计算的话，全球剩余石油仅够半个世纪使用。在这个人类自以为有史以来最好的时代中，一个不可避免的问题就是发展方式所带来的毁坏性。很多发展是以毁坏既有生态链条为代价的。过度寻求发展而产生的大量排放早就令大天然无法蒙受。而随着时间推移，人类透支大天然造成的毁坏性必将成倍的返还到人类自己身上。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;这一方面的教训已经不少，经过亿万年的演变，大天然以低耗高效的方式连续维持着生态系统的运转。假如人类能从大天然中获得启示，将为人类的发展创始一条资源节约、环境友好型的道路。新黄金时代，可能来自仿生学。在人来以往的工业革命中，经过技术创新，人类的确在生产力方面得到了宏大的提升，但事实上，真正得到改变的是单位时间产品的产出罢了。至于浪费了多少能量与材料，只要不被计入成本，一切都不在人类的考量范围之内。大天然的做法则完全不同，天然选择与进化的结果缘于对资源与能量的极致利用以及对环境所坚持的友好特性。当今世界，固然人类需要迎接来自各个方面的层层挑战，但一个全新的领域蕴藏着宏大的机遇，而且不会毁坏环境，这个行业带来了全新的形式并掀起了一股新时期的淘金潮，这就是仿生学。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;1对仿生学社会价值的分析[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;时至今日，仿生学产业更是拥有着宏大的潜力。和传统生产相比，效仿大天然的仿生�W具备三大优势：[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;〔1〕成本低，不浪费资源，例如纳米技术每次合成的仅仅仅是所需的一个分子，这就意味着没有任何多余的边角料。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;〔2〕污染低，绿色化学就是仿生学的一个分支，其中无论是原材料还是产品副产品都是可降解的。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;〔3〕可循环利用，恰是这些优势使仿生学创始黄金时代成为可能，在2010年，全球投向可连续发展企业的资金便跨越了2000亿美圆，比2009年增加了40%之多。据揣测，到2025年各国利用仿生学所创造的国内生产总值将高达10000亿美圆，其中仅美国一国便可达3000亿美圆。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;届时，仿生学对化工产业、垃圾处理、环境治理三大领域的影响将到达15%。而与此同时建筑业和工程效劳、纺织品生产运输设备和公共设备领域10%的产品都将具备仿生学的特点。在食品产品建筑工程、塑料制品、计算机设备和通信领域，仿生学也将创造5%的产值。以上数字意味着仿生学除了能带来拯救地球环境的社会效应，还蕴藏着真金白银的宏大商机。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;2对仿生学应用案例的分析[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;仿生学早已浸透在生活的方方面面，也许在不经意间已经接触并感遭到了仿生学的宏大魅力。很多人都知道古希腊有个有名的科学家阿基米德，他的阿基米德定律解释了浮力的存在机制，成为了流体力学的基础。而事实上阿基米德也是有史以来最早的仿生学家之一。在前往古埃及亚历山大古城时，阿基米德碰到了一个现实问题，在夏天的烈日下，农民在尼罗河水边使用水桶积水，而这种做法做法低下的效率使得他们只能灌溉很少的土地，怎样解决这一问题呢？阿基米德遭到了海螺壳线条的启发，发明出了一种神奇的水泵，这种水泵中只要一个人造螺旋在水管中迁移转变，借此将尼罗河的水从低处抽到高处。由此干涸的土地得到了充分的滋润。而埃及此后成为整个地中海地区的粮仓，恐怕这一神奇的发明也是功不可没的。这种水泵被冠以阿基米德提水器的名声。和螺壳一样，它的构造简单而坚实，同时也不会由于吸入石子而堵塞。一直到2000多年后的现代社会使用这种原理的设备仍然在世界各地为人民提供种效劳。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;接下来了解一下鲨鱼皮怎么帮助运发动博得世界冠军的：在多数人的概念里，物体外表越光滑，就意味着阻力越小，这似乎已经成为一种常识，然而在2008年的奥运会上，那些驰骋泳道的健将却偏爱一种外表粗糙的连体泳衣。正式这种特殊的泳衣大大的减小了运发动在水中遭到的阻力。进而提升了竞赛成就。在北京奥运会上创造世界记录的25名选手中，有23人穿有鲨鱼皮泳衣。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;作为海洋中的猎食动物霸主，鲨鱼特殊的生理构造使它豪不停歇游动，能力保证不间断的摄入氧气，正由于如此，对于5亿年前就已经出现的鲨鱼来说，怎样降低游动阻力便成为了进化经过中关乎生死存亡的要素。在细心研究鲨鱼表皮的经过中，科学家们惊讶的发现鲨鱼的皮肤并非光洁无暇，而是满是细小的垂直鳞片，这种鳞片被称为盾鳞或复翅，当鲨鱼用鱼鳍或鱼尾在身后拍打出旋涡以推动身体前进时，复翅能够避免身体外表吸附并拖拽水流，进而影响游动的速度，借鉴了上述理念的鲨鱼皮连体泳衣，将运发动们从头到脚都包裹了起来，隔开了水流而应发动的每一次划水，也不再会由于遭到附近水体的拖拽而消耗损费额外的力气，进而减少了3%的阻力，对于动辄零点一秒决定胜负的游泳项目而言，这几个百分点的差异不同往往决定了谁能站在领奖台上手握金牌，笑容绽放，谁又能在背景中黯然落泪。下面看一看蝴蝶的同，蝴蝶的同能够帮助全世界省电80%，蝴蝶的同色彩斑斓，绚丽夺目，的确令人入神。不外，谁又能想到蝴蝶的同将在照明和显示器这两个领域掀起一股改革的狂潮呢？从白炽灯到节能灯，再到发光二极管，随着技术的进步，每个家庭中的照明能耗也在不断降低，假使LED能够普及的话，全世界用于照明的电费便能降低80%之多，这背后的荧光构成机理，启发了科研人员对LED发光二极管进行改良，通过模拟蝴蝶同的发光体系，科学家改良了发光二极管内部的反射构造，进而将发光效率提升了一倍之多。除此之外蝶翼的荧光效果也给显示器的制作带来了灵感，在强烈的阳光下，我们往往会埋怨手机屏幕太过昏暗，难以看清上面的内容，而蝶翼的荧光特性，却能够借助外界的光线来加强其显示效果，假使这项研究最终被运用到显示屏上，那么即使是在烈日的直射之下，手机上的内容也会借助荧光的加强效果，仍然清楚明晰如故。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;说了蝴蝶，让我们再来看一看苍蝇逃命的绝技，它能够帮助我们造出更安全的汽车，不管在世界的哪个角落，苍蝇无疑都是令人生厌的生物，他们会肆无忌惮地落在你的饭菜上，污染的食物，然后便逃之夭夭，更令人恼火的是，每当我们试图拍死苍蝇时，他们的反应老是那么敏捷乖巧，用一技弹跳便躲开了那本来致命的一击，然后好像示威一般继续在我们四周绕来绕去，超等慢动作相机显示，当我们试图拍死苍蝇时，他们就像在跳芭蕾舞一般，灵敏而协调，霎时将腿和身体调整到位，让整个躲避经过在霎那间完成，更为惊人的是，苍蝇的脑袋能够发觉到威胁及其来源方向，然后计算出最佳逃跑路线，并批示身体通过脚尖的旋转跳到安全的地方，而这一切动作只需1/10s。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;研究苍蝇的躲避机理可用之处很大，当前已经有借鉴其机理的设备运用到了汽车上，通过摄像头的视觉捕捉，汽车上的仿造苍蝇大脑的智能系统，能够判定这车前的行人车辆和固定障碍物，并通过计算来决定能否要自动刹车来躲避危险，这样的视觉防碰撞系统，在某些情况下可靠性上以至跨越了传统的雷达刹车系统，更好地实现了保卫作用。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;在许多文化中，莲花都是纯净的象征。在我们国家，宋代〔爱莲说〕里，将这种纯净的特性，描绘叙述为出淤泥而不染，濯清涟而不妖，描绘叙述了荷叶自我清洁的神奇能力。事实上，覆盖在莲花之上的纯粹光环的确不只是文人墨客的想象，而是真实存在的。特殊构造所带来的防水防污效果，直到20世纪80年代末，借助高倍显微镜的帮助，工程师们才弄清楚了荷叶无尘化外表的清洁机制，荷叶外表的微观构造，充斥了几微米大小的突起，在外表张力的作用下，落在荷叶上的水成为了滚来滚去的水珠，不仅不会沾湿荷叶，反而在滚动中将其外表的泥土和灰尘颗粒一起带走。如今，模拟荷叶机理所研发出的涂料和外表构造已经得到了广泛的应用。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;在欧洲，有30多万栋建筑物使用荷叶涂料处理外墙，如此一来，不仅墙面能够在多年内坚持清洁，霉菌和藻�也无从落脚，连绵阴雨天气之下，房屋也能始终坚持着良好的外观，至于户外运动所使用的冲锋衣上，也同样存在着荷叶式的构造，使得衣料能够同时兼顾透气与防水。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;接下来让我们再看一看榴莲是如何帮助我们移民火星的？榴莲的口感绵软甜美，是时下颇受欢迎的水果类型，其特殊的味道也实在使得不同的人群爱憎清楚。在炎炎夏日，品尝着榴莲甜点你能否会想到这种水果将会给将来的火星定居的宇航员提供帮助呢？看过电影〔火星救援〕的朋友们，也许还记得，火星上气密房间破裂时的惊险一幕，空气裹挟着难得珍贵的蔬菜土壤，好像一阵狂风一般冲出房间，消散在了火星近乎真空的微博大气层之中，而主角的命运，也由于这样一次事故，而变得更为凶险起来，事实上，假使马特达蒙的菜地能够以榴莲为构造进行设计的话，这样的情况也许就能够得到避免，不外剧情也就无法进行下去了，在榴莲内部，每个种子都被单独密封在一个个独立的加压器室中，而这些气室相互连接成为一个整体，既能抵御火星上的恶劣条件，还能在不使用钢筋架构的情况下加强建筑物的强度。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;对于绝大多数人来说，打针恐怕不是什么愉快的经历，经历了消毒棉球的摩挲之后，一针入肉，酸痛肿胀的感觉随之而来，根据统计，全球跨越两成的人，在打针的时候会有昏厥或眩晕的感觉，这就是传说中的晕针。不管针头有多细多尖，针尖刺入肌肤时的痛感还是难以抹去，不外真的所有针头都会如此让人痛苦吗？那倒未必，至少，当蚊子用嘴在吃透人的皮肤离开时，红种才会被发现，这个时候蚊子却早已经逃之夭夭了。原来，蚊子进化出了一种高度锯齿状的喙，其形状类似面包刀，在刺入时几乎不会接触到皮肤中的神经，这一点被日本大阪关西大学的科研人员使用到了理论中，他们模拟蚊子喙的形状，发明出了一种用二氧化硅制造的锯齿状针头，其直径仅1/10mm，相当于人类头发的宽度，假使这种无痛针头能够用于血液成分监测的话，就能为数量日渐增加的糖尿病患者带来福音，对他们而言，天天都要进行的血糖检查，无疑是最需避免痛苦的经过。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;3仿生机构与系统的应用[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;仿生机构及系统的制作是以仿生学为指点，在提取天然界生物的优良性能特征基础上，模拟生物的形态、构造、材料和控制原理，设计制作具有生物特征或优异功能的机构或系统的经过。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;例如动物肢体是由骨骼、韧带和肌腱构成，仿生机构及系统是由刚性构件、柔韧构件、仿生构件以及动力元件等人为实物而制成的机械系统。通过运动副或仿生关节的连接，系统各部分在控制系统的批示下，可实现某种水平上模仿特定生物的运动功能。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;仿生机构及系统中的刚性构件是整个机构的基础，是机构中作刚体运动的单元体，决定着机构的自在度数及活动范围；柔韧构件是指弯曲刚度小且不会伸长或缩短的带状构件，这种机构是传统机构学中所没有的，它决定着刚性构件的驱动方式及机构运动确实定性；仿生构件是指那些为模拟生物运动器官的力学特性而增设的，在机构中独立存在，不影响机构的相对运动，只起到改善传动质量的构件；动力元件是指一类能在系统控制下直接对柔韧构件施加张力的动力源，其功能相当于动物的肌肉。人手的功能和乖巧性几乎是不可能复制的，但全球不少生物技术公司正在开发新一代假肢，它能够使假手能够做更精细乖巧的工作。例如，一种轻型人工智能假手FluidHand，它的每个关节都由一个微型液压推动系统提供动力，并在截肢者肢体残端肌肉中植入传感器，通过肌肉张紧松弛的肌电信号控制每个手指的动作，这种推动和控制系统使得手指表现得愈加天然，并使其比一般假肢更具�`活性。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;随着科技、信息和经济的快速发展，以及人们对智能化、人性化和集成化的产品需求迅速增长，仿生机械的功能部件、仿生智能假肢和仿生效劳机器人等功能将得到进一步提升和发展，将在工业、医疗、养老和社会效劳领域得到广泛的应用。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;4仿生学的应用前景[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;以上是仿生学转化为产品或产品理念的一些经典案例，那么仿生学真的能从一个奇思妙想的学科变成一个充斥前途的产业吗？仿生学的变更能为整个人类带来利益吗？毫无疑问，仿生学企业将会面临和传统企业大小不同的困难，不外只要能够很好地把握仿生学企业的特点，投资这种不走寻常路的行为，同样能够带来宏大的经济与社会效益。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;对于那些试图用仿生学改变的传统行业而言，现存的跨国资本集团如同既定航线上急速前行的巨轮，任何方向的改变，动力的更换，都会引起船上乘客的不满，对于那些遭到严密监管的制药企业，以及可望长盛不衰的汽车生产商而言，趋利避害才是第一要务，宏大的现有市场份额，往往使得人们见利忘义，而工程技术人员在职业方面的既得利益，思维惯性，可以能成为难以逾越的一道障碍。正由于如此，为仿生学企业所设立的目的，就是改变行业的方向，重塑整个领域的利益分配与产业构造。相比IT金融来钱快的产业，仿生学需要长期的布局能力带来收益，因此在获利的节拍方面显得稍慢一筹。[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;[1];;;与众不同的创新给仿生学产品带来