仿生学导论

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丛书名：普通高等教育“十三五”规划教材

• 作者：任露泉，梁云虹著
• 出版时间：2016/12/5
• ISBN：9787030500991
• 出 版 社：科学出版社

适用读者:本书可作为仿生学、生物学、生物医学与健康、生态学、环境科学，以及工程技术等学科的教师、本科生、研究生等

• 中图法分类：Q81 
• 纸张：胶版纸
• 版次：1
• 开本：16K
• 字数：(单位：千字)

内容简介

　　学习、模拟生物与大自然的仿生学是驱动创新的重要途径，其高效、低耗、绿色、可续的仿生理念正成为人类经济发展和社会进步的科学理念与发展模式。今天，仿生学已成为活力*强、发展*快、应用*广的前沿学科之一。《仿生学导论》共14章，除系统介绍和阐述仿生学内涵的演进、仿生学基础理论、基本原则和主要方法与技术外，还通过多个方面的大量比照分析，阐释了生物是人类之师，人类是万物之灵，人类一定要向生物学习，也一定能学好这一仿生学的本源问题。《仿生学导论》具有系统性、前沿性、创新性和趣味性，特别是书中详述了大量生动实例和新研究进展，将会让读者收获颇丰。
　　《仿生学导论》可作为仿生学、生物学、生物医学与健康、生态学、环境科学，以及工程技术等学科的教师、本科生、研究生的教学或科学研究的参考书，也可供相关学科专业的研究人员、技术人员和管理人员参考。


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序 言

　　仿生学是20世纪生物学与技术科学快速发展中产生的一门新兴交叉学科。自诞生以来，仿生学以其可续发展的强大生命力和充满原始创新的无限活力，飞速扩展到自然科学、技术科学和工程科学的众多领域，不仅如此，还拓展到人文社会科学领域，产生重大影响，并得到广泛应用。仿生学已发展成为多学科交叉融合，促进人类进步与发展的大学科。现在，很难举出一个例子说明一个学科、一个领域与仿生学没有关系。而且由于仿生学的发展，还产生了许多新的领域、新的学科。国内外许多高等院校和科研机构不仅开展了多个方向的仿生学研究，还创建了多个仿生分支学科与专业，培养仿生专业人才。许多企业，包括《财富》杂志排名世界100强的大公司也在采取措施，在企业落实仿生学。仿生学不仅是创新之道、创业之道，也是实践高效、低耗、绿色、可续的仿生理念解决经济与环境难题之道。仿生学受到越来越多的关注与重视，吸引越来越多的人去学习、去实践。然而，一直以来国内缺乏对仿生学进行系统性介绍的学术性书籍，而适用于高等院校和科研机构人才培养的仿生学教学用书国内也少见。鉴于此，我们撰写了本书。
　　笔者从事仿生学研究30余载，也担负着硕士生、博士生的指导与教学任务。2005年我校设立了仿生科学与工程硕士学位点和博士学位点，并开设了多门有关仿生学的课程，其中“仿生学导论”由我们承担，但一直未有正式的书面教材。当时也曾承诺撰写《仿生学导论》一书，但只是经过多年对仿生学的学习与积累，以及仿生科研与人才培养的实践与体悟，才在10多年后由任露泉和梁云虹合作完成本书的撰写，实现了夙愿。
　　本书由任露泉构思，拟订全书章节纲目，提供积累的相关资料，并对全书进行了统稿、修改、补充与完善；全书由梁云虹执笔，在国内外不同工作环境中，靠信念与毅力笔耕不辍，历经4年，6易其稿，最终完成初稿。这里要特别感谢李秀娟博士快速完整地多次打印书稿，并与分处国内、国外的作者及时有效沟通，得以如约完成书稿。
　　全书共分14章。
　　第1～3章，介绍了仿生学的基本概念，重点阐述仿生学内涵的演进，仿生学研究的内容、目标、特点与意义，进而对仿生学的分类进行了初步的尝试，最后阐释了仿生学四大基本要素及其之间的关系。主要回答：①什么是仿生学？②为什么要学习、研究仿生学？③仿生学发展的动力何在？④仿生学研究的内容是什么？
　　第4～10章，阐述了仿生学的本源问题：①人类为什么要向生物学习？特别是，为什么把生物、生活、生境和大自然都作为仿生模本？书中阐明，生物在许多方面强于人类，是人类之师，值得人类很好地学习。而生活、生境是仿生学不可或缺的重要仿生资源，大自然的运行机制与演化规律则是人类社会进步与经济发展之必需。②人类向生物学习，能学好吗？答案是，人类是大自然进化出的具有最高智慧的生物，是动物界中智慧思维和学习、掌控能力最强的物种，人类是万物之灵，完全能够向生物学好。
　　第11章，阐述仿生学的发展历程及其前景，回答人类向生物学得如何，亦即仿生学发展得怎样的问题。
　　第12～14章，阐释仿生学的基本原理、基本原则和主要方法与技术，这是进行仿生研究时应遵循的原则、依据的原理和常用的方法与技术。回答今后如何更好地向生物学习，如何更好地进行仿生研究的问题。
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目 录

目录
第1章　仿生学基本概念 1
1.1 仿生学含义 1
1.1.1 定义原则 1
1.1.2 斯蒂尔（J.E.Steele）定义 3
1.1.3 传统定义 3
1.1.4 现代定义 4
1.1.5 仿生学相关定义 6
1.1.6 “仿生学”英文释义 8
1.1.7 工程仿生学 9
1.2 仿生学研究内容 10
1.2.1 生物、生活、生境与大自然 10
1.2.2 工程技术需求 18
1.2.3 仿生转化 19
1.2.4 仿生制品设计与制造 20
1.2.5 仿生成果评价 22
1.3 仿生学研究目标 23
1.3.1 自然发现 23
1.3.2 技术发明 24
1.3.3 工程创造 26
1.3.4 思维创新 27
1.4 仿生学研究特点 28
1.4.1 新兴、前沿 28
1.4.2 学科交叉 28
1.4.3 原创性强、生命力强 28
1.4.4 上、中、下游研究紧密结合 29
1.4.5 可续发展 29
1.5 仿生学研究意义 29
1.5.1 开启向自然学习的新时代 29
1.5.2 加快揭示生物奥秘的步伐 29
1.5.3 促进生物进化优化成果的应用 30
参考文献 30
第2章 仿生学分类 33
2.1 仿生学分类原则 33
2.1.1 传统与现代相结合 33
2.1.2 形式与内容相统一 34
2.1.3 纵向与横向相衔接 34
2.1.4 交叉渗透相融合 35
2.2 从横向联系分类 36
2.2.1 不同领域 36
2.2.2 不同学科 37
2.3 从纵向联系分类 37
2.3.1 不同尺度 37
2.3.2 不同层面 39
2.4 从模拟因素分类 40
2.4.1 单元仿生 40
2.4.2 多元仿生和耦合仿生 40
参考文献 41
第3章 仿生学基本要素 43
3.1 仿生需求 43
3.1.1 需求驱动 43
3.1.2 科学推动 57
3.1.3 任务促动 59
3.2 仿生模本 60
3.2.1 生物模本 60
3.2.2 生活模本 62
3.2.3 生境模本 63
3.3 仿生模拟 64
3.3.1 模拟内容 65
3.3.2 模拟方法 75
3.4 仿生制品 75
3.4.1 非生命仿生制品 75
3.4.2 包含生命组件的仿生制品 76
3.4.3 具有完整生命的仿生制品 78
3.5 仿生学基本要素间的关系 80
参考文献 81
第4章 人类与生物的进化 86
4.1 进化历程 86
4.1.1 人类进化历程 86
4.1.2 生物进化时间 91
4.2 生存空间 103
4.2.1 人类生存空间 103
4.2.2 生物生存空间 103
4.3 物种分类 110
4.3.1 人类 110
4.3.2 生物 111
参考文献 117
第5章 人类与生物的感知 121
5.1 视觉 121
5.2 听觉 125
5.3 嗅觉 126
5.4 味觉 129
5.5 触觉 131
参考文献 134
第6章 人类与生物的控制 136
6.1 控制系统 136
6.1.1 控制器 136
6.1.2 感受器 140
6.1.3 效应器 140
6.2 控制原理 141
6.3 控制成效 142
6.3.1 快速 142
6.3.2 精确 145
6.3.3 高效 146
6.3.4 可靠 149
参考文献 149
第7章 人类与生物的反应 151
7.1 运动 151
7.1.1 有位移运动 151
7.1.2 无位移运动 154
7.2 生物自适应特性 155
7.2.1 自医、互医与自我保健 156
7.2.2 伪装 159
7.2.3 共生与寄生 169
7.2.4 定时、定位、导航 175
7.2.5 休眠 180
7.2.6 耐抗性 182
7.3 生物机械功能特性 184
7.3.1 强韧性 184
7.3.2 减阻 186
7.3.3 自洁 187
7.3.4 耐磨 188
7.4 生物社会功能特性 190
7.4.1 社会构成 190
7.4.2 社会特征 191
7.4.3 社会功能 192
7.4.4 社会行为 199
参考文献 206
第8章 人类与生物的关系 213
8.1 生物为人类之师 213
8.1.1　进化史比较 213
8.1.2　自我调控过程比较 214
8.1.3　结构功能特性比较 215
8.2 人类为万物之灵 216
8.2.1　智力 216
8.2.2　创造性思维 218
8.3 人类与生物关系的时变规律 220
参考文献 221
第9章 人类与生活 223
9.1 人类生活及其方式 223
9.1.1 生活含义 223
9.1.2 生活方式 225
9.2 人类生活现象 228
9.2.1 日常生活中的生活现象 228
9.2.2 人文生活中的生活现象 230
9.2.3 本体生活中的生活现象 234
9.3 人类自然生命 237
9.3.1 生活的主体，智慧的载体 237
9.3.2 创造文化的大脑智慧系统 237
9.4 人类生活是仿生学的重要源泉 238
9.4.1 生活现象仿生 238
9.4.2 人类自身资源仿生 241
9.4.3 人类脑资源仿生 244
参考文献 247
第10章 人类与生境 249
10.1 生存环境——生境 249
10.1.1 生境的含义 249
10.1.2 人类生境 252
10.2 自然环境 254
10.2.1 自然景观 254
10.2.2 自然现象 256
10.3 生态系统 259
10.3.1 自然生态系统 259
10.3.2 人类生态系统 262
10.4 生境是仿生的重要源泉 265
10.4.1 学习自然进行仿生 265
10.4.2 学习生态进行仿生 271
参考文献 274
第11章 仿生发展态势与规律 276
11.1 仿生实践先于仿生学 276
11.1.1 仿生意识的萌发 276
11.1.2 仿生实践的助推 277
11.1.3 仿生始终伴随着人类社会的进步与发展 279
11.2 仿生道路曲折 279
11.2.1 仿生学诞生 279
11.2.2 并非一帆风顺 280
11.2.3 遵循科学的“实践—认识—再实践—再认识”规律 282
11.3 仿生理念不断深化，仿生学发展迅速 283
11.4 竞争焦点、前景无限 286
11.4.1 竞争焦点 286
11.4.2 前景无限 287
参考文献 291
第12章 仿生学基本原理 293
12.1 需求性原理 293
12.1.1 需求性原理的主旨 293
12.1.2 单目标需求 294
12.1.3 多目标需求 294
12.1.4 需求的合理性与科学性分析 295
12.2 模本原理 295
12.2.1 模本优选原则 296
12.2.2 单目标模本 296
12.2.3 多目标模本 298
12.2.4 模本优选与综合优化 300
12.2.5 模本的简化与凝炼 301
12.3 相似性原理 301
12.3.1 需求与仿生模本的相似性 302
12.3.2 相似性性质分析 303
12.3.3 相似性方法优选 304
12.4 可实现性原理 304
12.4.1 仿生方案可行性 305
12.4.2 仿生技术路线可行性 305
12.4.3 仿生目标实现的风险性分析 305
12.5 比较优化原理 306
12.5.1 比较优化原理的内涵 306
12.5.2 优于传统 307
12.5.3 优于非仿生 307
参考文献 307
第13章 仿生学基本原则 309
13.1 主动仿生 309
13.1.1 高度重视培养仿生意识的自觉性 310
13.1.2 高度重视走仿生创新路径的主动性 310
13.1.3 高度重视基于科学推动进行仿生的积极性 311
13.2 绿色仿生 312
13.2.1 绿色是仿生的前提条件 313
13.2.2 仿生全程应是绿色的 313
13.2.3 仿生成果的绿色管理与应用 315
13.3 可续仿生 315
13.3.1 仿生理念可续 316
13.3.2 仿生路径可续 316
13.3.3 仿生资源可续 317
13.4 最佳化仿生 318
13.4.1 单目标最佳化与多目标最佳化 318
13.4.2 局域最佳化与全域最佳化 319
参考文献 320
第14章 仿生研究的主要方法与技术 321
14.1 仿生研究的主要方法 321
14.1.1 理论分析法 321
14.1.2 计算机仿真法 324
14.1.3 相似模拟法 325
14.1.4 试验优化法 328
14.2 仿生研究的主要技术 333
14.2.1 仿生建模技术 333
14.2.2 仿生设计技术 338
14.2.3 仿生制造技术 341
14.2.4 仿生测试技术 343
14.2.5 仿生效能评价技术 345
参考文献 348