《仿生設計學》全套課件 第1-7章 仿生設計學基本概述-仿生材料設計典例及應用

第1章

仿生設計學基本概述1.仿生設計學內涵2.仿生設計學起源與發展3.仿生設計學研究內容及特點4.仿生設計流程

CATALOGUE

目錄仿生設計學內涵Part01仿生學仿生學是研究生物系統結構和功能的一門科學

，

旨在為技術系統提供新的設計思路和方法。最早提出：

1960年美國科學家J.

E.Steele核心理念：模仿生物原理來建造技術系統多元仿生：任露泉院士強調生活、生境和生物模本的結合仿生設計學仿生設計學是仿生學的一個分支，專注于將生物系統的結構和功能原理應用于設計過程中。研究對象：

"形"、

"色"、

"音"、

"功能"、

"結構"應用領域：設計過程中的特征原理應用目標：提供新思想、原理、方法和途徑仿生學及仿生設計學關系仿生設計學是指研究主體針對自然界生活、生境、生物系統的特殊功能、原理及機制

，通過收集、整理、辨識、分析、學習、模仿等手段

，提煉并構思設計出具有類似于生活、生境、生物系統某些功能的一種新設計思維方法的學科

，更是研究自然界系統特殊原理的實現理論、方法、手段及實踐過程的學科。創新性以自然界萬事萬物特殊功能及屬性為設計靈感及設計源泉。和諧性自然界中進化的先進屬性，使人類社會與自然達到了高度的統一。服務性將自然界中廣泛存在利于生

物、環境的各種功能、屬性，通過仿生設計服務人類社會。仿生設計學內涵

為技術革新提供新思路仿生設計學是開辟新技術的重要創新途徑之一

，通過學習和模擬生物，為技術革新提供新的原理、新的方法和新的途徑。

促進可持續發展與可持續發展密切相關

，通過模擬生物體的理化性能及結構設計

，可以促進資源的循環利用和減少環境污染。

提高系統穩定性和可靠性借鑒生物體的自適應和自修復能力

，提高人工系統的穩定性和可靠性，降低維護和更換的頻率和成本。

推動產業升級為機械、材料、能源、航空航天、海洋船舶、農業裝備等領域提供創新解決方案

，推動傳統產業向高效、環保、智能化方向發展。

培養創新人才作為新興的交叉學科

，培養具有跨學科思維、創新能力和實踐能力的復合型人才

，滿足新工科教育的需求。

促進人與自然和諧共生通過向自然學習

，使人類從"城市"這個人造物理環境中重新回歸"

自然"

，實現人類社會與自然環境的和諧共生。仿生設計學的核心價值

?仿生設計學起源與發展Part02遠古遠古時代的工具包括：扁韌的木棒：模仿樹枝的韌性；鋒利的石器：模仿尖銳的石頭；鋸齒狀貝器：模仿貝殼的鋒利邊緣等這些工具和生活方式的創造與選擇都是對自然中存在物質的直接模擬

，是人類初級創造階段

，也可以說是仿生設計的起源和雛形。古代對周邊自然萬物形態、結構和功能的認識逐步加深

，模仿從最直觀的方式開始轉換為深入思索和模仿學

習

，將可利用的功能原理應用到人

類生活當中。雖然這些早期的模仿是粗糙的、直

觀的、表面的

，但卻是今天仿生設

計學得以發展的基礎。特點直觀性：直接觀察自然現象表面性：模仿外在形態特征經驗性：基于實踐積累知識這些特征為后來系統化的仿生設計學奠定了基礎

，是人類向自然學習的重

要起點。仿生設計學起源

自然界中的萬事萬物在進化過程中所展現的多樣性、功能性、適應性以及合理性

，無不一一吸引著人類去借鑒、學習、分析和模仿。人類在遠古時代

，就已經學會從自然生態環境系統中得到啟迪

，模仿動植物的習性和特征

，創造出狩獵和生活的工具。夏朝·鋸子發

明模仿植物邊緣齒狀結構發明鋸子

，

是人類早期對植物形態仿生的典型案例西周·偃師造

人記載了最早仿生機器人的出現

，

展示了早期人類對人形自動裝置的探索。商朝·青銅器

藝術有意識的將自然界中的鳥

、

獸的形態與青銅器鑄造技術相結合

，

使青銅器藝術得到快速發展。三皇五帝期

·有巢氏最早的仿生學家

，

模仿鳥類在樹木上筑巢

，

將人類居住的房屋建造在高大的樹干上

，形成"巢居"。中國古代仿生設計案例西漢·車輪與船只"見飛蓬轉

，

而知為車"，受飛蓬草旋轉啟發發明車輪；"觀落葉浮

，

因以為舟

"

，

受落葉浮水啟發設計船只明代·神火飛鴉火箭武器

，

進一步反映了人們向鳥類學習的愿望。唐代·韓志和

飛行器"善雕木作鸞、

鶴、

鵶、鵲之狀...發之則凌云奮飛，可高達三丈至一二百步外

"

，

展示了仿鳥飛行技術的進步。春秋戰國·木鳶魯國人墨翟

"作木鳶

，

費時三年

，

一日而拜

"

，

被認為是我國最早出現的風箏

，后應用于傳遞軍事情報。中國古代仿生設計案例

達·芬奇《論鳥類飛行的手稿》文藝復興時期的巨匠萊奧納多·達·芬奇

，通過插圖的形式

，描繪了大量的飛行基本原理及技術。

喬治·凱利的滑翔機1800年左右

，英國科學家喬治·凱利模仿鱒魚和山鷸的紡錘形

，找到了阻力小的流線型結構

李林塔爾的載人滑翔機19世紀后期

，德國工程師奧托·李林塔爾通過觀察鳥類飛行特點

，設計制造出第一架能夠載人飛行的滑翔機國外早期仿生設計o

o材料研究領域

能源動力領域仿生設計為航空器氣動減阻、航天器附件功能優化等難題提供了解決方案。仿生設計學的現代發展水生生物為船舶減阻、防污、推進等功能提升貢獻巨大。仿生設計用來提升動力系統效率、強化能源傳遞過程。仿生設計實例層出不窮

，成為輕質高強材料設計的典范。機械設計領域仿生設計學深刻融入農業裝備領域仿生設計在農業裝備驅動行走及耕種部件兩大系統均有實質體現。了機械設計、制造、結構學及運動等學科。海洋船舶領域航空航天領域生命科學領域隨著對動植物及微生物生命壽命基因的深入研究

，利用仿生設計結合

生命科學

，可以為延長人類的壽命、未來發展趨勢,人工智能、大數據等技術的應用使仿生設計更加智能化和精準化

，推動綠色設計和循環經濟的發展，核心價值總結仿生設計學不僅為現代科學的發展提供了無限創新空間和可能

，也為人類在進行技術革新道路上提供無限可能的新原理、新方法和新途徑。建筑與環境領域隨著對生境系統的循環深挖

，利用仿生設計結合建筑學、生態學、環境學

，可以使人類從"城市"這個人造物理環境中重新回歸"

自然"。人工智能領域隨著對人腦思維原理的探索

，利用仿生設計結合信息技術

，可以開發出具有人腦思維功能的智慧計算機或是仿人機器人。仿生設計學的未來發展治療疾病提供一個嶄新的醫學發展途徑。為人類社會帶來更多的創新和驚喜。Part03

?仿生設計學研究內容及特點傳統"設計"是把各種先進技術成果轉化為生產力的一種手段和方法。

而針對自然科學領域

，仿生設計學的研究內容除了包含傳統設計學的研究內容外

，還需在進行仿生目標產品設計之前

，對目標模本生物開展具體而詳實的研究工作。與傳統設計一樣

，仿生設計也需考慮產品/設計最終能否帶來經濟效益

，實現仿生設計潛力價值

，在某些情況下

，仿生設計需求分析內容種還包含經濟性研究。對于某些特殊情況

，仿生設計時還需提前將最終產品/樣件的壽命、可靠性等硬性要求加以考慮和分析。與傳統設計相比

，仿生設計在其中有何作用體現。此外仿生設計過程中還需明確設計為單一還是多元功能需求

，如減阻、降噪、防污、防腐、抗菌、耐磨、脫附、抗黏、高強、高韌、耐高溫等單一或多元功能。針對當前環境破壞、生態失衡、能源枯竭等背景條件下

，仿生設計還需考慮環

境綠色友好性

，不能一味為了實現某些

產品/設計需求

，而造成潛在危害和破壞。仿生設計需求分析研究

經濟性要求

環境友好性

功能需求生物信息獲取技術研究如何從復雜的目標模本生物信息中獲取到準確的信息

，是進行仿生設計不可缺少的中間環節。為此需在對目標模本生物形態、結構、組分、運動及動力、感知等信息的捕捉、成像、分析、測試等技術方面開展研究工作。生存環境與生活習性研究通過自然環境觀察試驗、室內生境環境試驗等對目標模本生物的生活習性、生存環境進行定量及定性的測試

，為目標產品功能設計需求提供第一手資料。對獲得的生物信息、生物功能形成要素、主次因素及形成機制

，根據實際需要

，形成有利于目標產品設計的仿生元素

，需要對上述信息進行簡化、替代、拓撲、建模等方法的研究

，以保證仿生信息獲取的準確性。通過活體觀察、檢測及死體解剖、宏、微觀檢測等試驗

，開展與目標生物的結構、表面形態、組分（成分）等因素與功能之間的映射關系、主次關聯

，并分析上述因素功能形成機制。生物功能試驗研究

仿生信息處理技術研究目標模本生物信息研究仿生設計樣件制備研究仿生設計樣件的加工制備方法

，一般情況下與傳統設計制備方法一樣

，但針對某些仿生生物樣件制備時

，

需要引入目標生物模本結構

，采用生物模板法或遺態法實現目標樣件制備。仿生設計樣件的目標評價研究仿生設計樣件功能是否實現目標需求

，還需對樣件進行功能驗證、

測試與分析

，從而評價仿生設計目標是否達成?？鐚W科性仿生設計學是一個跨學科的領域，涉及生物學、物理學、化學、材

料科學、數學等多個學科。優化性通過不斷地優化設計方案

，可以獲得更好的設計效果，

同時也可

以為其他領域提供借鑒和參考。迭代性仿生設計學的研究過程是一個不斷迭代的過程

，需要不斷地進行實驗、觀察和調整。仿生設計學的特點

依托仿生學研究成果

，

為設計提供科學技術支持仿生設計學對生物系統結構與機理的研究成果為設計新原理得以構想、實施和展示提供有力支撐。

賦予設計成品更多的生物優異功能仿生設計是把自然界生物所具有的與設計需求相適應的優異功能轉化到生產力的重要手段。通過仿生設計

，將生產出能量消耗最低、效率最高、適應性最強、壽命最長的產品。

體現設計的自然親和力和環保特性在設計中由于仿生對象的自然屬性

，使得設計也必然或多或少地映射出與大自然的聯系

，即在仿生設計中蘊含著某些自然屬性

，而這些自然屬性都是天然環境友好特性

，從而使設計出的產品更具自然親和力和環境保護特性。仿生設計的獨特優勢?仿生設計流程Part04在進行仿生設計之前

，

首先應根據調研所獲得的資料

，

需對仿生設計的目標產品開展應用場景、

使用工況、功能結構等多方面調研、

分析

，確定該產品/樣件是否適合采用仿生設計。仿生設計流程概述樣件制備應用推廣信息處理模本選取評價優化明確需求信息獲取仿生樣件設計七步法對選定模本生物的各類生物信息進行整理、辨識篩選、原理分析等

，基于相似性理論

，建立仿生模型。仿生設計目標樣件不僅是實

體的樣件也可指虛擬的技術，本書主要側重于實體的樣件。仿生設計需求通過模仿生物模本的結構和功能

，設計、開發新產品或改善現有技術/產品的需求。仿生模本生物根據仿生設計目標需求選定的生物原型

，它是目標樣件的模仿對象。仿生模型建立

仿生設計要素及其相互作用仿生設計樣件

仿生設計流程仿生設計流程圖使用功能主要靠正確的選擇仿生設計的生物模本

，正確的模本表征與建模

，

以及提出合理的設計原理和方法來實現。勞動保護和環境

保護一般情況下仿生設計都具有天然的勞動保護和環境保護要求。壽命仿生設計產品需要滿足一定的壽命要求

，才能正式成為可靠的仿生設計目標產品/樣件。經濟性體現在設計、

制備和使用的過程中

，

設計仿生樣件時就要考慮經濟適用性?？煽啃源_保仿生設計產品的穩定性和可靠性

，滿足設計要求。步驟一明確仿生設計需求明確設計需求是仿生設計的基礎

，仿生設計要求將指導整個仿生設計流程

，確保設計符合實際應用需求。多

，包括動物、植物、微生物

，其具有不同形態、結構、材料、功能和生存方式等

，這些特征無論是宏觀、微觀還是介觀

，都可以作為生物模本供各行各業進行仿生設計研究。

特異性生物群體或個體

，相較于其它群體或個體

，亦或是生物個體的某部分

，具有某種特異的生化、物理和拓撲等特征。

功能性生物模本為適應各自不同的生存環境和實現特定的生物學行為皆具有一定或特殊功能甚至兼具多種功能。工程性進行仿生設計所選擇的生物模本必須具有工程學意義

，能夠解決實際工程問題。根據仿生設計需求分析及搜集的產品信息作為選取仿生對象的參照

，從自然生物中選擇符合產品設計要求的生物模本。

自然界中的生物種類繁步驟二仿生生物模板選取

0102

0304

0506

表面形貌信息生物體表面的微觀和宏觀形態特征，包括紋理、粗糙度、凹凸結構等。成分信息生物體的化學組成和物質成分，包括元素、化合物、生物大分子等。運動信息生物體的運動方式和行為模式，包括運動軌跡、速度、加速度等。結構信息生物體的內部幾何與材料信息，包括組織、器官、系統的結構特征。力學信息生物體的力學性能和行為，包括靜態力學、動態力學、硬度等。感知信息生物體的感知能力和傳感機制，包括聽覺、嗅覺、觸覺、視覺等。步驟三生物模板信息獲取內容制定目標要求首選需要判斷生物模本是否包含仿生信息

，仿生信息必須與功能所對應

，在獲取信息的過程中需要考慮這些仿生模本信息的時效性、地域性及可靠性。確定信息部位當選定仿生對象后

，需要確定要獲取的仿生信息

，選取合適的生物信息部位選取獲取方法根據需要獲得的仿生信息的特點

，選取合適的獲取方法樣品處理各種測試方法對樣品都有特殊的要求

，必要時需要對生物樣品進行處理數據預處理與判斷獲取生物信息后

，對測試數據進行預處理

，并判斷是否符合預期仿生生物模本信息的獲取是指圍繞一定目標

，在一定范圍內

，通過一定的技術手段和方式方法獲得原始信息的活動與過程。步驟三生物模板信息獲取流程智能化信息處理基于人工智能技術的智能化信息處理。信息處理的目的信息處理的目的在于發掘信息的價值

，方便設計人員的使用。自動化信息處理基于程序設計的自動化信息處理

，即針對具體問題編制專門的程序以實現信息處理的自動化。人性化信息處理基于大眾信息技術工具的人性化信息處理。步驟四仿生模板信息處理在對所要仿生設計的模本信息進行處理后，需要根據設計要求和實際設備條件來進行加工和制造樣件。實際過程中，往往需要將多種方法進行配合使用，才能制備出目標仿生樣件。步驟五仿生設計樣件制備設計樣件最終能夠實現目標尋求

，需要通過相應的評價方法來實現。對于不同的功能要求，

已經存在一系列成熟的評價手段和體系

，仿生設計人員可以通過這些評價方法對仿生設計結果進行評價和驗證還可以將仿生樣件與生物原型進行特征匹配

，驗證特征模仿的準確性和有效性。樣件優化為保證仿生設計樣件的有效性

，在設計過程中需要從不同方面對初步選定的生物群進行比較分析

，以及在隨后設計中需要對一系列仿生設計特征參數和試驗條件進行優化分析比較

，通過控制相關結構參數來實現對仿生設計樣件的優化

，從而獲得最優數據。步驟六仿生設計樣件評價及優化樣件評價樣件應用將優化后的仿生設計樣件應用于實際生產中

，如產品生產、工程施工等。樣件推廣對應用過程進行總結和反思

，總結經驗教訓

，為今后的仿生設計提供借鑒和參考。步驟七仿生設計樣件應用及推廣THANKS感謝您的觀看第2章

典

型

仿

生

模

本

選

取

原

則1.

重要定義2.典型模本生物分類3.模本生物或生物模本的選擇原則

CATALOGUE

目錄Part01重要定義

仿生模本：是指模仿生物的組織結構和運行模式

，例如模擬生物器官的組織、

自愈、生長與自進化等功能

，通過深入研究仿生模本

，人們可以開發出更加高效、環保和可持續的技術和產品。

仿生模本包括生物模本、生活模本和生境模本

，生物在許多方面強于人類

，是人類之師，值得人類很好地學習。而生活、生境是仿生學不可或缺的重要仿生資源

，大自然的運行機制與演化規律則更是人類社會進步與經濟發展之必需。仿生模本定義生物模本

：模擬珍珠母貝的仿生變色材料仿生模本定義?生物模本仿生模本定義

生活模本：

用膠帶分離石墨烯

，

并因此獲得2010年諾貝爾物理學獎生活模本：

“聲波鑷子”

，

可在3D空間里移動細胞?生活模本仿生模本定義

?生境模本通過雪花不同形狀與結晶過程的研究,用于控制硅和半

導體等材料的晶體生長過程,幫助人們分析物體結晶過程。仿沙波紋的仿生沙丘駐渦火焰穩定器典型模本生物分類功能分類

耐磨

附脫抗菌防腐減阻防污降噪阻力是汽車、

飛行器、

潛艇和船舶要克服的主要問題。減阻技術主要分為主動減阻和被動減阻

，本質上都是通過不同的方式控制或改變湍流邊界層的流場結構

，以降低湍流邊界層的熵值

，從而阻止或延緩流動分離現象的發生。減阻

減阻

具有減阻功能的不同類型魚鱗減阻

鯊魚盾鱗——溝槽減阻由棘突和基板兩部分組成

，各棘突均向后伸出皮膚

，

呈對角線排列

，這種緊密而又規則的排列方式使全身的棘突形成微米級的順流向溝槽結構

，有利于減少鯊魚所受到的流動阻力。海豚皮膚——柔順壁

海豚皮的表層呈光滑有彈性且細致柔軟

，

隨著水流呈波浪狀起伏

，

主動地順應水的流動

，

并且這種柔軟有彈性的皮膚表層能夠吸收脈動壓力。

柔性表面減阻是指用彈性材料作為邊界材料來替代剛性邊界

，利用柔性表面能夠在一定程度上吸收和抑制邊界層內的脈動壓力的特點

，

減小表面摩擦阻力。減阻

減阻

超疏水植物表面微納結構、

水黽靜置水面行走、

潛水鐘蜘蛛

，超疏水表面上產生的壁面滑移效應是其減阻的主要成因

，滑移效應產生機制

：低表面能、

氣膜層降噪 仿生降噪技術是把具備低噪聲性能的典型生物的體表特征系統應用到實際工程上

，使其具有與生物體類似低噪聲特性。飛蛾通過吸收聲音的多孔微納鱗片來抵抗蝙蝠回聲定位降噪 貓頭鷹獨特的羽毛結構產生了降噪效應

，使其能夠靜音飛行次級飛羽流蘇狀結構翅膀前緣梳子齒形結構體表茂密絨羽結構后緣劉海狀結構降噪 座頭鯨也能夠在水下安靜運動，

因為座頭鯨的鰭具有鋸齒前緣結構

，能夠降低噪音。這些具有特殊功能的鋸齒前緣生物結構給了人們巨大啟發

，特別是在飛機機翼的研究與設計中起到

了重要作用。座頭鯨鰭的結構荷葉表面具有良好的防污能力和自清潔能力

，

主要因為荷葉表面特殊的納米柱微結構及蠟質層

，確保了荷葉具有超疏水性和低粘附特性。

此外

，液滴和葉面之間捕獲一層空氣

，

防止液體滲入表面和微生物粘附

，

為荷葉提供獨立的防污和清潔效果

，產生“荷葉效應”。防污

許多生物具有紋理表面

，包括鯊魚、

稻葉、

蝴蝶、

蘆葦葉、

貝殼、

蟬、銀杏葉、

跳尾葉和花生葉等防腐

腐蝕是威脅金屬設備耐久度和使用性能的最大問題

，

比如大氣腐蝕。

開發新型高效的大氣腐蝕防護材料是當前研究的重要方向。防腐

從大氣腐蝕的機理看

，液膜/滴的存在是發生大氣腐蝕的重要前提

，

阻止液膜/滴在材料表面的形成是解決大氣腐蝕問題的有效手段之一。

液滴自彈跳現象是發生在特定超疏水表面上的一種自發行為

，

彈走的液滴能有效阻止

表面液膜/滴的形成

，進而防護大氣腐蝕。防腐

受蓮花表面啟發制備的超疏水Mg-Li合金表面

，具有更好的耐腐蝕性和長期穩定的超疏水性，有望在金屬的防結冰、

減阻、

防污等方面具有廣泛的應用前景。蟬翅上整齊排布著納米級柱狀物

，

當細菌附著在表面時

，柱狀結構如同陷阱般將表皮有彈性的細菌捕獲粘住

，慢慢地將細菌拉伸

，

并撕裂其細胞膜

，從而殺死細菌?？咕?/p>

蟬翅膀的殺菌機理抗菌

耐磨

機械、

家具磨損是生活中常見的問題。

一般來說

，磨損是由機械性磨擦引起的表面損傷

，

即表面與接觸物質之間的相對運動而導致材料的逐漸去除。

當發生磨損時，會嚴重影響機械的外觀

，影響使用壽命。耐磨

一些生活在惡劣環境下的生物為了抵抗環境的侵蝕

，進化出了獨特的凹坑、

凸坑、

波紋、鱗片等形態的非光滑表面

，表現出優秀的耐磨性能。檉柳

，沙漠都具有強風條件

，但在大風條件下的檉柳只受到輕微的刮傷

，說明它們具有很強的抗侵蝕能力。耐磨

沙漠蝎子的背部具有六角形坑狀結構

，這種結構這可降低固體顆粒的法向速度

，從而降低沖蝕磨損。脫附

機械部件的粘附現象在工程中非常普遍

，

土壤粘附嚴重降低地面機械的工作效率和質量

，增加耗能

，

甚至導致機械無法運轉。

蚯蚓

，蟋蟀

，蜣螂等動物都具有土壤脫附功能

，這種柔性非光滑結構及表面微納結構具有減粘作用和緩沖作用。根據蜣螂體表面結構制備的仿生頂板2.典型陸地模本生物3.典型飛行模本生物生境分類

1.典型海洋模本生物

地球表面71%的面積被水覆蓋。

生命已經在浩瀚的海洋中存在了數十億年，海洋生物已經進化出了足以在特殊的鹽度、

壓力、

光線和溫度下生存并成長的能力

，海洋生物的形態、

生理和行為一直是科技發展靈感的來源。

目前為止

，海洋生物的靈感已被應

用在粘附、

防污、

加固、

浮力、

游

動、

感光、

隱身和能源等多個方面。典型水生模本生物

典型水生模本生物

貽貝分泌的蛋白可以改善粘附的強度和耐久性鯊魚的流體減阻和表面微結構可以有效防污貝殼特殊的結構可以使其具備強大的抗沖擊能力魚類通過充滿氣體的魚鰾使其可以在水中調節浮力海膽通過分泌不同成分的黏液調控足的粘附和脫附行為典型水生模本生物

模仿水黽的仿生水滑機器人模型典型水生模本生物

槐葉萍陸地環境復雜多樣

，有酷熱難耐的沙漠

，也有冷風凜凜的雪原

，對于生活在陸地上的生物，

其特定演化出來的結構、功能和形態都可以成為仿生技術的靈感來源。典型陸地模本生物

典型陸地模本生物

由于火星表面是由顆粒狀土壤和各種大小的巖石組成

，

當代的探測車在軟土上移動和爬過巖石時可能會遇到困難。受沙漠蜥蜴運動特性啟發的四足爬行機器人。

這種仿生機器人具有靈活的脊柱

，

可以在運動過程中擺動。

腿部結構采用四連桿機構

，

確保穩定的提升運動。

腳部由一個活動腳踝和一個圓形墊組成

，

有四個靈活的腳趾

，

可以有效地抓住土壤和巖石。沙漠蜥蜴仿生機器人:(a)仿生結構(b)突圍斷面典型陸地模本生物

以色列的盲鼴鼠在挖洞的過程中利用地球的磁場不斷地監測和維持自己的路線

，

在障礙物旁挖洞也不會與它們發生身體接觸典型飛行模本生物

“信鴿”仿生飛行器界級分類

原核生物界原生生物界動物界植物界真菌界動物界

分布于地球上所有海洋、

陸地

，包括山地、草原、沙漠、森林、農田、水域以及兩極在內的各種生境

，是自然環境不可分割的組成部分

，是仿生研究的主要靈感來源。具有雜化潤濕性的錐形鋅針

，將鋅針從內部超親水外部超疏水的Janus海綿底部插入獲得了霧收集系統。

其有更多的霧捕獲位點

，疏水分離有效減緩水膜的形成

，

并利用錐形孔作為連接點使液滴快速進入海綿中。章魚數以百計的吸盤結構使其具有強大的水下捕捉能力。

利用3D打印技術制造了仿章魚水凝膠吸盤

，

可以牢固地附著在物體的曲面上

，抓取不同形狀和材料的物體。動物界

植物界

植物覆蓋著地球陸地表面的絕大部分

，

并且在海洋、

湖泊、

河流和池塘中也是如此。

植物在自然界生物圈中的各種大大小小的生態系統中

幾乎都是唯一的初級生產者

，

是仿生研究的重要靈感來源。有玫瑰花瓣微結構的PDMS，

表現出超疏水性

，褶皺中的空氣可以有效減緩細菌的附著，

并通過表面微凸狀結構限制細菌之間的通訊能力抑制細菌生物膜形成。植物界

玫瑰花瓣微結構抑制生物膜機理圖真菌界

真菌界是區別于動物界、

植物界的第三大類高等真核生物

，

廣泛分布于土壤、

水體、

動植物及其殘骸和空氣中

，

營腐生、

寄生和共生生活。

特定的生活方式在仿生研究中給予奇妙的啟

發

，

如真菌所含異黑素可以使其在惡劣的輻射環境中生存

，

人造異黑素納米顆粒

，

具有良好

的抗輻射和抗氧化性

，

可以應用于護膚品及防治與氧化應激相關疾病

（如神經退行性疾?。?/p>

。模仿異黑色素結構的三個自組裝的二羥萘二聚體的超分子結構

，透射電鏡圖像

，掃描電圖像原生生物界

原生生物大部分是單細胞生物

，

有些原生生物可以借助光合作用制造養分。

常見的原生生物

包括纖毛蟲、

變形蟲、

粘菌、

海藻

，

也有光營的單細胞游動微生物

，

如眼蟲等。

將小球藻細胞與導電聚合物的超薄外殼以及碳酸鈣外骨骼相連接

，

聚吡咯/碳酸鈣雜化層可以捕獲和傳輸細胞外電子到藻類細胞中

，

增強了氫的產生速度。

藻類細胞的表面增促進了自然

光合途徑和人工途徑對氫化酶激活的整合

，

可在無害的條件下增強綠色制氫。通過聚合物/無機涂層構建活藻細胞的微生態位原核生物界

由原核細胞構成的生物稱為原核生物

，原核生物包括細菌、

藍藻、放線菌、

支原體、衣原體、立克次氏體等。

鞭毛是細胞運動的附屬物

，許多細菌都含有鞭

毛

，推動自身完成各種運動以支持其生命活動。

通過嵌桿鑄造工藝制作了一種一體化的三通道

管狀驅動器

，可以通過對每個通道的驅動進行排序實現多種二維/三維鞭毛/纖毛運動。這可能在微型機器人領域中有比較重要的應用。通過聚合物/無機涂層構建類藻細胞仿病毒納米載體用于腫瘤治療

類病毒納米載體

，

然后通過阿霉素偶聯聚乙二醇對其尖刺表面進行偽裝

，

構建了一種創新的類病毒核/球殼仿生納米藥物

。

該藥物模擬病毒的粗糙表面用于腫瘤的分層靶向

，

在酸性腫瘤微環境下釋放表現出較高的抗腫瘤功效和較低的全身毒性。

病毒是一類特殊的微生物

，

它個體微小

、

結構簡單

，

通過寄生方式生存

。

不具備獨立代謝能力

，

它們在某些方面具有生物的性質，但不具備完整的生物功能

。

病毒的感染機制和作用方式可以為仿生提供新的思路和方法。病毒界

模本生物或生物模本的選擇原則Part03相似原則代表原則不唯一性模本生物或生物模本的選擇原則

相似原則

仿生設計的基本出發點

，是仿生目標產品與生物模本的相似性。

相似性反映特定事物間屬性和特征的共同性

，

主要包括功能相似、

工況相似、

結構相似、

材料相似、

原理相似。功能相似

仿生設計尋求對生物功能特性的仿生

，

以實現產品的特定功能。

蚊子的口器具備極佳的彈性

，表面硬度則可媲美金屬材料

，

并且越接近尖端表面硬度越高。

正是這個內柔外剛的力學性質使得蚊子口針不但能輕易刺入皮膚

，還可以

在皮下自由彎曲以尋找毛細血管。類蚊口器的仿生神經探針

，采用硬質穿梭針撐開結構實現微創植入

，后用柔性電極精準采集信號。穿梭針植入模塊具有亞微米級的銳利尖端

，允許將柔性電極探針精確、

微創地植入目標腦組織。功能相似

鷹視覺敏銳是由于其眼睛視網膜上面分布著

大量的感光細胞

，不僅提高了鷹眼的視覺敏

銳度

，

同時也擴大了老鷹的視角范圍。

鷹眼

更具有不同于人類的

“雙重調節”能力

，不

僅可以通過睫狀肌的收縮改變晶狀體的形狀

，

更可以改變角膜的凸度。

通過對鷹眼功能的仿生設計

，仿鷹眼視覺技

術廣泛的應用在航空、

航天、

地質、

交通、

安保等領域。以鷹眼仿生的應用發展進程工況相似

仿生設計還應考慮到生物生存的周圍環境與生物特性之間的聯系

，如飛行中的蝙蝠需要通過自身發出聲波對目標進行

“

回聲定位”來進行覓食活動。

根據蝙蝠的回聲定位原理

，

雷達通

過天線發出無線電波

，

當無線電波在傳遞過程中遇到障礙物就會反射回來

，將信息顯示在電子

儀表上。

駕駛員從雷達的電子儀表上能夠看清楚前方是否有障礙物

，及時調整航向。蝙蝠的回聲定位及其工程應用

魚為了適應水體中的浮力與運動之間的關系

，體

內有一種叫魚鰾的器官

，里面充滿了空氣。

當魚

鰾收縮

，

魚體內的氣體體積減小

，浮力降低

，

魚

便可以自由地沉到水下。

當魚鰾膨脹

，

魚體內的

氣體體積增加

，浮力升高

，

魚便能浮到水面上。

根據魚鰾的工作原理設計了壓載水艙

，通過控制

潛艇浮力的大小來進行上浮和下潛。以魚為仿生模本及其工程應用工況相似

結構相似

仿生設計時

，還應對微觀的結構層次進行考量

，如蝴蝶翅膀表面覆蓋著密集的鱗片

，這是鱗翅目的特征。藍色大閃蝶的鱗片結構為典型的一維光子晶體。大閃蝶以其微小翼鱗的藍色而聞名

，

并在濾色片、

抗反

射涂層和光學設備中得到應用。藍閃蝶的鱗翅晶格仿生設計中

，對生物材料的模擬也至關重要。

如樹蛙等動物在潮濕的環境下生活

，

可以在植物葉面上以及葉面之間自由地跳躍、

爬行。

在這個過程中

，樹蛙主要依賴的是腳趾的黏附與摩擦力。而蛙腳的黏附與摩擦力主要由其腳趾的微觀結構以及粘液決定

，樹蛙等蛙類腳趾上的微觀結構主要表現為五邊形和六邊形

，且多邊形之間存在幾微米寬的溝道。

這些溝道能將接觸界面處的液體排到接觸界面之外

，從而實現固體和固體之間的直接接觸

，獲得較高的黏附或摩擦力。樹蛙及其腳趾的微觀結構微納復合六邊形柱狀陣列由模量較高的聚苯乙烯（

PS）

納米棒以及柔軟的硅橡膠聚二甲基硅氧烷(PDMS)組成

，

PS納米

棒垂直分布在PDMS的正六邊形柱狀陣列中。

當PS和PDMS之間有化學鍵相互連接時

，應力可以在兩種材料間有效傳遞。材料相似

原理相似

在仿生設計中

，也可以根據仿生對象的基本結構和工作的原理來參考

，

了解了解天然材料中的結構-性能關系

，從而舉一反三

，極大的拓展仿生所設計的應用領域。

在自然界中發現的進化良

好的微陣列結構為科學家開發具有特定功能的新型微針（

MN）

提供了靈感。代表性原則

自然界中生物具有著豐富的多樣性

，不同物種在不同的環境中生存和繁衍

，依生物群體分布的地

域環境不同以及個體的個性特征

，在群體或個體間仍呈現多樣性。

例如

，極地地區的動物具備厚

厚的毛發和脂肪層

，

以保持體溫和抵御寒冷。

沙漠中的植物和動物則適應了干燥和高溫的環境

，

具備節水和耐熱的特征。

通過深入研究生物學的原理和機制

，我們可以從自然中汲取靈感

，選一種生物群體內具有典型性

和代表性的樣本

，進行重點模擬

，

設計和創造出更加智能、

高效和可持續的解決方案。沙漠蜥蜴及其表皮褶皺發散思維：亦稱擴散思維、輻射思維

，是指在創造和解決問題的思考過程中

，從已有的信息出發

，盡可能向各個方向擴展

，不受已知的或現存的方式、方法、規則和范疇的約束。在進行仿生模擬時

，應當打開自己的腦洞

，通過各個事物之間的聯系提煉起來，

明晰事物間的特定共性

，設計和創造出更加優異高效方案。不一致性（發散思維）

不一致性（發散思維）

通過聯想

，依據邏輯關系來構建不同概念間聯系。

牛蒡的種子可以通過毛刺掛在生物體的毛發或衣服表面

，通過生物將牛蒡種子撒播到更遠的地方去。人們研究發現毛刺具備簡單的鉤子結構可以讓毛刺附著在衣物上和皮毛上

，受這種毛刺結構的啟發

，發明了有名的維可牢搭扣（velcro）

。壁虎能夠克服重力在垂直平面上抓牢物體是它腳趾上一排細小的剛毛，擁有的粘附力是微觀尺度上起作用的分子間作用力

，又稱范德瓦爾斯力，

這種粘附力讓壁虎可依附在任何表面。其最大優點是不需要粘合劑

，就可產生可逆的強有力的抓力。從硅樹脂中復制出類似的“剛毛”，

由此產生了多種多樣的新技術產品，

包括可以讓人類攀爬在透明玻璃墻上的小發明

，讓機器人能夠拉動比自

身重量重數百倍物體的器械

，以及方便宇航員用于空間修復的鉗子等。以壁虎腳趾的細小毫毛拓展應用牛蒡鉤針與維可牢搭扣不一致性（發散思維）

一切仿生研究是以問題為導向的

，要么是理論問題

，要么是現實問題。

我們之所以進行仿生模擬是為了解決我們現實世界所遇到的種種問題

，給予我們改造世界的方法的啟示。

因為一個問題涉及多

方面

，所以從多個視角來看問題才能看到問題的實質。

并從中找到解決的辦法。THANKS感謝您的觀看第3章

生

物信

息

及

其

獲

取

技

術1.生物模板表面形貌、結構信息獲取技術2.生物成分信息獲取技術3.生物力學信息獲取技術4.生物運動信息獲取技術5.生物感知信息獲取技術CATALOGUE目錄仿生設計常用生物信息及其內涵在仿生學領域

，表面形貌既包括生物表面的宏觀幾何構型

，也包括體表的微納特征鯊魚皮膚表面-riblet微觀結構特征鯊魚皮膚覆蓋著稱為“真皮細齒”的鱗片，實現對水流的智能控制鯊魚流線型構型-宏觀幾何構型流線型形狀有效降低其壓差阻力常見生物信息內涵

表面形貌信息主要指生物大分子組成成分以及其獨特的

結構特征、

作用方式

或作用機理等結構信息涵義豐富，涵蓋表面形貌結構與

內部結構

，特指無法

從表面直接觀測到的

內部幾何與材料信息仿生設計常用生物信息及其內涵海豚光滑內部結構特征主要由縱橫交錯的膠原纖維束和彈性纖維構成

，形成了一個復雜而規則的網狀結構。纖維束之間充滿了油脂（脂質）常見生物信息內涵

成分（組分）信息

結構信息海豚光滑的表皮仿生設計常見生物信息及其內涵是指由仿生模本結構特征與力學特性的關系

，是仿生材料的重要依據感知信息是指生物接受及處理生境特性的方法。

感知信息包括聽覺、

嗅覺、

觸覺等指生物運動特征規律及與環境的相互作用關系常見生物信息內涵

力學信息

運動信息

感知信息生物模板表面形貌、

結構信息獲取技術Part011生物模本形貌、

結構信息獲取技術

n

仿生形貌與結構信息本質上是幾何信息

，通過測量技術、

光學成像技術、

電子顯微成像技術、

掃描探針顯微技術可以直接獲取表面形貌信息

，結合仿生模本的剖切面圖像信息

，

可以獲得內部結構信息。1.1光學成像技術光學成像技術

：利用光學透鏡產生影像放大效應的顯微成像方法。顯微鏡分類：1.普通光學顯微鏡2.熒光顯微鏡3.

白光干涉顯微鏡4.激光共聚焦顯微鏡中

，此類顯微鏡又稱作金相顯微鏡。（1）

常規顯微鏡（

Regular

microscope）放大倍數取決于其物鏡和目鏡的放大倍數物鏡放大倍數

：物鏡對物體進行初次放大時的倍數

，

常見的有4倍、10倍、

20倍、

40倍等目鏡放大倍數

：通過目鏡觀察到的圖像相對于物鏡放大后的圖像進一步放大倍數。

常見目鏡的放大倍數有5倍、

10倍、

15倍等總放大倍數：

顯微鏡的總放大倍數為物鏡放大倍數與目鏡放大倍數的乘積。1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

1.普通光學顯微鏡：這種顯微鏡經常被用來觀察固體等

，多應用在工學、材料領域

，在正立顯微鏡對生物進行表面形貌及結構信息獲取時，

應根據研究需要，

選擇適當放大倍數的光學顯微鏡

。普通光學顯微鏡結構1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

2.體式顯微鏡：體視顯微鏡

，又被稱為實體顯微鏡或立體顯微鏡

，可直接對生物樣品進行觀測

，獲得立體圖像

，無需對生物進行切片、染色、

噴涂等特殊處理。平行系統的光路是平行的

，在平行部分

，可以插入照相裝置內斜系統有利于鏡體實現小型化

，適合嵌入裝置中使用平行光學系統（伽利略光學系統）內斜光學系統（格里諾光學系統）體式顯微鏡的光路設計體式顯微鏡顯微立體視覺系統及其框圖0201熒光顯微鏡特點1.操作快捷簡單；2.觀察范圍大；3.對被觀察的材料要

求低；4.樣品處理簡單方便熒光顯微鏡分類根據熒光物質及波長光源1.熒光透射顯微鏡2.熒光反射顯微鏡3.熒光共聚焦顯微鏡4.熒光掃描顯微鏡5.熒光點掃描顯微鏡6.實時熒光顯微鏡3.熒光顯微鏡(Fluorescence

microscope)：是以紫外線為光源

，用以照射被檢物體

，使之發出熒光，然后在顯微鏡下觀察物體的形狀及其所在位置。熒光顯微鏡用于研究細胞內物質的吸收、運輸、化學物質的分布及定位1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

熒光顯微鏡1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

4.白光干涉顯微鏡：對于生物復雜的形貌特征

，可以運用三維掃描技術進行掃描建模。干涉儀是三維掃描技術中測量精度比較高的三維掃描儀器，

它通過光在不同表面反射后形成的干涉條紋獲得物體的三維形貌信息。測量精度決定于測量光程差的精度

，干涉儀是以光波波長為單位測量光程差的。糞金龜頭部表面顯微結構和三維掃描模型1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

5.激光掃描共聚焦顯微鏡（

Confocal

laserscanning

microscopy

，CLSM）：主要特點在于其光學分層能力

，即獲得特定深度下焦點內的圖像。

圖像通過逐點采集

，以及之后的計算機重構而成，

它可以重傳統顯微鏡能“看”到所有能被光投射到的地方

，而對于共聚焦顯微鏡

，只有焦點處的訊息被采集。實際上激光共聚焦顯微是通過對焦點深度的控制和高度限制來實現的。透明化腎組織中腎小球的3D共聚焦成像建拓撲結構復雜的物體。激光共聚焦顯微鏡1.5基于光學成像技術觀測生物信息的基本步驟（1）根據拍攝需求和樣品類型，對樣品進行固定、切片、染色等處理，并將樣品可靠地固定在工作臺上。（2）選擇合適的光源類型、波長、亮度及照射角度。（3）選擇合適的放大倍數

，調整

焦距

，以獲得清晰的圖像。（4）捕捉圖像

，手動或通過軟件對圖像進行標定、調色等后處理。1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

集成白光干涉儀的激光共聚焦顯微鏡基恩士VK-X3000形狀測量激光顯微系統采用了三重掃描方式

，運用激光共聚焦、

白光干涉、聚焦變化等三種不同的掃描原理上述測量技術并不是獨立存在的

，在實際應用中

，可將他們集成到一臺測量設備上。1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

1.2電子顯微成像技術電子顯微鏡

，簡稱電鏡

，英文名Electron

Microscope（

EM）

，是利用電子成像的一種顯微儀器。普通光學顯微鏡分辨率理論極限為200

nm，

目前電鏡的分辨率已經達到了原子尺度。

電子顯微鏡按結構和用途可分為透射電子顯微鏡（Transmission

Electron

Microscope

，TEM）

、掃描電子顯微鏡、掃描電子顯微鏡應用的局限性（1）被測樣品要具有導電性（2）被測樣品必須干凈且干燥（3）不能觀測溫度較高的樣品反射式電子顯微鏡和發射式電子顯微鏡1.掃描電子顯微鏡：主要的用途形貌觀察與成分分析掃描電子顯微鏡成像原理圖投射電鏡局限性：（1）觀測樣件的厚度有要求（2）生物樣品內元素原子序數較低，對電子的散射能力較弱

，所以得到

圖像的反差也較差（3）樣品需要處于真空環境透射顯微鏡成像原理圖由陰極的燈絲發射電子束

，在陽極加速后

，電子束經過聚光鏡照射到樣品上

，透射過樣品的電子束經過物鏡、

中間鏡與投影鏡的三級放大

，將物象透射到熒光屏或底片上1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

2

.透

射

電

子

顯

微

鏡

：

透

射

電

子

顯

微

鏡（TEM）

的成像原理更接近光學顯微鏡透射電子顯微鏡下的大腸桿菌1.3掃描探針顯微技術：（Scanning

Probe

Microscope

，

SPM）是在掃描隧道顯微鏡的基礎上發展起來的探針顯微鏡

，通過檢測探針與樣品間相互作用力成像。1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

1.SPM對樣品表面粗糙度也有一定的要求2.成像效率比較慢

，不能做到大范圍連續變焦

，定位也相對更困難1.超高的分辨率

，達了原子級別2.需要真空環境

，對樣品要求較為寬松02局限性01優點1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

1.3掃描探針顯微技術：（Scanning

Probe

Microscope

，

SPM）1.掃描隧道顯微鏡（ScanningTunneling

Microscope

，STM）工作模式成像原理：量子隧道效應

，

當掃描探針與樣品距離十分接近

(

≤

1

nm）

時

，在電壓的作用下

，

兩者間將產生隧道電流

，這種隧道電流對距離的變化十分敏感，通過探針的掃描并根據隧道電流的變化即可獲得樣品表面的三維形貌。適用樣品：1.適用原子尺度的樣品觀測2.針對導體或半導體樣品進行觀測適用局限性：對樣品粗糙的要求高、

成像效率差、

不能大范圍連續變焦以及定位困難。掃描探針將根據隧道電流上下運動

，保持隧道電流大小不變。這種模式能夠有效保護探針，適合表面粗糙度較大的樣品探針的高度固定

，通過檢測隧道電流的大小判斷樣品表面起伏。該模式下

，掃描速度較快，適合表面平整的樣品（b）恒流模式（a）恒高模式恒高模式恒流模式成像原理：通過探針與樣件原子間作用力來觀測樣品表面形貌。樣品與探針間的原子力將使微懸臂發生微小的形變

，通過監測這種微小的形變便可以獲得探針與樣品間的作用力變化

，從而獲得樣品表面的三維形貌信息。優缺點：1.具有原子級的分辨率2.不需要樣品具有導電性

，不需要真空環境

，

甚至可以在液體環境下進行觀測3.可以觀察生物樣品甚至活體組織4.成像效率差、

不能大范圍連續變焦以及定位困難1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

1.3掃描探針顯微技術：（Scanning

Probe

Microscope

，

SPM）2.原子力顯微鏡（Atomic

Force

Microscope

，AFM）AFM獲取的脂質囊泡和雙層三維結構1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

1.3掃描探針顯微技術：（Scanning

Probe

Microscope

，

SPM）2.原子力顯微鏡（Atomic

Force

Microscope

，AFM）輕敲模式探針針尖將在一定范圍內震動，不斷

“敲擊”樣品表面

，通過記錄探針針尖與樣件間原子力的變化獲得樣件表面的三維形貌。該模式對樣品破壞程度很小

，

而且分辨率與接觸模式幾乎相同

，缺點時掃描速度較慢非接觸模式探針針尖與樣品距離較大（約5-20

nm）

，樣品與探針間的作用力為吸引力（約10-12N），這種模式完全不與樣品接觸，對樣品沒有破壞性

，但掃描速度最慢

，

并且分辨率最低。接觸模式探針針尖將與樣品表面緊密接觸

，在掃描過程中

，

由于樣品的起伏導致相互作用力發生變化

，從而獲得樣品表面三維形貌信息。

這種模式下可以快速對樣件進行掃描，但對樣件有一定破壞作用原子力顯微鏡工作模式030102成像原理：采用微焦點X線球管對樣品各個部位的層面進行掃描投射

，

由探測器接受透過該層面的X射線

，轉變為可見光后

，

再由光電轉換器轉變為電信號

，最后經模擬/數字傳換器轉為數字信號

，輸入計算機進行成像。測試信息：顯微CT能夠提供幾何和結構兩類基本信息

，幾何信息包括樣品的尺寸、

體積和各點的空間坐標，結構信息包括樣品的衰減值、

密度和多孔性等材料學信息。1生物模本形貌、

結構信息獲取技術

1.4顯微CT技術：（Computed

Tomography）nanoVoxel-2000型顯微CT生物成分信息獲取技術Part02拉曼光譜儀的工作流程：1.激光激發：

高穩定性激光器發射單色光照射樣品。2.信號采集：

收集樣品散射的光信號

，濾除瑞利散射等干擾成分。3.光譜解析

：利用光柵或干涉儀分光

，探測器將光信號轉化為電信號。4.數據處理：

通過算法提取特征峰

，與數據庫比對完成物質鑒定。2.1拉曼光譜拉曼光譜技術實際上是一種分光技術

，拉曼光譜儀可以根據光通過不同介質后形成的散射特征分析物質成分信息

，拉曼光譜技術主要依靠拉曼散射。拉曼光譜儀成像原理：基于拉曼散射效應當單色激光照射到樣品表面時

，光子與分子發生非彈性碰撞

，部分光子的能量會因分子振動或轉動發生變化

，產生頻率偏移的散射光。這種頻率偏移與分子的振動模式直接相關，

因此拉曼光譜儀通過分析散射光的頻率變化

，即可反推出樣品的分子結構信息。2.生物成分信息獲取技術

2.2X射線衍射X射線衍射（XRD）是用來分析固體的物相與晶體結構的重要手段

，是物質結構分析中最有效、最廣泛的手段。分析原理：當X射線照射到物體上時

，物體內的原子與分子結構使X射線發生散射

，這些散射相互干涉后產生衍射波

，衍射波在不同反向會呈現出不同的強度，通過檢測衍射波便能獲得衍射圖譜

，進而分析獲得物質的成分、

分子原子結構以及形態信息。分析領域：X射線衍射儀是利用衍射原理

，精確測定物質的晶體結構

，織構及應力

，精確的進行物相分析

，定性分析

，定量分析。

廣泛應用于冶金

，石油

，化工

，科研

，航空航天

，教學

，材料生產等領域。2.生物成分信息獲取技術

X射線衍射儀2.生物成分信息獲取技術

2.3色譜法色譜法是利用流動相中不同成分與固定相間的吸附能力不同

，在反復多次的分配后

，流動相中的成分相互分離

，從而分析流動相中成分信息的方法。氣相色譜法氣相色譜法中流動性為氣相

，要求被測樣品為氣態或者可以被汽化氣相色譜法分析效率高

，樣品用量少

，靈敏度高且應用范圍廣

，

主要應用于分析分離氣體和易揮發的物質

，在一定條件下也可以分析高沸點樣品和固體樣品。高效液相色譜法以液體為流動相

，將不同比例的溶液通過高壓輸液系統泵入裝有固定相的色譜柱

，通過固定相對流動相中各組分吸附能力的不同分離流動相的各成分，高效液相色譜法具有

“

四高一廣”的特點：

高壓、

高速、

高效、

高靈敏度、

應用范圍廣。液相色譜法液相色譜法是用液相作為流動相的色譜分析方法。液相色譜法具有檢測的分辨率和靈敏度高、

分析速度快、

重復性好、定量精度高、

應用范圍廣的特點，并且適用于分析高沸點、

大分子、強極性、

熱穩定性差的化合物。2.生物成分信息獲取技術

2.4質譜法質譜法(massspectrometry

，

MS)

：是利用電磁學原理將被測物質分子轉化為氣態離子并按質荷

比(m/z)大小進行分離記錄其信息

，從而進行物質結構分析的方法。質譜儀分類：（1）氣相色譜-質譜聯用儀（

GC-MS）（2）液相色譜-質譜聯用儀（

LC-MS）（3）其他有機質譜儀（4）無機質譜儀質譜儀2.5能量色散X射線光譜法能量色散X射線光譜儀（

Energy

Dispersive

X-Ray

Spectroscopy

，

EDS）

，是借助于分析試樣發出的元素特征X射線波長和強度實現的

，根據不同元素特征X射線波長的不同來測定試樣所含的元素。

通常EDX結合電子顯微鏡使用

，

可以對樣品進行微區成分分析。2.6X射線光電子能譜技術全稱為X-ray

Photoelectron

Spectroscopy（XPS）

，是一種收集和利用X-射線光子輻照樣品表面時所激發出的光電子和俄歇電子能量分布的方法

，XPS可用于定性分析以及半定量分析

，一般從XPS圖譜的峰位和峰形獲得樣品表面元素成分、

化學態和分子結構等信息。2.生物成分信息獲取技術能量色散X射線光譜儀（

EDS）XPS結構及分析原理生物力學信息獲取技術Part033.生物力學信息獲取技術

3.1靜態力學性能靜態力學性能主要包括模量、強度、伸長率等基本力學屬性拉力機基本原理及應力-應曲曲線記錄示意圖包括夾具、力傳感器、位移傳感器等

，在測量過程中

，不同的傳感器記錄對應的信息

，通過公式計算各種數據竹子維管束分離過程及拉伸試驗（a）竹條脫木素，（b）分離維管束，（

c）維管束試樣制備，

（d）單維管束拉伸試驗，（

e）維管束試樣拉伸-位移曲線1.常規力學性能

：拉力試驗機是獲得生物常規力學性能參數的主要儀器利用這類儀器

，可以獲得生物的彈性模量

，剪切模量等生物信息。3.生物力學信息獲取技術

3.1靜態力學性能2.數字圖像相關法數字圖像相關法

(Digital

ImageCorrelation,

DIC)是一種基于數字圖像處理和數值計算的非接觸式的光學測量方法

，用于測量實驗材料的應變。1）在數字圖像相關法用到了灰度的概念，通常使用0~255的數字表示。2）假設圖像灰度值與物體表面呈現一一對

應的關系

，可以通過對待檢測區域變形前后的灰度值來獲取物體表面實際的位移量。數字圖像相關法能夠實現對結構物體表面應變和形變場的快速、全場、非接觸式測量。通過DIC方法獲得的牛骨應力分布圖像3.生物力學信息獲取技術

3.2動態力學性能動態力學性能指材料在交變力場作用下的力學性能

，主要關注生物材料粘彈性

，如血管、肌肉、纖維都可認為是粘彈性材料。

當粘彈性材料受到交變應力作用時

，應變與應力不同相的現象稱為滯后粘彈性材料的滯回曲線

DMA分析儀DMA是測試材料機械性能和黏彈性能的重要方法

，測量參數包括：儲能模量（剛性）

，損耗模量（阻尼）

，粘彈性

，蠕變與應力松弛

，二級相變

，玻璃化轉變

，軟化溫度等豬左前降支冠狀動脈DMA分析樣品裝夾測試機與WinTest

DMA軟件一起對豬左前降支冠狀動脈進行DMA分析。組織標本包裹在浸泡在林格溶液中的薄紙中并預裝。對力和異相位移波進行了傅里葉分析

，并確定了力的大小、位移的大小、相位滯后、

δ和頻率現象。生物運動信息獲取技術Part044.生物運動信息獲取技術

4.1運動捕捉技術光學式動作捕捉

，通過計算機視覺原理，

由多個高速攝像機從不同角度對目標特征點進行跟蹤來完成全身的動作的捕捉。硬地面上行走和奔跑兩種步態下觸地期內高速相機視頻記錄1.貼發光標記；2.CT掃描

，構架生物模型；3.運動追蹤系統測試軌跡；4.用Simi

Motion運動追蹤系統分析標記點數據和關節運動學數據光學運動捕捉構成4.生物運動信息獲取技術

4.2高速攝像技術技術綜合利用光、機、

電、光電傳感器與計算機等一系列技術

，拍攝間隔時間在千分之一秒到幾十萬分之一秒之間

，主要用于記錄高速運動或變化過程中的某一瞬時狀態或全部歷程的手段。高速攝像技術具有精度高、速度快、拍攝信息量多等優點

，能精準記錄動物各種行為過程

，利用慢動作重現動物在各種生態環境下的真實反應

，是研究仿生運動的關鍵技術難點

，高速攝像技術是捕捉生物運動信息重要手段。高速相機拍攝的果蠅翅膀運動4.生物運動信息獲取技術

4.3粒子圖像測速粒子圖像測速（

P

IV）可視化流動的光學方法

，在流體中注入了示蹤粒子

，充滿顆粒的流體被照亮，使得顆?？梢?/p>

，顆粒的運動用于計算所研究的流動的速度和方向（速度場）。P

IV系統組成（1）示蹤粒子示蹤粒子需要同時具備良好的跟隨性和散光性

，

良

好的顆粒頻響能力要求顆粒密度與流體密度接近

，

或顆

粒粒徑足夠小。（2）

P

IV相機圖像傳感器有CCD和CMOS之分

，

P

IV系統使用的相機有低速跨幀相機、

高速相機和高速跨幀相機之分（3）

P

IV激光器P

IV系統使用的激光器有連續激光器和脈沖激光器之

分

，激光波長通常為532nm或527nm的綠光（a）箭魚產生渦結構游動；（b）鰻魚構造負壓場游動P

IV廣泛用于生物運動信息的獲取生物感知信息獲取技術Part05超聲波探測器工作原理：利用超聲波發射

，通過被測物體的反射、回波接收后的時差來測量被測距離的

，是一種非接觸式測量儀器被動聲學監測技術指將聲音傳感器(以下稱自動錄音機)安裝在野外環境中收集野生動物及其所在環境的聲音信號的監測方法。5.仿生感知信息獲取技術

5.1聽覺信息獲取技術01雷達工作原理：波被物體反射可以測定方位的原理02035.仿生感知信息獲取技術

5.2嗅覺信息感受嗅覺作為最古老的基本感覺之一

，是動物與外界的化學物質世界交流與互動的重要基礎。有兩種通路會幫助我們感知環境中的氣味分子：是指環境中散發的氣味

，如食物散發出來的氣味分子

，在我們吸氣時

順著空氣沿嗅裂攀升

，接觸到鼻腔

末端的嗅覺感覺神經元

，進而誘發

嗅知覺的途徑指的是我們咀嚼使得食物散發出來的氣味分子

，在我們吞咽和呼氣的

時候

，順著連通口腔和鼻腔的鼻后

通路又回到了鼻腔

，然后接觸到位

于鼻腔末端的嗅上皮

，進而誘發我

們的嗅覺體驗。鼻后通路鼻前通路5.仿生感知信息獲取技術

5.3觸覺觸覺一般是指分布于全身皮膚上的神經細胞接受來自外界的溫度、濕度、疼痛、壓力、振動等方面的感覺。狹義的觸覺是指刺激輕輕接觸皮膚

，觸覺感受器所引起的皮膚覺；廣義的

觸覺

，還包括增加壓力使皮膚部分變形所引起的皮膚覺。溫度受體和觸覺受體的發現：在特定的機械刺激下

，以Piezo蛋白為亞單位構成的離子

通道會做出響應并打開

，允許帶正電荷的離子流入細胞。

目前

，研究人員已經開發出多種體外刺激Piezo蛋白離子通道的技術

，如基于膜片鉗電生理學的“拉伸”和“戳”，基于原子力顯微鏡技術的壓痕及剪切力測試，基于化學激動劑或磁性納米顆粒的方式等。在觸覺受體發現之前：觸覺發生機制尚未清晰

，觸覺量化主要以“表征+計算”的范式進行

，即把整個