仿生学导论 [The Introduction of Bionics] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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任露泉，梁云虹 著

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• 仿生学
• 生物学
• 工程学
• 交叉学科
• 科技
• 自然科学
• 创新
• 设计
• 生物启发
• 前沿科技

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030500991

版次：1

商品编码：12044172

包装：平装

外文名称：The Introduction of Bionics

开本：16开

出版时间：2016-09-01

用纸：胶版纸

页数：349

字数：456000

正文语种：中文

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。

内页插图

目录

第1章 仿生学基本概念
1．1 仿生学含义
1．1．1 定义原则
1．1．2 斯蒂尔（J．E．Steele）定义
1．1．3 传统定义
1．1．4 现代定义
1．1．5 仿生学相关定义
1．1．6 “仿生学”英文释义
1．1．7 工程仿生学
1．2 仿生学研究内容
1．2．1 生物、生活、生境与大自然
1．2．2 工程技术需求
1．2．3 仿生转化
1．2．4 仿生制品设计与制造
1．2．5 仿生成果评价
1．3 仿生学研究目标
1．3．1 自然发现
1．3．2 技术发明
1．3．3 工程创造
1．3．4 思维创新
1．4 仿生学研究特点
1．4．1 新兴、前沿
1．4．2 学科交叉
1．4．3 原创性强、生命力强
1．4．4 上、中、下游研究紧密结合
1．4．5 可续发展
1．5 仿生学研究意义
1．5．1 开启向自然学习的新时代
1．5．2 加快揭示生物奥秘的步伐
1．5．3 促进生物进化优化成果的应用
参考文献

第2章 仿生学分类
2．1 仿生学分类原则
2．1．1 传统与现代相结合
2．1．2 形式与内容相统一
2．1．3 纵向与横向相衔接
2．1．4 交叉渗透相融合
2．2 从横向联系分类
2．2．1 不同领域
2．2．2 不同学科
2．3 从纵向联系分类
2．3．1 不同尺度
2．3．2 不同层面
2．4 从模拟因素分类
2．4．1 单元仿生
2．4．2 多元仿生和耦合仿生
参考文献

第3章 仿生学基本要素
3．1 仿生需求
3．1．1 需求驱动
3．1．2 科学推动
3．1．3 任务促动
3．2 仿生模本
3．2．1 生物模本
3．2．2 生活模本
3．2．3 生境模本
3．3 仿生模拟
3．3．1 模拟内容
3．3．2 模拟方法
3．4 仿生制品
3．4．1 非生命仿生制品
3．4．2 包含生命组件的仿生制品
3．4．3 具有完整生命的仿生制品
3．5 仿生学基本要素间的关系
参考文献

第4章 人类与生物的进化
4．1 进化历程
4．1．1 人类进化历程
4．1．2 生物进化时间
4．2 生存空间
4．2．1 人类生存空间
4．2．2 生物生存空间
4．3 物种分类
4．3．1 人类
4．3．2 生物
参考文献

第5章 人类与生物的感知
5．1 视觉
5．2 听觉
5．3 嗅觉
5．4 味觉
5．5 触觉
参考文献

第6章 人类与生物的控制
6．1 控制系统
6．1．1 控制器
6．1．2 感受器
6．1．3 效应器
6．2 控制原理
6．3 控制成效
6．3．1 快速
6．3．2 精确
6．3．3 高效
6．3．4 可靠
参考文献

第7章 人类与生物的反应
7．1 运动
7．1．1 有位移运动
7．1．2 无位移运动
7．2 生物自适应特性
7．2．1 自医、互医与自我保健
7．2．2 伪装
7．2．3 共生与寄生
7．2．4 定时、定位、导航
7．2．5 休眠
7．2．6 耐抗性
7．3 生物机械功能特性
7．3．1 强韧性
7．3．2 减阻
7．3．3 自洁
7．3．4 耐磨
7．4 生物社会功能特性
7．4．1 社会构成
7．4．2 社会特征
7．4．3 社会功能
7．4．4 社会行为
参考文献

第8章 人类与生物的关系
8．1 生物为人类之师
8．1．1 进化史比较
8．1．2 自我调控过程比较
8．1．3 结构功能特性比较
8．2 人类为万物之灵
8．2．1 智力
8．2．2 创造性思维
8．3 人类与生物关系的时变规律
参考文献

第9章 人类与生活
9．1 人类生活及其方式
9．1．1 生活含义
9．1．2 生活方式
9．2 人类生活现象
9．2．1 日常生活中的生活现象
9．2．2 人文生活中的生活现象
9．2．3 本体生活中的生活现象
9．3 人类自然生命
9．3．1 生活的主体，智慧的载体
9．3．2 创造文化的大脑智慧系统
9．4 人类生活是仿生学的重要源泉
9．4．1 生活现象仿生
9．4．2 人类自身资源仿生
9．4．3 人类脑资源仿生
参考文献

第10章 人类与生境
10．1 生存环境——生境
10．1．1 生境的含义
10．1．2 人类生境
10．2 自然环境
10．2．1 自然景观
10．2．2 自然现象
10．3 生态系统
10．3．1 自然生态系统
10．3．2 人类生态系统
10．4 生境是仿生的重要源泉
10．4．1 学习自然进行仿生
10．4．2 学习生态进行仿生
参考文献

第11章 仿生发展态势与规律
11．1 仿生实践先于仿生学
11．1．1 仿生意识的萌发
11．1．2 仿生实践的助推
11．1．3 仿生始终伴随着人类社会的进步与发展
11．2 仿生道路曲折
11．2．1 仿生学诞生
11．2．2 并非一帆风顺
11．2．3 遵循科学的“实践-认识-再实践-再认识”规律
11．3 仿生理念不断深化，仿生学发展迅速
11．4 竞争焦点、前景无限
11．4．1 竞争焦点
11．4．2 前景无限
参考文献

第12章 仿生学基本原理
12．1 需求性原理
12．1．1 需求性原理的主旨
12．1．2 单目标需求
12．1．3 多目标需求
12．1．4 需求的合理性与科学性分析
12．2 模本原理
12．2．1 模本优选原则
12．2．2 单目标模本
12．2．3 多目标模本
12．2．4 模本优选与综合优化
12．2．5 模本的简化与凝炼
12．3 相似性原理
12．3．1 需求与仿生模本的相似性
12．3．2 相似性性质分析
12．3．3 相似性方法优选
12．4 可实现性原理
12．4．1 仿生方案可行性
12．4．2 仿生技术路线可行性
12．4．3 仿生目标实现的风险性分析
12．5 比较优化原理
12．5．1 比较优化原理的内涵
12．5．2 优于传统
12．5．3 优于非仿生
参考文献

第13章 仿生学基本原则
13．1 主动仿生
13．1．1 高度重视培养仿生意识的自觉性
13．1．2 高度重视走仿生创新路径的主动性
13．1．3 高度重视基于科学推动进行仿生的积极性
13．2 绿色仿生
13．2．1 绿色是仿生的前提条件
13．2．2 仿生全程应是绿色的
13．2．3 仿生成果的绿色管理与应用
13．3 可续仿生
13．3．1 仿生理念可续
13．3．2 仿生路径可续
13．3．3 仿生资源可续
13．4 最佳化仿生
13．4．1 单目标最佳化与多目标最佳化
13．4．2 局域最佳化与全域最佳化
参考文献

第14章 仿生研究的主要方法与技术
14．1 仿生研究的主要方法
14．1．1 理论分析法
14．1．2 计算机仿真法
14．1．3 相似模拟法
14．1．4 试验优化法
14．2 仿生研究的主要技术
14．2．1 仿生建模技术
14．2．2 仿生设计技术
14．2．3 仿生制造技术
14．2．4 仿生测试技术
14．2．5 仿生效能评价技术
参考文献

前言/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。

仿生学导论 [The Introduction of Bionics] 简介 一、导言：跨越界限的探索 本书《仿生学导论》旨在为读者提供一个全面而深入的视角，探讨仿生学——这门学科如何从对自然界生命现象的观察、理解和模仿中汲取灵感，以期解决人类工程、技术和设计领域所面临的复杂挑战。仿生学（Bionics），或称生物启发工程（Bio-inspired Engineering），并非仅仅是简单的“模仿”，而是一个涉及深度跨学科知识融合的过程：生物学、材料科学、机械工程、电子学以及计算机科学的交叉汇集点。 我们生活在一个由自然界塑造的、历经数十亿年优化的世界中。从昆虫翅膀的轻盈与强度，到植物根系的自我修复能力，再到海洋生物的流线型设计，自然界提供了一部活生生的、高效能的工程手册。本书的出发点，便是引导读者认识到这些自然系统的卓越之处，并将其作为创新和可持续发展的蓝图。我们不会重复探讨书中所包含的具体案例，而是聚焦于构建理解仿生学理论框架和应用前景的基石。 二、仿生学的基础哲学与历史脉络 仿生学的探索并非现代科学的产物。从古希腊的阿基米德设计出模仿鱼类游动原理的装置，到达·芬奇对手稿中对鸟类飞行动力学的细致描摹，人类对“借鉴自然”的渴望从未停止。然而，直到二十世纪中叶，随着电子学、控制论和系统生物学的发展，仿生学才真正发展成为一门独立的、系统的科学分支。 本书首先建立了一种重要的哲学基础：仿生学认识到，自然界中的每一个结构、每一个功能，都是在特定环境压力下经过长期“筛选”和“优化”的结果。因此，仿生设计不仅仅追求功能上的等同，更追求在效率、能耗、材料利用率和环境适应性上的最优解。我们探讨的不是简单地复制一个叶子的形状，而是理解叶子在光合作用中的结构-功能关系，并将其原理应用于新型光伏材料的设计。 三、从结构到功能：仿生学的核心维度 仿生学可以被分解为多个相互关联的分析维度，这些维度构成了本书的理论骨架。 1. 结构仿生 (Structural Bionics)： 这一维度关注自然界中材料和构型的巧妙组合。自然界很少使用单一的、完美的材料；相反，它依赖于复杂的分层、梯度和多孔结构来同时实现强度、韧性和轻量化。例如，骨骼的层状微结构、贝壳的层状交错排列，以及蜘蛛丝的高强度特性。理解这些结构如何将宏观性能（如抗冲击性）转化为微观尺度的设计原则，是结构仿生的核心挑战。我们关注的重点在于如何从这些自然结构中提炼出可制造的、可扩展的工程原理，而非仅停留在现象描述层面。 2. 功能与过程仿生 (Functional and Process Bionics)： 这涉及对生物体完成特定任务的机制进行解构。这可能包括流体动力学（如鱼类的低阻力游动、鸟类的无噪音飞行）、热力学调控（如白蚁丘的被动通风系统），以及化学过程（如酶催化的极高选择性）。这里的关键在于分离出驱动特定功能的核心算法或反应路径，并将其抽象化，使其可以被电子系统或化学反应器所采纳。 3. 控制与信息仿生 (Control and Information Bionics)： 这是仿生学中最接近人工智能和机器人学的领域。它关注生物体如何感知环境、处理信息并做出实时决策。例如，昆虫的导航系统如何处理复杂的动态信息，或神经网络的分布式处理能力。该维度启发了新型的传感器设计、分布式计算架构以及能够在高度不确定环境中自主操作的智能系统。我们关注的是去中心化的、容错的控制策略，而非传统的集中式控制模型。 四、工程转化的挑战与路径 将自然界中的精妙设计转化为可行的工程产品，是一个充满挑战的“翻译”过程。本书不回避这些障碍，而是探讨跨越“尺度鸿沟”和“材料鸿沟”的必要方法论。 1. 尺度差异 (Scale Gap)： 生物系统往往在微米到纳米尺度上表现出卓越的性能（如表面超疏水性或粘附力），而传统工程往往在宏观尺度上操作。如何有效地将这些微观特性放大到工程应用所需的尺度，同时保持性能不衰减，是至关重要的研究方向。 2. 材料限制 (Material Constraint)： 自然界倾向于使用廉价、可再生和易于加工的材料（如蛋白质、纤维素、矿物晶体）在环境温度和压力下构建复杂系统。工程界则往往依赖于高温高压、能源密集型的合成过程。仿生学的目标之一是开发出能够模仿自然材料的自组装、自修复或环境友好型的替代材料。 三、跨学科的融合与未来愿景 《仿生学导论》的叙事主线，始终强调仿生学作为一种综合性思维模式的作用。它迫使工程师和设计师跳出传统的、基于已知物理定律的思维框架，去探寻那些可能隐藏在生命系统深处的、尚未被完全理解的效率法则。 本书旨在培养读者一种“生物视角”的创新能力：在面对任何工程难题时，首先提出的问题不是“我该如何设计一个新齿轮”，而是“自然界是如何解决这个问题的？” 这种视角转变，是推动下一代可持续技术、先进医疗设备以及更具适应性机器人的关键驱动力。 本书的探讨将引导读者预见到，仿生学不仅仅是对过去成就的致敬，更是通往未来工程学范式的桥梁，它预示着一个更加高效、低耗能、与环境和谐共存的技术世界的到来。

评分☆☆☆☆☆

这本书的名字是《仿生学导论》，当我第一次在书架上看到它时，就立刻被这个标题吸引住了。仿生学，这个词本身就充满了神秘感和科学探索的意味。我一直对大自然的神奇造物充满了好奇，总是惊叹于那些经过亿万年演化而来的生物，它们身上蕴含着多少解决人类难题的智慧。从鸟类的飞行原理到鱼类的水中游动技巧，再到昆虫的微观结构，每一个生命现象背后似乎都隐藏着一套精巧的设计。我期待这本书能为我揭开仿生学的神秘面纱，让我了解科学家们是如何从生物身上汲取灵感，进而创造出各种新奇的发明和技术。比如，我一直很好奇，我们现在的飞机是不是真的借鉴了鸟类的翅膀设计？还有，为什么有些机器人的运动方式会如此流畅和灵活，是不是也模仿了某些动物的肢体结构？这本书的名字听起来就非常适合作为入门读物，能够为我打下坚实的基础，让我对这个跨学科领域有一个初步的认识，并为我日后更深入的学习和探索打开一扇大门。我希望能在这本书中看到那些能够让我眼前一亮、惊叹不已的例子，了解仿生学是如何将生物的奇妙之处转化为实际的应用，解决我们生活中遇到的各种挑战。

评分☆☆☆☆☆

当我在书店的架子上看到《仿生学导论》这个名字时，心中涌起一股莫名的激动。仿生学，一个连接生命与科技的词汇，让我对书中内容充满了无限的遐想。我一直认为，大自然是世界上最伟大的工程师，它在漫长的演化过程中，创造出了无数精巧绝伦的生命形态和运作机制。从微观到宏观，每一个生物都蕴含着解决问题的智慧。这本书的名字，直接点明了其核心内容，我迫不及待地想知道，人类是如何从这些大自然的“设计图”中汲取灵感，并将之转化为改变世界的科技。是否会有关于仿生材料的介绍，比如模仿蜘蛛丝强度的新型纤维？或者关于仿生机器人，它们是否能像动物一样灵活地在复杂环境中移动？我非常期待书中能有许多鲜活的案例，展示仿生学在航空航天、医疗、建筑、甚至艺术等领域的广泛应用。我希望能通过这本书，对仿生学有一个系统而全面的认识，了解它不仅仅是一门学科，更是一种全新的思维方式，一种尊重自然、学习自然、并从中获得启发的哲学。

评分☆☆☆☆☆

拿起《仿生学导论》这本书，我的脑海里立刻充满了各种关于自然界奇妙事物的画面。仿生学，这个名字本身就充满了吸引力，它仿佛在告诉我，我们将要去探索那些隐藏在生命体中的科学秘密，并将其转化为人类的智慧结晶。我一直对大自然的神奇造物感到敬畏，从候鸟的迁徙导航，到树叶的光合作用，再到珊瑚礁的复杂生态系统，每一个生命现象都蕴含着令人惊叹的精巧设计。我期待这本书能为我揭示，科学家们是如何从这些生物身上汲取灵感，从而创造出诸如更轻便的材料、更高效的能源利用方式，或是更智能的机器人。这本书的“导论”性质，让我相信它会为我提供一个坚实的起点，让我能够理解仿生学的基本概念、发展历程以及它在各个领域的应用潜力。我希望能从中看到那些能够让我拍案叫绝的创新案例，了解仿生学不仅仅是模仿，更是一种深刻的洞察和融会贯通，最终为人类社会带来福祉。

评分☆☆☆☆☆

《仿生学导论》这个书名，瞬间就抓住了我的眼球。我一直对那些将自然界神奇设计转化为人类实用技术的科学领域充满了好奇。仿生学，这个词本身就带着一种智慧和创新的光环。想象一下，从蜂巢的六边形结构中得到的建筑灵感，或者从鲨鱼皮的纹理中得到的减少阻力的船体设计，这些都是让我觉得不可思议的例子。我希望这本书能深入浅出地讲解仿生学的基本原理，让我明白科学家们是如何观察、分析并模仿生物体的结构、功能和行为。我特别想了解，那些在生物界习以为常的现象，比如昆虫复眼的视觉原理，或者某些植物的自我修复能力，是如何被应用到现代科技中的。这本书的“导论”二字，让我预感它会为我打开一扇通往这个奇妙领域的大门，让我对仿生学有一个初步但清晰的认识。我希望它能提供一些精彩的案例研究，让我看到仿生学是如何在解决实际问题上发挥巨大作用，并对未来科技的发展方向有一个更深刻的理解。

评分☆☆☆☆☆

我最近入手了一本叫做《仿生学导论》的书，虽然还没来得及仔细阅读，但仅仅从它的名字就能感受到它蕴含的无穷魅力。仿生学，听起来就是一个充满未来感和创造力的学科。我一直对那些能够模仿自然界生物机制而创造出来的科技产品非常着迷。想象一下，如果有一天我们能像鸟儿一样自由翱翔，或者像鱼儿一样在深海中探索，那将是多么令人兴奋的事情！这本书的出现，似乎正是我在寻找的那个窗口，它能够让我窥探到这些令人惊叹的科学奥秘。我非常好奇，那些看似不可能的技术，比如仿生腿、仿生眼，究竟是如何实现的？它们在设计上又借鉴了哪些生物的特点？这本书会不会深入浅出地介绍这些背后的原理，让我这个对科学充满兴趣但又非专业人士也能理解？我期望它能提供一些生动有趣的案例，让我看到仿生学是如何将理论付诸实践，又是如何一步步改变我们生活的。我希望这本书不仅能让我增长知识，更能激发我对科学探索的热情，让我思考未来科技发展的更多可能性。

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纸张一般，价格太贵，