奇异的仿生学

鸟巢、水立方,看到这些似浑然天成的建筑,我们不由感慨人类的巧夺天工;飞机、潜艇,自由翱翔、乘风破浪之时,我们不得不折服人类的智慧。然而,这只是人类向自然学习的管中窥豹而已。从花鸟鱼虫到飞禽走兽,从白鹤惊飞到鱼翔浅底,大自然充满奥秘,仿生学更加神奇,让我们一起走进奇异的仿生世界……

吉林大学

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  • 分类: 工程 生物
  • 平台: 中国大学MOOC
  • 语言: 中文

课程概述

仿生学是新兴的交叉学科,“师法自然”是仿生学的核心,人类社会文明的起源于人类非凡的智慧,而人类的智慧体现为学习、创新与创造,向自然学习无疑成为推动人类文明进程的重要方式,人类在学习、模仿、改造自然中不断前进,催生了生机勃勃的现代文明。仿生学被誉为“新世纪原始创新的动力与源泉”,并与自然科学、人文科学紧密联系。仿生学与生俱来的原始创新性将启发学生观察自然、思考自然,在观察中领略大自然的神奇、在思考中体味大自然的奥秘。

该课程面向本科各个专业,以仿生学基础教学为主的通识教育课。课程以加强学生能力培养和素质教育为主,通过大量的图文教学以及视频动画,使学生了解并掌握仿生学的基本知识,及诸如在军事、材料、地面机械、文体、建筑等方面仿生学的应用,激发学生的创新意识。

课程大纲

第一讲 从模仿到创造——仿生学的发展(一)
前言
1.1 仿生学的起源
远古时代、工业时代、信息时代、知
识时代人与自然的关系。
1.2 仿生学的诞生
1、仿生学的定义;
2、仿生学广义及狭义理解。
1.3 仿生学与科技创新的关系
1、科学的内涵;
2、技术的内涵。

第二讲 从模仿到创造——仿生学的发展(二)
1.4 仿生学的基本要素
1、仿生学四个要素;
2、仿生要素的关系。

第三讲 从灵感到制造的创新过程——仿生学的研究方法
2.1 生物体分析
1、仿生学研究方法;
2、土壤动物蜣螂、蚯蚓、穿山甲、田鼠及荷叶的生物特征。
2.2 生物模型分析
土壤动物蜣螂、蚯蚓、穿山甲、田鼠及荷叶的生物模本。
2.3 仿生原理分析
1、蜣螂减粘脱附机理;
2、蚯蚓体表降阻机理;
3、穿山甲鳞片脱附机理;
4、田鼠皮毛减粘脱附机理;
5、荷叶自清洁机制。
2.4 实物模型建立
仿生触土部件及农机具的仿生机理。

第四讲 适者生存——军事仿生(一)
3.1 仿生武器装备
1、生物结构与兵器造型的关系;
2、鸟和昆虫的飞行原理;
3、鱼和海兽与潜艇的关系;
4、仿生导弹的仿生机理
5、夜视仪的仿生机理。

第五讲 适者生存——军事仿生(二)
3.2 仿生战略
蜘蛛战略、狡兔战略、蚕食战略、挖洞战略、犄角战略、刺猬战略的特点。
3.3 仿生进攻战术
虎扑战术、狼群战术、鼹鼠战术、麻雀战术、黄蜂战术、鸷鸟战术、小鱼吃大鱼战术的进攻特点。
3.4 仿生防御战术
动物合群抗敌与环形防御、动物颜色与迷彩伪装、动物骗术与战术佯动、动物共生与协同作战、夜蛾反声纳与电子战的防御特点。

第六讲 自然与人工–仿生材料
4.1 天然生物材料
1、天然生物材料的定义;
2、天然生物材料的特点。
4.2 仿生材料
1、仿生材料的定义与分类;
2、仿竹、仿木材、仿贝壳、仿骨材料的结构特点。
4.3 仿生界面材料
雁鸭羽毛、玫瑰花瓣、蝴蝶翅膀、壁虎脚掌、蜘蛛丝、甲虫背部等的界面状态及特征。

第七讲 从鸟巢到“鸟巢”——仿生建筑初探
5.1 城市环境仿生
1、仿生建筑的定义与分类;
2、巴黎改建的仿生学原理。
5.2 使用功能仿生
朗香教堂、爱乐音乐厅、德国不莱梅的高层公寓、津巴布韦哈拉雷伊斯特盖特中心及仿蜂巢建筑的仿生设计原理。
5.3 建筑形式仿生
天津博物馆、中华恐龙馆、耶鲁大学冰球馆、滑铁卢火车站、英国国家航天中心、美国科罗拉多州丹佛国际机场、米拉公寓的仿生设计原理。
5.4 组织结构仿生
1、埃菲尔铁塔、密尔沃基艺术馆、加拿大蒙特利尔德国馆、荷兰鹿特丹的“城市仙人掌”的仿生设计原理;
2、仿生建筑设计的局限性。

第八讲 运动与美——仿生学与文体
6.1 体育仿生
1、疾驰动物的运动特点及启示;
2、跬类跳跃的运动特点及启示。
6.2 中华武术
1、中华武术中站桩、拳法、械法与动物动作的关系。
2、形意拳的内涵。
6.3 文化艺术中的仿生烙印
芭蕾舞剧天鹅湖、卓别林的艺术角色、乐曲百鸟朝凤、动画片、工艺美术作品、舞蹈等的仿生原型及特点。

第九讲 舞动的精灵——昆虫仿生
7.1 昆虫结构仿生
昆虫体表形态结构、翅的色彩花纹、翅的鳞片结构、足的形状、昆虫巢穴形态及仿生原理。
7.2 感觉器官仿生
1、昆虫复眼的特点;
2、昆虫的嗅觉原理;
3、昆虫的听觉原理。
7.3 运动功能仿生
1、竹节虫的运动控制原理
2、萤火虫与冷光源;
3、步甲虫御敌自卫及二元武器。

第十讲 科幻离现实有多远——奇妙的人造器官/组织
8.1 神奇的大脑
人类大脑的研究如“蓝脑计划”。
8.2 敏感的鼻子
1、鼻子的功能;
2、鼻子的嗅觉功能原理。
8.3 仿生耳
耳朵的听觉原理
8.4 人工皮肤与肌肉
1、人工皮肤的构成;
2、肌肉的分类;
3、人造肌肉一般都有几类。

第十一讲 生物社会组织的启示——管理仿生学
9.1 管理仿生学基础
1、管理仿生学的概念;
2、管理仿生学的研究层次。
9.2 管理仿生学应用
1、蜜蜂种群的管理模式及对人类管理的启示;
2、蜘蛛种群的管理模式对人类管理的启示。

证书要求

完成80%以上的课程学习,平时成绩占70%,考试成绩30%,合格分数为60分,优秀分数为85-100。

预备知识

不需要

参考资料

1 D. S. 哈拉西: 仿生学, 科学出版社, 1965年.
2 任露泉, 梁云虹. 耦合仿生学. 北京, 科学出版社, 2012.
3 鲍中行, 军事仿生谈. 国防大学出版社, 1990
4 骆德汉. 仿生嗅觉原理、系统及应用, 科学出版社, 2012.
5 崔福斋等编著, 仿生材料,化学工业出版社,2004.
6 贾贤等编著,天然生物材料及其仿生工程材料,化学工业出版社,2007.
7 江雷等著, 仿生智能纳米界面材料,化学工业出版社,2007.
8 李峻柏主编, 纳米科学与技术:分子仿生.科学出版社, 2013.

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