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2020年4月19日
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《自然界材料构筑科学与创新思维》研究报告

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目录
一、仿生学概念
二、自己对仿生学的理解
三、仿生学的应用
1. 利用动物体的特性
（1）利用鱼鸟的特点为火车入隧道过程降噪
（2）利用鲨鱼皮表面的特点进行抗菌
（3）利用珊瑚体秘方减少二氧化碳的排放
（4）学习小生物如何从雾气中获取水分
2. 利用植物体的特性
（1）利用树沿压力线重组的特性构造轻量化材料
（2）利用叶子的光合作用制造太阳能电池
（3）利用荷叶表面的特性制造防雨工具
（4）王莲能够托起超重物体
3.利用细胞特性
（1）利用细胞膜的特性制造去盐薄膜
四、小结

一、仿生学的概念
仿生学是指人类模仿生物功能，来创造创造的科学。它是一门新型边缘学科研究对象是生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于人造工程技术之中。该学科的问世，大大开阔了人类的技术眼界，显示了巨大的发展潜力，是人类智慧的结晶。

二、 自己对仿生学的理解
仿生学就是经过理解动物的自身特性，以及它们利用这些特性所做出的利于自己生存的本事，再经过人类能动性的思考，抽象出前所未有的新思想新概念，最后利用联系的思想加以应用于人类的生活和生产，为人类创造便捷和更有突破的生活方式。我们的生活、生产中不缺乏一些例子。例如，我们平时最讨厌的在空中到处乱飞的苍蝇，利用苍蝇的鼻子嗅觉原理能够制作小型的气体探测仪，利用苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）进行模仿，将它制成了“振动陀螺仪”应用到了火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶；利用蝙蝠发出的超声波能够与障碍物反弹的原理制成了制造出了雷达，应用到了飞机航空中。萤火虫腹部的发光器中的荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合便发出荧光，正是利用这样的原理，创造了日光灯......
像这样仿生学的例子数不胜数。接下来，让我们具体看一看仿生学的应用。

三、 仿生学的应用
1. 利用动物体的特性
（1）利用鱼鸟的特点为火车入隧道的过程降噪
有一名工程师J.R.韦斯特是研究子弹列车项目的一个成员，由于子弹列车的车头是圆的，因此每次经过山洞的时候，就会产生一种冲击波，以至于驶出山洞的时候会发出音爆巨响。因此这个工程的工程师领队就号召大家想办法降低子弹列车驶出山洞时的音量。其中J.R.韦斯特也是一名鸟类爱好者，在研究学习中，她观看了一个翠鸟的视频，发现这种鸟在一种介质进入另一种不同密度的介质（从空气进入水），没有溅起一丝的水花。于是工程师们从翠鸟的喙上找到了灵感，流线型的长喙从尖端到头部的直径是逐渐增大的，潜水时会让水流向身后。经过将子弹头列车的车头部分改造成翠鸟鸟喙的形状，工程组解决了这个疑难已久的问题：大大降低了音噪，速度也随之提高了10%,节省了15%的电力。
（2） 利用鲨鱼皮表面的特点进行抗菌
鲨鱼在茫茫大海中游走，面对着海底形形色色的生物却不被它们所沾染，是如何做到的呢？是因为它们表面的皮肤结构。它们的表面附着着一层锯齿状物。这层锯齿状物是凹凸不平的小鳞甲，它能够避免一些黏液、水藻和藤壶在身体上附着，让它们失去了了立足之地，也就是让细菌无法附着在鲨鱼的表面上。医院的墙壁正是采用了这种技术，把这种锯齿结构铺在了墙壁上，有效避免了细菌的附着和滋生。这种方法大大优于了利用抗菌或其它的洗液去除细菌的方式，因为许多细菌在与这种洗液抗争的过程中，早已自然选择出了那些抗药性的个体。因此这个“墙壁锯齿化”的方法确实从根源上解决了这一大难题。
（3） 利用珊瑚体的秘方减少二氧化碳的排放
现如今的生产生活已经比拼的不但仅是生产效率的高低，更加考验的是如何绿色低碳的生产。有间美国的水泥制造厂名叫Clara，她们利用了珊瑚体的一些自身特性——能够大量吸收二氧化碳，变废为宝。工厂利用这点将大量的二氧化碳其转换成水泥、混凝土等有用的建筑材料，这样就把平时生产模式中的方程式进行了调换，原本生产
一吨的建筑材料会排放一顿的二氧化碳，现在则减少了将近一半的排放量，大大减轻了对环境的污染程度。
（4） 学习小生物如何从雾气中获取水分
生活在纳米比亚沙漠的一种小生物，由于在沙漠中能够在摄取水分而一直存活，没有消亡。虽然她们没有新鲜水分能够饮用，可是她们依靠从雾气中获取水分的方法，维持着生命。在它翅膀的后侧有部分凸起，这个突起具有亲水的前端和蜡质的旁侧，使其具有亲水特性，这样雾气会回凝在尖端，然后从旁侧流下直到进入嘴中。一些建筑就利用到了它的特性。建筑师把这项科技应用到了建筑涂料中，这样能够将雾气回收利用，比捉雾网的作用好上10倍！

2. 利用植物体的特性
（1）利用树沿压力线重组的特性构造轻量化材料
树木一般沿着压力线自我重组，利用这种结构能够构造轻量骨架，即利用树木的那种拉伸应力，制造齿轮，让齿轮能够在一定的自身承受范围内；利用树脂材料，我们还能够构建汽车的骨架，这样能够使用最少的材料构建它，同时树脂材料也能够协助促使桥梁轻量化，建筑钢筋轻量化，从而获取最大限量的支撑力。
（2）利用叶子的光合作用的方式制造太阳能电池
基于叶子的运作方式，叶子经过光合作用对太阳进行吸收，太阳能电池正是基于这种将太阳能转换的方式，转换成了电能，利用了这一思想，将叶片的表面转换成电池的表面，太阳能电池的表面拥有吸收阳光的物质，这一物质仿造了叶片表面，从而合理吸收了太阳能。
（3） 利用荷叶表面的特性制造防雨工具
荷叶“出淤泥而不染”，露珠在上面也呆不住。荷叶为什么能不沾泥土和水？中科院专家分析了荷叶的表面细微结构，发现其表面有许多乳状突起，这些肉眼看不见的小颗粒，正是“荷花自洁效应”的成因，能够让荷叶不沾染脏东西。于是，专家们模仿了荷叶的表面结构，研制出人工仿生荷叶。仿生荷叶实际上是一种人造高分子薄膜，该薄膜具有不沾水和不沾油的性质。同时，仿生荷叶还具有类似荷叶的“自我修复”功能，仿生表面最外层在被破坏的状况下依然保持了不沾水和自清洁的功能。这项研究可用于开发新一代的仿生表面材料和涂料。新型的“仿生荷叶薄膜”能够用于制造防水底片等防水产品。仿生荷叶涂料刷墙将不沾灰尘；同样，我们也能够应用到雨衣或者厨具上，这样就能够防水防油了。
（4） 王莲能够托起超重物体
王莲的叶子很大，直径有2米多，四周向上反卷，像一个大平底锅。莲叶向阳的一面淡绿色，非常光滑；背阴的一面土红色，密布粗壮的叶脉和很长的刺毛。虽然只是一片巨大的叶子，但它的支撑和承重能力却极不一般。在一片王莲叶上，站一名35公斤的少年，它仍能像小船一样稳稳地浮在水面上；即使是在叶面上均匀地平铺一层75厘米厚的细沙，这个“大平底锅”依然纹丝不动，决不会沉入水中。人们经过仔细研究发现，这异常强大的力量来自纵横交错、粗细不等的叶脉。莲叶背面有许许多多粗大的呈放射状的叶脉，之间还有镰刀形的横筋紧密联结，构成了一种非常稳定的网状骨架。莲叶较强的承重能力由此而来。

3. 利用细胞特性
（1） 利用细胞膜的特性制造去盐薄膜
大自然中有很多的净水需要我们去除盐，然而现在很多的除盐方法不是太低效，太复杂，就是成本高。刚开始我们的方法是用水挤压细胞膜，细胞膜堵塞，而且发现这样的方法太费电。而大自然的方法则是优雅的，它仅仅利用的是细胞膜的通透性，由于细胞膜表面会有沙漏形的小孔，叫做水孔蛋白。它们能让水分子经过，而留住离子等溶解质。有些公司就开始模仿这种结构制造去盐薄膜，这样能够高效地利用这种结构，彻底分离开水与盐的离子溶解质。

四、小结
仿生学是一门新学科，这门学科尝试向自然界中的一些“天才”学习和借鉴经验，经过听取她们的一些“建议”，整理她们的建议，形成自己对待事物的新的解决方法。这些动物植物甚至是微生物，她们都有着自己的生存规律，适应着复杂多变的生存环境。就好比一个蜂族，它们利用自己的“智慧”，创造出如此精致富有层次感的蜂巢，让人们相信了动物其实是有它们的天分的，我们不但仅是那个最有创造性的群体，很多的突破我们都要依靠低级的动物去给予我们灵感实现。在这样的事实面前我们不得不承认在这些低等的动植物面前，我们确实不能像它们一样，利用自己的特点优雅的生存着；更不得不感慨仿生学这项事业的伟大，它能为我们带来的是前所未有的突破，也可能是巨大的精神财富，让我们长久安定的存活在这个蓝色的星球上。相信在这个新世纪，人类会更好地利用生物本身的特点，完善人类的生产生活，使我们这个星球大大小小的各领域都能够飞速运转起来！