生物模仿技术篇1

[关键词]游戏引擎；机械动力仿真；虚拟现实技术

中图分类号：TP391.9；TD672文献标识码：A文章编号：1009-914X（2014）33-0225-02

一、引言

三维游戏由于引擎技术在建模技术、物理引擎技术、复杂环境的高质量实时渲染技术、动画技术、人工智能技术、对象的行为控制技术等各方面不断的完善和强大，已经极大地引起了人们的关注和重视。游戏引擎不再仅用于游戏娱乐产业的开发，更多的渗透到了教育软件开发、虚拟现实应用、动画影视（特技）制作、军事训练、实时模拟等人类生活的各个领域。极大地改变了人们的生活方式和思维方式。

游戏引擎技术尤其物理引擎技术不断的研究发展，让我们意识到仿真虚拟机械动力的可能性。利用游戏引擎虚拟机械运动，将为开发教育游戏中的虚拟物理实验、网上数字科技馆、娱乐型游戏中的机械道具和多样化游戏任务等具有重要的应用价值和研究意义。

传统的机械动力仿真技术和虚拟现实技术虽然在一定程度上也能虚拟机械的运动，但是由于那些技术不可避免的弊端对机械动力仿真技术应用在其他领域形成了瓶颈。传统的机械工业仿真技术缺乏交互性，设计复杂，表现单调。随着多媒体技术、计算机动画技术、虚拟现实技术、网络技术等技术的渗入，以VRML（VirtualRealityModelingLanguage虚拟现实造型语言）或Cult3D为代表的技术给机械仿真领域带来了交互性，但是由于传统的虚拟现实技术固有的特性，如运动行为的硬编码、交互性差、画面不流畅、系统实现复杂等，使得基于游戏引擎技术虚拟机械动力的技术具有很大的优势和更大的发展前景。

本论文研究的技术充分利用了游戏平台的优势，它不仅具有传统虚拟现实系统所有的优点，而且具有3D游戏般的交互性和逼真的动力学模拟。从开发角度而言，游戏引擎的实时渲染能力、快速的计算能力、组件化、可重用性以及面向对象的编程方式等，都使得应用游戏引擎成为一种非常便捷和有效的仿真技术手段。本文描述了利用游戏引擎模拟简单的机械动力实例的核心技术。

二、机械动力仿真技术研究背景

概念设计是机械设计过程中的最初阶段，主要目的是获得产品的本质形状。[3]机械仿真技术的发展为机械工业概念设计注入了新的活力。计算机运算处理能力的提高为机械系统的仿真提供了更好的基础。

我国机械系统传统的计算机辅助工具多数是AutoCAD，Pro/E，SolidWorks，SolidEdge，3DMAX等2D和3D软件，此类建模软件含有大量的图形文件，容量较大，不利于网上传输和远程控制。同时这种方式建立的三维模型是静态的，动画是设计者事先设计好的一副副二维动画，用户只是被动的接受，而不能按照自己的意愿进行实时交互式仿真。

虚拟现实技术作为一种更为人性化的交互技术，近几年来逐渐渗透到各个应用领域。虚拟现实技术的沉浸特征、交互特征和构想特征，刚好弥补了上述传统方法的不足。因此，运用虚拟现实的方法实现机械设计系统成为必然。传统的机械仿真都是代码编写控制的运动效果，没有实现通过物体间力的作用而让物体产生运动，所以不免比较生硬，不能具有可复用性和柔性。

综上可知，机械工业虚拟仿真技术由于其复杂性、综合性决定了开发的困难，因此势必需要一些工具来辅助开发，游戏引擎由于其本身的特点，成为开发机械工业虚拟系统的有力工具。

三、游戏引擎技术

1.三维游戏引擎

一般而言，三维游戏引擎包括：引擎内核、三维图形引擎、物理引擎、人工智能系统、3D模型和图像库、网络引擎、输入系统。三维游戏引擎中各子系统关系可由（图1）表示。

2.游戏引擎技术的优势

（1）利用游戏引擎可以简化系统制作的复杂度，缩短开发时间，降低制作成本。

（2）游戏引擎中强大的物理引擎为该机械动力仿真系统提供了保障，这也是不同于其他虚拟现实技术的闪光点。

（3）该游戏引擎能快速嵌入到网页中运行，因此，极大的活跃了网页式三维虚拟现实技术，因为传统的三维网页虚拟技术在WEB中运行效果不是很好，运行缓慢，效果单调，交互性差，游戏引擎技术的支持在一定程度上可弥补这些不足。

（4）游戏引擎的最大特点是可以实时渲染，这样使得开发者可以及时浏览和调整系统。Unity3D游戏引擎甚至可以支持在程序运行时改动场景中物体的属性。这样的实时性改变，使得开发者能迅速获得最佳的设置效果值。

（5）基于游戏引擎技术开发的机械动力仿真系统，具有游戏般的交互能力，活跃了机械展示的表达方式。

（6）在游戏引擎平台上的二次编程代码被称为“脚本”，大多数脚本语言都是面向对象的编程特点，具有封装、多态、可复用性等特性。简单易学，使虚拟系统设计者易于开发应用。

四、主要结论

3D游戏引擎技术最大的特点就是它把一个程序中可以重复利用的部分，以精巧的模块组织起来，将其规格化、最佳化，以利于程序重用技术。利用引擎不仅可以开发出“景物真实、动作真实、感觉真实”的三维系统，更重要的是利用它我们可以节省大量的人员和资金，简化系统制作的复杂度，缩短开发时间，降低制作成本，并且游戏引擎普遍具有的FPS（FirstPersonShooting第一人称射击游戏）特性，这一特点可以巧妙的应用于交互设计中。游戏引擎的实时渲染、动态编译和可视化编辑功能有效解决了传统的虚拟现实技术中存在的渲染耗费时间和硬件成本的问题。

3D游戏引擎最吸引人的是它的强大的PhysX物理引擎和真实的图形渲染引擎。强大的功能会提升研究的成功性。从开发方面考虑，该引擎的脚本语言近似c#或javascript，使得开发轻车熟路，而且脚本是动态编译的，运行速度和汇编接近，不会因为脚本的问题而影响系统的执行效率。从方面考虑，该引擎支持跨平台，而且用该引擎开发的作品可以通过网页直接运行，是3D虚拟现实作品轻松实现网页漫游的良好解决方案。

参考文献

[1]杨红娟，周以齐，石柏成，陈成军.机械系统虚拟现实建模方法的研究.中国图像图形学会.642～646.

[2]刘强，刘春全.机械动力仿真软件在抽油机运动学上的应用.装备制造技术，2008年，第12期.49～51.

[3]石其乐.简易型虚拟现实技术的实现.宁夏工程技术，2003年8月，第2卷第3期：227～245

生物模仿技术篇2

关键词：仿真计算机仿真计算机仿真技术

一、引言

仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿，人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界中某一层次的问题做出决策。计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在电子计算机上对该仿真模型进行模拟实验的研究过程。计算机仿真技术即以计算机仿真为手段，通过仿真模型模拟实际系统的运动来认识其规律的一种研究方法，也称计算机仿真方法。在科技飞速发展的今天，它已经成为控制系统分析、研究、设计不可缺少的重要工具。

二、计算机仿真技术的特点

1.模型参数可根据要求任意调整、修改和补充。人们可以得到各种可能的仿真效果，为进一步完善研究方案提供了可能。与传统的实物实验相比，具有运行费用低、无风险、方便灵活等优点。

2.系统模型求解快速。运用计算机仿真，能够在较短的时间内得出仿真运算的结果，为生产实践提供最及时的指导。

3.仿真运算结果可靠、准确。在机器没有故障的前提下，只要系统模型、仿真模型、仿真程序科学合理，那么计算机的运算结果是准确无误的。

4.实物、实时仿真直观、逼真。这一特点使它在一些复杂工程系统中例如核电、航天等领域得到了广泛应用。

传统的仿真技术是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况反复修改模型和有关的参数，不仅效率低，也存在环境、安全等因素的限制，所以很难达到实验者满意的仿真效果。而计算机仿真技术是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在试验条件下对模型进行动态实验，它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统尤其是复杂系统的重要工具。

三、计算机仿真技术的研究现状

计算机仿真技术的发展与计算机的发展是密不可分的。20世纪50年代的计算机仿真大部分是以电子模拟计算机为主机实现的，在部分特殊应用领域内也有以液压机、气压机或阻抗网络作为主要模拟设备的。由于电子模拟计算机的精度较差等缺点，从70年代初开始，数字模拟混合计算机仿真得到发展。从70年代末起，以数字机为主机的各种各样的专用和通用计算机仿真得到了普及和推广。转贴于由于高性能工作站、巨型机、小巨机、软件技术和人工智能技术取得了引人瞩目的进展，在80年代人们对智能化的计算机仿真寄予了希望，也在综合集成数字仿真和模拟仿真优势的基础上，设计出了在更高层次上的数字模拟混合仿真技术，在一些特定的仿真领域内，这种智能计算机仿真和高层次的数字模拟计算机仿真都取得了令人鼓舞的结果。80年代初推出了一些仿真机，SYSTEM10和SYSTEM100就是这类仿真技术的代表。90年代又开始了交互式仿真和虚拟仿真的研究并取得了一定的成绩。特别是近20年来，随着系统工程与科学的迅速发展，计算机仿真技术也得到了蓬勃发展，已经从传统的工程领域扩展到非工程领域，在社会经济系统、环境生态系统、生物医学系统、能源系统、教育培训系统等得到了广泛应用。

四、计算机仿真技术的展望

随着计算机应用技术和网络技术的发展，计算机仿真技术也在不断地发展。未来的发展主要有两个方向：

1.仿真技术的网络化

众所周知，现在已经开发研制出来的仿真系统有很多，它们不能互相兼容，可移植性差，实现共享困难，与开发的高成本、低效率、长时间不成正比，更不能充分加以利用。要想解决这些问题，首先要解决的是采用兼容性好的计算机语言来编写仿真系统，其次是采用网络化技术实现仿真系统的共享。尤其是后者，在将来的仿真系统开发中具有重要的意义。实现仿真系统的网络共享，不但可以在一定程度上避免不必要的社会资源的浪费，而且可以通过适当的收费来弥补开发成本的不足。

2.仿真技术的虚拟制造

计算机仿真技术发展的另一个大方向是在虚拟制造技术领域的深入应用。虚拟制造技术是20世纪90年展起来的一种先进的制造技术，它利用计算机仿真技术和虚拟现实技术的结合，在计算机上实现了从产品设计到产品出厂以及企业各级过程的管理与控制。这使得制造技术不再主要依靠经验，便可实现对制造的全方位预测，为机械制造领域开辟了一个广阔的新天地。

参考文献

[1]王中鲜MATLAB建模与仿真应用.机械工业出版社，2010。

生物模仿技术篇3

1.1研究背景和意义

目前,建模与仿真技术在国内物流行业得到了广泛应用。尤其是近一个时代,在大型物流系统规划设计阶段都有仿真的决策参与,仿真逐步成为行业要求的必备技术环节,几乎所有物流招投标项目都要求给出仿真验证与优化的结果说明。但同时,系统建模与仿真技术在我国物流行业应用中面临着仿真技术的推广应用和应用水平不高、应用效果有限,反过来影响了仿真应用的深化与推广的矛盾局面。在实际应用中,被动“自然”地接受仿真实施人员个人偶然和不确定性的影响而带来的无法事先控制的逼真度和仿真效用与仿真代价的问题非常突这导致在物流仿真实践中,往往依据个人经验和环境、条件、资源约束在建模过程中,不经分析和决策,甚至没有意识和考虑这个环节,而进行随意性的逼真度选择,导致无法控制仿真效用和仿真效果的被动局面;或者,经过不断的调整,完成无系统设计和计划的、动态的逼真度调整过程,导致仿真效果和仿真代价上的非优化均衡;这大大影响了仿真决策支持的效率和仿真本身优势作用的发挥。业界的应用现状表明,目前应用实践中普遍存在着不确定性、模糊性和被动性,仿真应用的普及并没有带来建模与仿真实施的规范与统一的衡量标准,反而形成了较多依赖于建模者本身的随意性局面,这大大限制和阻碍了系统仿真在物流领域应用的深化提高和发挥其应有的作用。从研究现状来看,目前,大多数的逼真度研究集中在国防军事、航空飞行、医疗救助和教育等领域,这些研究都带有应用行业的特点,和物流系统现实案例结合度很低。对于物流系统规划设计实践中,各参与方之间的参与合作模式没有一个可借鉴的标准,导致仿真模型验证对于仿真决策的支持往往没有发挥应有的作用。同时,对于仿真成本效用均衡研究不足,各应用领域内未形成比较完善的研究框架,对于如何把握建模与仿真的逼真度,如何进行建模过程中的逼真度管理,缺乏基础性研究与尝试,更没有系统性框架、流程和体系。

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1.2文献综述

目前,建模与仿真技术在各类应用需求的牵引及有关学科技术的推动下,己经迅速发展成为一项通用性、战略性技术,广泛应用于航空航天、信息、生物、材料、能源、先进制造等高新技术领域和教育、军事、交通、经济、医学、生活服务等众多领域的系统论证、试验、分析、维护、运行、辅助决策及人员训练和娱乐等[2]。但是,对于逼真度的研究目前主要集中在教育训练、国防军事、航空飞行和医疗救助这几个领域,这些研究都带有各自应用行业的鲜明特点。传统意义上,训练领域是第一个推广使用仿真技术到很大程度的领域,逼真度研究在训练仿真领域有很好的实践,特别是飞行员训练领域[3]。这个领域的研究认为在整体模拟器中逼真度是唯一的。这种包括人的模拟器,人机界面的逼真度是评断模拟器合适程度的最重要的因素,也是唯一的因素。1993年和1997年提出的FAA/JAA标准被认为是飞行模拟器认证的逼真度标准。在国防军事领域,一般是对作战过程抽象建立作战模型。1989年,在美国陆军、国防建模与仿真办公室DMSO和DARPA的共同倡导和支持下,正式提出了分布交互伤真的概念。针对分布式仿真提出了FiMO逼真度管理过程,用一种.机构化方法来解决联邦开发与执行过程(FEDEP)中每一个开发阶段大量的逼真度描述和测量问题。在医疗保健领域,仿真可以辅助临床医学教育、开展临床技能培训与考核、实现远程医疗等。在最初的医学仿真系统中,将逼真度的研究重点放在人体的几何特性上,关注有限的用户交互。现代的医疗过程仿真中,包含了纷繁的组织器官的运动行为、病人的反应行为、医生的治疗行为以及之间的交互行为等,逼真度研究的关键问题在于人与物体的行为描述、行为控制以及人与物体的交互等[4]。

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第二章M&S参与方的仿真效用与仿真代价均衡研究

2.1M&S活动各参与方参与模式分析

系统仿真在物流领域的应用可以用于对物流过程的仿真研究、物流管理的仿真研究和物流成本的仿真研究。物流过程是指运输、仓储、装卸、包装等物流的功能过程。对物流过程的仿真主要是为了研究诸如在事件的进程中这些过程是如何推进的、推进过程发生了哪些事件、这些事件引起系统状态发生了哪些变化等问题。例如,通过对自动化立体库的物流过程仿真可以分析自动化物流系统设备布局的合理性、设备运行的效率、系统的生产率、系统中设备的利用率等问题;物流管理的仿真研究的是为物流管理决策分析服务的,如交通运输网络的布局规划自动化系统的策略运用、供应链库存控制策略等;运用仿真方法对物流成本的计算主要是在物流系统运行过程中动态地记录其物流成本的消耗,最终准确统计各项物流作业的成本。这种方法利用了系统仿真以时间为基准的特点。当系统运行时,计算机仿真可以将各种动态过程的时间准确记录下来,将时间消耗转化为工时的计算,就可以计算出物流作业成本。通过对物流系统的仿真,可以预演或再现物流系统的运行规律,对系统规划、设计和运行中的科学管理与决策有重要的支持作用。在实际设计过程中仿真人员可以根据具体项目的需要选择相应的仿真方案建模,因为面对有限的资源和成本,过多的仿真建模会增加设计的成本。而在实际设计项目中,设计的具体情况也千差万别,有些设计步骤在设计过程中确定性很高,不需要仿真的辅助,仿真人员应根据具体项目的需要选择合适的仿真方案。

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生物模仿技术篇4

虚拟现实技术是指利用计算机技术创造虚拟的环境和人物，这些环境和人物“看”起来，“听”起来，甚至“摸”起来和真的一样。相比建模技术而言，计算机仿真技术侧重于刻画事物或系统随时间或环境的变化而变化的过程。

计算机仿真技术可以用来增强虚拟环境的“沉浸感”和“逼真性”。比如，在虚拟的计算机环境中仿真出各种逼真的物理效应。物理效应包括人体运动、水流、烟雾、火以及物体之间的碰撞和爆炸等。根据这些物理规律，人们可以建立它们的抽象数学模型并采用偏微分方程数值求解技术计算它们随时间变化的动态过程，并通过计算机图形的渲染技术将这些物理效应在计算机屏幕上呈现出来。使用仿真方法模拟出的许多物理效应可以达到观看者无法判断是计算出的还是真实拍摄的地步，从而可以使用户沉浸在计算机展示的虚拟环境中。

五个阶段

在中学时我们就遇到过这样的问题:已知子弹离开枪口的速度，在不考虑空气阻力的情况下求解子弹的运动轨迹。实际上这个问题可以看做是一个简单的计算机仿真问题，我们可以利用经典的牛顿力学模型来描述子弹的运动过程，再根据初始条件和微积分思想设计数值求解算法，求解该问题。

简单说来，计算机仿真技术就是采用数学工具建立描述事物或系统变化规律的数学模型或物理模型，并设计数值计算方法求解模型参数，以及事物或系统在给定初始条件下随时间的变化情况或者是在不同的边界条件下系统状态的变化。

一般而言，计算机仿真需要经过建模、编写计算程序、运行程序进行实验、分析实验结果、修改和完善模型这五个阶段。建模的阶段就是对待仿真的事物或系统分析其主要因素，忽略次要因素，分析主要因素之间的定量关系，并用数学语言描述出来。根据得到的定量关系和已知变量采用数学方法找出计算未知变量的算法。根据求解未知变量的算法编写计算程序，然后在计算机上运行程序，观察在不同输入数据情况下系统的变化。最后根据实验结果分析模型的准确性。

如果实验结果和实际情况不符合，那么回到建模阶段检查，是否误将主要因素忽略、主要因素之间的定量关系是否准确。然后根据修改的模型在再进行仿真实验，直到计算结果和观察所得的实际情况相符为止。

根据被研究系统的特征又可以将仿真系统分为两大类:连续系统仿真和离散事件系统仿真。连续系统仿真是指对那些系统状态变量随时间连续变化的系统的仿真研究。这类系统的数学模型包括连续模型（微分方程等），离散时间模型（差分方程等），以及连续－离散混合模型。离散事件系统仿真是指对那些系统的状态只在一些时间点上由某种随机事件的驱动而发生变化的系统进行仿真实验。这类系统的状态量是由事件的驱动而变化的，在两个时间之间状态量保持不变，因而是离散变化的，称之为离散事件系统。

应用范围

通常，计算机仿真技术用在如下几种情形。

1.对系统进行真实实验的代价高昂。比如在汽车工业中需要对新型的汽车做碰撞实验，检测其安全特性。科研人员根据材料力学、碰撞力学等知识对碰撞过程建立物理模型，然后利用计算机仿真计算在不同碰撞条件下汽车的碰撞效果，并根据仿真的碰撞结果来改进汽车的设计。

2.系统的实现只有一次机会，比如大坝的建造。因此需要在设计过程中对大坝以及相应的地质情况、水文情况建立较为准确的模型，然后计算不同设计方案中大坝的承载能力、抗震能力等数据，最终挑选出一个合理的设计方案。

3.需要预测系统在未来的变化，比如2008年奥运会期间的天气情况。首先，需要建立大气动力学模型，然后利用往年的天气资料确定模型的一些系统参数，并把在计算机上运算该模型以验证模型的准确程度，最后利用该模型预测2008年奥运会期间的天气情况。

计算机仿真本质上是对物理对象建立数学模型，然后通过数学方法分析物理对象中的性质、预测物理对象随时间的变化情况。因此计算机仿真在航空航天的设计制造、天气预报、交通模拟等领域中得到了广泛应用。

一个人体运动仿真的例子

虚拟人是虚拟环境中一个很特殊的对象。他和其他对象不同之处在于人是一个主动个体，他的行为不仅由物理规律还由人的意识决定。比如从房间的这一端走到那一端，不同的人有不同的行走路线，人在高兴或者悲伤的时候面部表情、姿态都有很大的差异。为了把这些不同的行走姿态仿真出来，人们综合了生物力学、控制论、数值优化等技术，但是即便如此，还不能完全解决这个困难的仿真问题。另外大规模人群行为的仿真也是目前研究的热点问题，它不仅要考虑单个人的仿真问题还需要考虑人与人之间的相互作用和影响对仿真结果的影响。

我们在人体运动仿真方面研究了人体空中运动的仿真，图1中黄色代表一个初始的前空翻运动，该运动是手工编辑出来的。绿色代表一个仿真的运动，该运动比原始运动更逼真。图2从左右视角和脚尖的轨迹对比两个运动。

图1仿真运动（绿色）和初始运动（黄色）的对比图

图2从左右两个视角观察运动，圆点表示有脚尖的运动轨迹

虚拟现实技术可以将复杂的数值计算过程变成一个可以“看”得见的推演过程，即一个可信的计算过程，使结果直观可信。因此，在虚拟环境中开展计算机仿真技术研究是一项重要内容。

链接:几款优秀仿真软件

由荷兰国家应用科技研究院TNO开发的MADYM多刚体动力学分析软件将有限元融入多刚体系统分析中，成为了一个多刚体与有限元结合的数学模拟软件。该软件中有全世界最好的机械假人的数学模型，已成为汽车碰撞安全性设计的工业标准。

生物模仿技术篇5

关键词仿生学；工业；设计；科学；技术；运用；

中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：

引言

工业设计是一门综合性的交叉学科。它研究的核心是工业时代的象征——产品，是针对产品的功能、材料、形态、色彩、表面处理、装饰等诸多因素，从社会的、经济的、技术的角度进行综合处理。它所涵盖的知识体系包括自然科学、社会科学、人文科学等众多学科，各学科的内容及理论体系均对工业设计具有一定的指导作用与影响。当今信息时代，人们对产品设计的要求不同于过去，不只是注意功能的完善，还要追求清新、淳朴，返璞归真的个性设计。从大自然的生存哲学即和谐与艺术的角度进行综合形态、功能、结构、材料等更深意义和层次上的仿生设计，才应该是这个时代的设计师们所追求的目标。

一、仿生学的概念

仿生学以研究生物系统的结构和性质来为工程技术提供新的设计思想及工作原理。“仿生学”一词由美国J.E.斯蒂尔提出，1960年全美第一届仿生学讨论会正式建立了仿生学学科。40多年来，其研究范围主要包括：力学仿生、能量仿生、分子仿生和信息与控制仿生。形成了数学、物理学、化学、技术科学与生物学相融合的边缘交叉学科。仿生学所研究的方向和内容为工业设计在设计思想、设计理念及技术原理等方面提供了理论与科学的物质支持。仿生学由此而成为指导与辅助工业设计工作的一个重要学科，对于工业设计的理论与实践均具有深远的建设性意义。

二、仿生学与工业设计

仿生学是近几十年来发展起来的属于生物学与技术科学之间的一门边缘学科。其英文为bionics,来自于希腊文bion,意指生命。J•E斯蒂尔博士提出仿生学定义———仿生学是模仿生物系统的原理来建造技术系统,或者使人造技术系统具有或类似于生物系统特征。其研究范围为机械仿生、物理仿生、化学仿生、人体仿生、智能仿生等。在机械仿生中还分为结构仿生、功能仿生和形态仿生。

工业设计是一门综合性的边缘交叉学科,虽然其核心是产品设计,是构成产品的功能、结构、形态、色彩、材质等要素,但围绕这些核心要素的工业设计活动却涉及到社会经济、科学技术、文化艺术等人类生活的各个层面,并需要综合社会科学和自然科学中众多学科知识来完成。

随着人们对生物的进一步研究,仿生学获得了迅速的发展。利用仿生学原理来指导工业设计成为工业设计中的一个重要分支—仿生设计。

作为工业设计创新设计方法之一的仿生设计学的概念和研究成果,以工业设计的专业知识和技能为基础,以工业设计创新思想和观念为指导,是工业设计创建人与自然和谐关系,改进人类生活方式的一个重要途径和研究方向。例如，美洲虎给予人的认知是速度与野性，模仿其生态特点设计而成的美洲虎汽车也自然会让人联想到该车的高速与驾驶的刺激。这种仿生设计便是恰当的，也是合乎情理的。日本GK工业设计事务所为山叶公司设计的模仿“奔牛”形态的摩托车，菲利普·斯塔克设计的模仿“章鱼”形态的榨汁机等，这些设计成功地把握了设计对象与仿生对象间的相关性与互动性因素，符合人们的认知心理，从而使设计被大众所理解、接受，成为优秀设计的代表。

三、现代工业设计中的仿生

德国著名设计大师路易吉•科拉尼曾说：“设计的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中”。这话道出了自然界是蕴含着无尽设计宝藏的天机。归纳现代工业设计中的仿生，其主要表现在以下几个方面：

（一）形态的仿生

形态从其再现事物的逼真程度和特征来看，可分为具象形态、抽象形态和意象形态。

（二）功能的仿生

在工业设计上，功能仿生多用于外形模拟。如计算机模仿大脑的存储功能，控制机器人，来完成各种恶劣环境下的工作。减轻了人的劳动强度，提高了生产率，改善了劳动条件。

（三）结构和材料的仿生

一般工业设计师积极地关注仿生发明中精巧的结构和奇特的材料，并且巧妙地应用这些结构和材料，结合市场的需求创造出人们需求的产品，从而创造更有价值的仿生成果，为人类创造更加精美更加丰富的产品。

四、综合仿生设计

4.1在现代工业产品设计中，单纯地从形态、功能、结构或材料的某一个方面来仿生是很少见的，更多的是综合形态、功能、结构和材料的多个方面来进行仿生设计，而且还从大自然的生存哲学即和谐与共生的角度进行仿生设计。如梅塞德斯-奔驰在纽约现代艺术博物馆名为“弹性的设计”的展览会上展出的一款仿生概念车，它就是形态仿生、功能仿生、结构仿生与色彩仿生的综合运用。下面以Aibo机器狗为案例，对综合仿生进行案例分析。Aibo机器狗是由日本sony公司推出的一款娱乐性家用机器人。能够与使用者进行实际交流，根据用户的命令和其自身在实际使用场景中对经验的学习作出相应的动作。在Aibo的设计中，很明显它的创意来源于人类对狗的亲睐，其造型就是狗的造型，生动的运用了形态仿生。在实际生活中，人类少不了宠物，但是宠物有很多缺点，比如卫生问题、在不适当的时候打搅我们，甚至有时候会违背我们的愿望做坏事等等。为了调和这一矛盾，sony的设计师试图通过高科技手段造一个人造宠物，这样，既能作为一种宠物陪人类解闷，又能克服宠物自身的缺点，因此，产生了该产品的总功能定义:娱乐。为了实现这一总功能，设计师为Aibo定义了许多种分功能，比如说跳舞、打磕睡、陪人玩游戏、自动拍照等等许许多多的分功能。为了实现娱乐这一功能，设计师从自然界中寻找对应物时，考虑从人类宠物的范围中去寻找，因为从心理学角度讲正是为了某种心理寄托才会去养宠物，比如解闷。狗是宠物中最受人类所亲睐的动物，自古以来，狗都是人类最亲近的朋友，他可以为人类看家、打猎、甚至还能干一些简单的家务。

4.2设计师的灵感往往源于自然界。达·芬奇在16世纪时写道:人类的灵性将会创造出多样的发明来，但是并不能使得这些发明更美妙、更简洁、更明朗;因为自然的物产都是恰到好处的。但是，仿生学对设计的意义并非仅仅是对自然的模仿，而是透过自然的现象探究自然系统背后的机制，即生物工程技术与工作原理，然后为设计的构想敞开一片广阔的领域，为设计的实施提供理论与技术的支持，最终达到造福人类这一根本目的。例如，飞机高速飞行时，机翼受气流的冲击常发生颤振，从而导致机翼断裂，机毁人亡。仿生学家从蜻蜓翅膀上的黑色翅痣想到了配重，于是给飞机机翼上装了配重。从此，飞机的此类事故大大减少，完善了航空空气动力学，对飞机的设计具有重大意义。再如，对响尾蛇的研究，形成了红外传感技术，对军工产品的设计更具指导意义，成为许多武器设计构思的理论基石。

仿生学研究形成的生物工程技术激发了设计师的设计灵感，而设计的物化过程更需要技术的铺垫与支持。可以说，没有技术支持的设计只能使设计停留于概念与设想，不具有现实意义。

4.3对于仿生学的运用，小到模仿生物的形态，大到生物的生理机制，这种模仿的前提来自人们对于某种生物的认知。人类的认知往往带有一种惯性。对于某种事物的认知常会形成一种意识或概念，进而将这种意识或概念转移到与之相关的事物上，潜意识里以先前形成的“认知概念”理解、判断、接受与之相关的新事物（第一次接触到）。把仿生学运用于工业设计，设计师必须理解、关注人类的这种认知规律，慎重地、有选择性地面对仿生对象，把握、处理好设计对象与仿生对象之间的关系，师法有据，师法有理，避免使设计产生歧义。

同时，就学科间的关系而言，打破学科间的界限，互为补充、互为所用是现代科学走向学科系统化、体系化的一个重要方面。但学科间的借鉴、补充是以学科的相关性与互动性为前提的，二者之间需具备一定的“共性”、“共识”，仿生学与工业设计学科间的关系也不例外。例如，美洲虎给予人的认知是速度与野性，模仿其生态特点设计而成的美洲虎汽车也自然会让人联想到该车的高速与驾驶的刺激。这种仿生设计便是恰当的，也是合乎情理的。日本GK工业设计事务所为山叶公司设计的模仿“奔牛”形态的摩托车，菲利普·斯塔克设计的模仿“章鱼”形态的榨汁机等，这些设计成功地把握了设计对象与仿生对象间的相关性与互动性因素，符合人们的认知心理，从而使设计被大众所理解、接受，成为优秀设计的代表。

结束语

因此，工业设计师将仿生学运用于设计，决不能也不应该将这种运用单纯化、理想化，不能仅从设计师本人的设计理念出发，要因地制宜、因人而异，充分了解设计服务人群所处的地域和对象的心理等因素，了解因这些因素而导致的对于事物认识上的差异性，恰当、合理地选择仿生对象。设计不是设计师简单的个人行为，设计中的创造性、创新性应有针对性、目的性，这既是使设计得以接受的重要因素，也是设计师的职责之一，是设计工作复杂性的体现。

参考文献

[l]左铁锋.仿生学在工业设计中的运用[J].艺术设计论坛，2004，(10):20一21.

[2]杨文发，许世虎..仿生学理念在工业设计中的剖析和运用[J].包装工程.2006，06.

[3]袁国艳..仿生学设计在产品设计中的应用研究[J].东北师范大学.2009，05.

生物模仿技术篇6

物理实验不同于一般的科研，尤其是大学的物理实验需要学生自己进行实验的操作，得出数据，进行数据的处理，写出实验报告。学生进行物理实验锻炼的是操作实践能力，如果完全利用计算机进行操作无疑会降低学生的动手能力，所以计算机应该作为辅助手段，或者是发挥其在物理实验中的特殊作用。

2多媒体技术在大学物理实验中的应用

物理实验的计算机应用其一就是利用多媒体技术进行物理实验的教学。随着科学技术的高速发展，传统物理实验的教学已经无法适应现代社会的发展，势必要求改变物理实验的教学方法，而计算机尤其是多媒体技术的应用满足了现在物理实验的要求。

2.1利用多媒体技术进行教学

大学物理学承担着培养新型人才的重任。物理实验涉及面比较广，但是实验课时间有限，所以传统的物理实验往往无法让学生充分的学习和操作，老师的讲解也是“填鸭式”，完全按照课本的操作步骤让学习进修操作，得到的数据往往也是根据课本上的公式得出的。而对媒体技术的引入，能够让教师获得最先进、最前沿的物理实验知识，让学生的视野开阔，动手意愿更强，培养学生的创新意识和创新思维。能够丰富实验教材，方便学生进行学习，客服传统物理实验教学的弊端。利用多媒体技术制作物理实验教学的课件，能够大大提高教学效果。物理实验的操作过程往往不具体，有些抽象描述如果利用传统的教学模式无法直观的表达给学生，而多媒体技术能够利用计算机的模拟技术，将一些抽象的描述具体化为图像、表格等，让学生能够直观了解物理实验的信息。比如大学物理实验当中的“霍尔效应”中平衡态的建立过程，就需要利用多媒体技术，将实验中本来瞬间完成的动作放慢，让学生仔细的进行观察和理解。多媒体技术能够使用计算机技术当中的PowerPoint，Flash等制作物理实验课件，先让学生近距离、科学的接触物理实验，能够掌握模拟实验的基本步骤，这样在进行具体的物理实验过程当中就会得心应手，更好的巩固已经学习的理论知识。教师还可以利用网络将已经制作好的课件上传到网上，方便学生自行学习。

2.2利用多媒体技术进行教学管理

物理实验过程中，由于实验室的设备有限，所以一般上物理实验课都需要老师进行学生的登记，进行学生成绩的考察和记录。这些工作通常比较繁琐，浪费时间和精力。而多媒体技术的应用能够方便老师利用计算机技术进行学生登记。学生还可以利用计算机技术在网上提前进行选课。多媒体技术在教学管理上的应用应该侧重对管理系统软件的开发，按照物理实验的特殊教学管理模式开发相适应的系统软件。

3计算机仿真实验在物理实验中的应用

随着仿真技术的快速发展，计算机仿真实验也随之出现了。所谓的计算机仿真实验就是虚拟实验环境，能够节约实验室资源的利用和消耗，是利用现代科技的典型。

3.1计算机仿真技术在物理实验中的作用

目前计算机仿真技术应用于物理实验当中，大多数高校学生都称仿真物理实验仪器具有较高的仿真度、图像和文字一起能够增强学习的乐趣。其中，调节仿真仪器可以模拟真实的操作仪器，从而减少对真实仪器的损害，而且学生出现错误时候，能够智能的提供帮助。再次，仿真实验系统是利用计算机技术进行的，所以能够在网络上进行传播，实现资源的共享。

3.2仿真实验在物理实验中应用的现状

3.2.1仿真实验在我国的产生和优势

我国对物理实验中的仿真实验起步比西方发达国家晚，但是后来者居上，我国也开发了一些非常好的仿真软件，主要集中于一些技术较先进的单位，比如中国科技大学物理实验中的仿真实验，为物理实验的教学模式提供了新的借鉴，该仿真实验主要是充分发挥了计算机的功效，将教学内容和学习者的操作融为一体，方便了一些没有接触过实验的学生进行仿真模拟，对操作仪器和操作过程有了更加直观的认识。仿真实验在大学物理实验中有很多优势，第一，仿真仪器可以进行拆卸，从而更好地对仪器进行观察，让学生和老师对仪器有更进一步的了解和认识。第二，可以随意产生实验中待定的物理量，从而适应不同的学习阶段要求，满足不同学生的学习需求。第三，能够模拟实验的误差，从而对实验的质量进行综合的评价。第四，将学生所做的物理实验得出的数据进行存储，方便学生进行查阅，方便分析资料。

3.2.2仿真实验的具体案例

某大学的物理实验面临着资源不充足和设备不先进的局限，为了满足更多学生的需求，为了方便教师对物理实验的学生报告进行更准确的核实，该校利用计算机仿真技术开发了新的物理实验网络教学管理系统，这个系统的基础就是利用互联网而产生的。整个系统的设置采用了教学大纲的实验模式，包括实验仪器、实验原理等很多模块，主要分为基本模块和附加模块。

4总结