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在清华大学教授吕富殉先生的文章“走向21世纪——建筑仿生学的过去和未来”中，介绍了建筑仿生学的研究内容（见图）。
总的来说，建筑仿生学的研究内容大致可归纳为以下几个方面：
（1）建筑的功能与空间（形象）的组织。
（2）生物界的某些结构构造体系以及它们形成的特殊方法和规律。
（3）建筑与自然环境的相互关系问题以及生态保护问题的解决。
（4）生物界某些带有规律性的美学潜力的发掘以及建筑美学问题。
仿生建筑的创作以功能和形象的统一为基础，并将建筑和生物界形象构成的和谐为追求目标，具体来说，就是从建筑的使用功能出发，找到一种合适的形象，能更充分地满足建筑的使用功能及其特定的社会需要。丰富多彩的生物界向我们提供了取得功能和形象间的和谐关系的规律，给我们提供了无穷无尽的仿生构思的源泉，同时我们也可以看到，任何规律和原则都有可能通过不同的具体形式表现出来，这为我们正确地利用生物界和建筑的共同规律提供了保障。
德国著名仿生学家Werner Nachtigall在其著作《Pattern of Nature》中提出了“适合功能之造型的仿生学设计原则”，其中包括：整体化而不是附加构造，整体的最优化而不是零件的最大化，多功能而不是单一功能，对环境的微调，节能，直接和间接的太阳能利用，整体的循环代替不必要的垃圾堆积，网络化关联而不是线状联系等。
仿生学的设计原则给予建筑仿生设计一些有益的启示：
美国建筑师富勒从结晶体和蜂窝的棱形结构得到启发，提出：“世界上存在着能以最小结构提供最大强度的系统，整体表现大于部分之和”。他依据“少费多用”的原则，设计了最有效率的活动住宅（Dymaxion House）和装配形球架（Geodesic Dome） （图4-3）。福斯特和格雷姆肖得益于富勒的直接教诲，在资源优化的建筑设计上成了高技派建筑师的典范。
德国建筑师奥托在20世纪60年代组织了“Biologic and Architecture”研究小组，探索材料的高效应用及与环境亲和的建筑。奥托也崇尚“Less is More”，奥托关注资源的整体优化。奥托认为他的建筑创作不是从形式出发，而是从高效的生物适应性得到启发。材料科学的发展使得奥托的钢索张膜高效结构在全世界得到广泛应用（图4-4）。
适应性是生物经过长期的进化得到的为适应周围环境而形成的积极共生策略。动物教会我们如何应付高温或低温，植物又展示给我们如何应对太阳光辐射的生存模式，两者都提供了抵抗恶劣天气的崭新的处理方法。
把这种方法应用在建筑上是很有利的。例如人们研制了“特朗布壁”外墙系统（TrombeWalls），它利用热虹吸管/温差环流原理，使用自然的热空气或水来进行热量循环，从而降低供暖系统的负荷。在寒冷季节，墙体可以利用自身收集太阳辐射的能力加热空腔内的空气或水，新鲜空气则从墙体底部进入其空腔中，被热空气或水加热后进入室内，使热空气在室内循环流动。
从某种意义上讲，人有三层皮。第一层是人的自然皮肤，热的时候它可以出汗，冷的时候会起鸡皮疙瘩，能以不同的方式对所处环境作出微调：第二层是人的衣服，随着四季的交替人们可以增减衣服，以适应季节变化；第三层则是建筑物的表皮。过去，建筑表皮是僵化不变的，不随季节的变迁而变化。但在仿生学研究中，建筑不再仅仅是“保温箱”，除了被动地保温，以防止热量散失，它还应主动地利用太阳能；在冬季，白天要充分吸收阳光，夜晚则要防止热量散失；在夏季，则要满足防热要求。仿生学的多功能原则为满足这些多重需要提供了思路。
生物气候缓冲层（ BBL=Bioclimate Buffering Layer）就是典型的多功能策略。它是指通过建筑群体之间的组合关系、建筑单体的组织和建筑各种细部的设计，在建筑与周围生态环境之间建立一个缓冲区域，在一定程度上防止各种极端气候条件变化对室内的影响，同时强化使用者需要的各种微气候调节手段。生物气候缓冲层具体可以大到街道、广场等空间，也可以是建筑的外维护结构，还可以小到建筑的细部构造。
双层皮玻璃幕墙是生物气候缓冲层设计原则的具体体现。这种光、薄、透的新型表皮构造，在冬季的白天可以保证室内获得足够的日照，以高效实现太阳能的被动式利用，晚上除了中空玻璃可以有效地阻止长波辐射以外，关闭的特制金属百叶相当于增加了一道保温层，有效地阻止了室内热量的散失；而在夏季，空腔内因热压而上升的空气能将金属百叶吸收的热量带至窗外，通过调节双层幕墙之间的特制遮阳构件还可以起到遮阳和热反射作用，从而实现建筑的被动式降温（图4-6）。 2100433B
工业化的高速发展，使人类的文明发生了异化，破坏了自己的生存环境，也使人类的建筑创作陷入僵化和机械的境地，没有了创造性，这就是人们在近几十年来开始重视仿生学的原因。
人类的困惑在自然界中早已有了类似的答案。因为生物在千万年的进化过程中，为了适应自然界的规律，需要不断完善自身的性能与组织，需要获得高效低耗、自觉应变、新陈代谢、肌体完整的保障系统，生物才能得以生存、繁衍。人也是大自然的一员，人为了生存发展需要建筑，同时建筑也要适应自然界的规律。
建筑仿生学是仿生学的一个分支，它从仿生学的角度出发来研究建筑。它研究生物界中各种生物体的功能、结构、形象，并将研究成果用于建筑创作，从而致力于解决建筑和城市规划方面的某些问题，协调建筑和环境的关系，以保持生态平衡。
自然界是人类最好的老师，人们自古以来无时无刻不在自然界中获得灵感并进行着有益的创造。但建筑仿生并不是单纯地模仿、照抄，它是吸收动植物的生长肌理以及一切自然生态规律，然后结合建筑本身的用途而适应新环境的一种创作手法，无疑它是最具有生命力的，也是可持续发展的保证。
1983年德国人勒伯多（ J.S.Lebdew）出版了一本著作，名为《建筑与仿生学》（Architecture and Bionic） ，系统阐明了建筑仿生学的意义，建筑学应用仿生理论的方法，建筑仿生学与生态学的关系，建筑仿生学与美学的关系等等，正式为建筑仿生学奠定了理论基础。加上在此前后，许多有创见的建筑师进行了有关建筑仿生的实践，使建筑仿生学已逐渐形成为一种时代潮流。
令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。 苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。...
仿生学举例说明 1 苍蝇与振动陀螺仪 苍蝇为人类做出了的伟大的贡献。令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的...
1。由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。 2。从萤火虫到人工冷光； 3。电鱼与伏特电池； 4。水母的顺风耳，仿...
建筑设计中的仿生学研究
建筑设计中的仿生学研究
本文回顾了仿生学在室内建筑中应用的关键点和案例研究，给出了理解不同形式仿生学的框架并用于讨论每种设计方法，考虑了受自然启发的两种设计方案。设计师必须超越自然的形式特征，并鼓励人们对自然发展更深刻，更敏感的理解。
走向21世纪—建筑仿生学的过去和未来
走向21世纪—建筑仿生学的过去和未来
文章介绍了新兴的边缘学科-建筑仿生学的基本理论、原则和研究范围,论述了建筑仿生学在繁荣建筑创作、保护生态环境、完善建筑科学体系等方面所具有重要意义。
基本原则，利用仿生学手段及类似原理，推演建筑结构及外形布局的优化设计
分延包括建筑材料结构仿生无体结构体系，建筑布局仿生物结构体系，建筑结构及构造布置仿生物学体系，体系包含植物宏观结构，动物骨骼及抗震结构，动物力学传递原理。
宏观结构具体运用表现为鸟巢等大跨度空间结构，腹膜结构接超高层建筑。
材料力学方面运用相似原理对材料结构进行优化，达到轻质高强等极限要求。
微观结构方面增加结构抗震裂缝自愈能力，运用电子感应技术，预置微磨结构与建筑构件内部，达到构件开裂自愈和能力。
宏观结构方面，运用叶脉、竹等宏观结构，优化大跨度板的布置及高层结构设计布置，运用骨骼等生物工程力学原理合理优化布置高层内部钢结构及混凝土构件梁柱优化，利用腱鞘原理消弱地震影响力。
国内许多高校开设了相关课程，并对仿生有了比较系统的研究。其中，吉林大学依托工程仿生教育部重点实验室，开始了国内首个仿生科学与工程专业的硕士及博士招生。2015年，吉林大学创建一流大学一流学科建设项目“仿生科学与工程”新兴交叉学科评估顺利通过，并获得连续资助。 2100433B
内容简介
产品设计仿生是现代工业产品设计中重要的设计方法。本书分析了仿生设计的时代背景，目的和意义，国内外的现状，总结了仿生设计的基本理论、形态与产品形态仿生设计理论、产品形态仿生的类型及方法程序等内容，并针对产品形态仿生存在的问题提出了解决的策略与方法。本书在现有的形态仿生设计的基本方法与思路的基础上，构建了从生物原型到仿生设计程序的理论模型和从产品问题到仿生学的仿生设计程序的理论模型，创立了形态仿生优化的程序与方法，即：确立设计概念，生物形态优化，方案的视觉化，方案的产品化，产品的市场化。本书具有科学性、前沿性、启发性、趣味性和应用性，可供工业产品设计相关的高等艺术院校研究生与本科生使用，也可作为产品设计师的参考书。 2100433B
刘合
从千百年前模仿蜘蛛织网发明渔网，到近代模仿鸟类飞翔发明飞机，人类一直在向大自然学习，对仿生学的使用也从无意识向有意识转变。中国科学院院士路甬祥这么定义仿生学：仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。
进入21世纪，仿生学的思维和方法迅速渗透到各个学科和行业，其中包括石油工程。为了系统、全面地推动仿生学与石油工程的融合，2009 年，中国石油勘探开发研究院成立了中国第1个石油工程仿生研究部门。经过几年探索，在仿生泡沫金属防砂、非光滑表面膨胀锥、仿生振动波传输等方面取得了阶段性成果，部分进入了现场应用阶段。实践表明，石油工程和仿生学的结合是合理可行的，从长远来看，建立“石油工程仿生学”是非常必要的。
石油工程仿生学是借鉴生物系统的结构、原理、功能等特征为石油工程技术难题提供解决方案的学科。根据石油工业的技术现状、需求和特点以及仿生学的整体发展水平，未来石油工程仿生学应注重材料仿生、表面仿生、信息仿生和工程仿生等4个方面的系统性研究，以点带面，形成涵盖勘探、开发、工程的仿生技术体系。
1）材料仿生。材料仿生是指仿制天然材料或利用生物学原理设计和制造具有生物功能甚至是具有真正生物活性的材料。石油工程领域的材料仿生主要分为两类：一是在机械、电学、化学、物理等方面具有仿生特性的主体材料，此类材料或在宏观上体现出明显的仿生特征，或通过外场刺激可调控其分子的长度、结构、化学组成、表面形貌等，或通过自身特殊微纳结构形成天然材料所不具备的超常物理特性（如光学、声学、热学等），具有轻质高强、超隔热、声学隐身等特征的这类材料可用来替代石油工业中常用的钢铁、橡胶、陶瓷等，大幅提升现有材料、工具以及传感器的性能指标；二是具有强化、修复、润滑、保护等作用的微观仿生材料，此类材料可提高现有制剂性能、界面结合效果等，多以添加剂的方式应用。
2）表面仿生。表面仿生是指在处理对象表面实现类似生物的表面结构。未来石油领域的表面仿生重点集中在仿生非光滑功能表面和仿生浸润性两方面：仿生非光滑功能表面主要应用到大量处于恶劣环境中的设备、管线、平台中，提高运动组件的减阻、耐磨、脱附等性能以及非动组件的防腐、防垢等特性，延长装备寿命，提高作业效率，降低安全风险；仿生浸润性处理使对象表面具有自清洁、亲油、疏油、亲水、疏水等不同浸润性的组合特征，从而衍生出新的功能特性。
3）信息仿生。信息仿生是对生物信息获取、大数据处理以及生物间信息沟通、协同等特性的模拟与实现。石油信息仿生主要分两类：一是借鉴生物在信息感知和传递方面的特性，研制新型传感或信息传递装置，提高信号采集的精度、广度及适用范围，该技术可用于油田生产数据的精确采集以及信息的高效传递，提高油田生产状态的实时监测与控制水平；二是在信息处理方面借鉴生物的大数据处理机理和方法，提高大数据处理能力和智能化水平，建立决策机制，并将其应用在地震解释、油藏认识、开发方案制定以及油田综合管理等方面，促进油田勘探开发高效运行。
4）工程仿生。工程仿生是对生物某种功能的模仿，注重仿生功能的实现，不强调机理相似。工程仿生主要有两类：一是对生物功能的模仿和实现，注重结构相似或生物功能的工程实现，优化功能结构和控制方式，促进功能拓展，提高作业效率和便捷化程度，如模拟微生物运动行为而设计出的能自主进入岩层微小孔道的微纳尺度机器人；二是工程实践方法，在石油仿生研究成果的工业应用过程中解决适用性问题，提供切实可行的工程实践手段。
目前，石油工程与仿生学的结合依然处于“形似”的初级阶段，随着生命科学研究水平的提高以及电子、材料、控制等学科的技术进步，人类对生命本质的认识愈加深刻，将促使石油工程仿生研究成果与被模仿的生物本身越来越“神似”；反之，石油工程仿生学的发展也使得人们在科研实践中深化了对生物本身及其活动的理解，进一步促进了生命科学研究，并使之有形化。
作者简介：刘合，哈尔滨人，中国石油勘探开发研究院副总工程师，中国工程院院士。主要研究方向为油气田开发。
注：本文发表于《科技导报》2018 年第7 期，敬请关注。
工程仿生学简介