移植法与仿生法

三 移植法与仿生法

移植法是指将某一领域中的原理、方法、结构、材料、用途等移植到另一个领域中去,从而产生新思想、新观念的方法。“他山之石,可以攻玉”。若能吸取、借用某一领域的原理、方法、结构及成果,引用或渗透到其他领域,用以变革或创造新的事物,我们称之为移植创造。

移植法的基础是类比,通过类比找出相似和启发才能够移植。今天,科学原理与技术方法互相交叉和互相渗透,创新者不能局限于很小的科学技术领域,要拓展知识面、解放思想、开阔思路,这样才能更好地运用移植法。移植法有四种类型:(1)原理移植;(2)方法、手段移植;(3)材料移植;(4)结构移植;(5)综合移植—仿生法。移植法有两种思维方向:(1)成果推广型移植(移出)。这是主动地考虑将已有的科技成果作为“移植供体”向其他领域拓展延伸的移植。在采用这种思路移植时,首先要搞清“移植供体”的基本原理及适用范围,然后思考“移植受体”是谁,即已有的科技成果还可以应用到哪些领域并能否产生出新的成果。(2)解决问题型移植(移入)。这是从待研究的问题出发,为了解决其中有关基本原理、功能方法或结构设计方面的矛盾而考虑移植法的应用。采用这种思路移植时,首先要分析“移植受体”存在的问题,然后借助联想、类比手段,找到恰当的“移植供体”,确定移植的具体形式和内容,并通过实验研究和设计活动实现创造。

按照移植法试着思考如下问题:第一,消费者反映,煎药罐煎中药时药汁易溢出,能否用移植法解决此问题?试提出设计方案。第二,这个方案还可以类比,移植到哪里?第三,观察移动拉门的开合方式,并思考这种结构能移植到什么地方?

从自然界(自然物、植物和动物)获得灵感,再将其应用于人造产品中的方法,称为仿生法。即模仿生物的某些结构、功能原理、形态特征进行创造,把它用于产品设计中去。具体包括原理仿生、功能仿生、结构仿生、形态仿生、意象仿生等。

要寻找创新思路,不要忘了我们周围的生物。大自然是最好的老师,它与我们要研究的事物存在着各种各样的相似因素。由于生物是在自然界进化中经历了亿万年的筛选、淘汰和改进才最终进化成今天这个样子的,因此,其各项功能已得到高度发展,每种生物都具有别的生物所不具备的特点和奇妙的功能。比如,蝙蝠可以发出和听到超声波,在布满密网的黑屋内,几十只蝙蝠可以自由来往穿梭而不会撞到网上;狗的鼻子可以分辨出200多万种物质的不同浓度的气味。这些本领是人根本不具备的,而人脑发达的思维及创造本领,又是其他生物所望尘莫及的。

与生物构成的天然自然相比,人创造的人工自然只有短暂的历史。人们在技术上所遇到的许多困难,一些生物早就在进化过程中解决了。因而,从某种意义上说,生物的进化成果可能成为人类发明创造最好的启示,人们可以借鉴、模仿生物来解决大量的相似的技术难题或创造出更新的技术手段。

美国波士顿动力学会和美国防御高级研究计划署发明的“机器骡子”,是目前世界上最先进的四足机器人。载重40多千克,行进速度每小时能够达到80千米,见图4-9。德国Festo公司研发的一款“仿生袋鼠”,它几乎完全复制了袋鼠的弹跳功夫,仅需一小块电池与腿部的弹簧机构,袋鼠便能立刻活蹦乱跳起来,如图4-10所示。

蜻蜓通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流,并利用气流产生的涡流来使自己上升,它能在很小的推力下翱翔,不但可向前飞行,还能向后和左右两侧飞行,其向前飞行速度可达72千米/小时。此外,蜻蜓的飞行行为简单,仅靠两对翅膀不停地拍打,科学家据此结构基础研制成功了直升机。

图4-10 机器骡子

图4-11 仿生袋鼠

(来源:图4-10摘自https://tech.sina.com.cn/d/2008-03-19/07452086297.shtml;图4-11摘自http://www.twwtn.com/detail_205412.htm)

飞机在高速飞行时,常会剧烈振动,甚至有时会折断机翼而引起飞机失事。蜻蜓的翅膀末端有一块略重的厚斑点,防止振动,它依靠加重的翅膀保证在高速飞行时安然无恙,于是人们效仿蜻蜓在飞机的两翼上也加上了平衡重锤,解决了飞机因高速飞行而引起振动这个令人棘手的难题。