Biomimetics

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出版者:CRC
作者:Yoseph Bar-Cohen
出品人:
页数:552
译者:
出版时间:2005-11-02
价格:USD 164.95
装帧:Hardcover
isbn号码:9780849331633
丛书系列:
图书标签:
  • 生物仿生
  • 仿生学
  • 材料科学
  • 工程学
  • 自然
  • 创新
  • 设计
  • 生物力学
  • 纳米技术
  • 交叉学科
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具体描述

Nature is the world's foremost designer. With billions of years of experience and boasting the most extensive laboratory available, it conducts research in every branch of engineering and science. Nature's designs and capabilities have always inspired technology, from the use of tongs and tweezers to genetic algorithms and autonomous legged robots. Taking a systems perspective rather than focusing narrowly on materials or chemistry aspects, "Biomimetics: Biologically Inspired Technologies" examines the field from every angle.The book contains pioneering approaches to biomimetics including a new perspective on the mechanization of cognition and intelligence, as well as defense and attack strategies in nature, their applications, and potential. It surveys the field from modeling to applications and from nano- to macro-scales, beginning with an introduction to principles of using biology to inspire designs as well as biological mechanisms as models for technology.This innovative guide discusses evolutionary robotics; genetic algorithms; molecular machines; multifunctional, biological-, and nano- materials; nastic structures inspired by plants; and functional surfaces in biology. Looking inward at biological systems, the book covers the topics of biomimetic materials, structures, control, cognition, artificial muscles, biosensors that mimic senses, artificial organs, and interfaces between engineered and biological systems. The final chapter contemplates the future of the field and outlines the challenges ahead. Featuring extensive illustrations, including a 32-page full-color insert, "Biomimetics: Biologically Inspired Technologies" provides unmatched breadth of scope as well as lucid illumination of this promising field.

《跨界工程:从自然智慧到工业革命的蓝图》 书籍简介 在现代科技飞速发展的浪潮中,我们常常将目光投向尖端的材料学、复杂的算法设计和宏大的系统工程。然而,最古老、最持久的创新者,却始终潜伏在我们身边——自然界。 《跨界工程:从自然智慧到工业革命的蓝图》并非一本关于生物仿生学的教科书,它更像是一部深入探索“模仿自然”如何驱动人类工程学范式转变的深度调研报告。本书立足于一个核心命题:在资源日益稀缺、环境挑战日益严峻的今天,我们是否真的需要从零开始发明一切,还是应该向经历过数百万年“优化测试”的生命系统学习? 第一部分:认知的边界与工程的瓶颈 本书首先剖析了当前传统工程学所面临的深层困境。在传统化学、材料学和机械设计领域,我们往往依赖于高温、高压、高能耗的“暴力”制造方式。例如,合成高强度材料需要熔炼和复杂的化学反应,而这往往伴随着巨大的能源浪费和有害副产物。书中详细对比了工业时代的基础制造模式与生命系统内部的效率差异。自然界中的生物体,从复杂的蛋白质折叠到坚固的贝壳结构,几乎都在温和的水相环境下,以极高的选择性和原子级的精度完成物质构建。 作者通过对结构效率的深入剖析,揭示了当前人类材料设计中普遍存在的“冗余设计”问题。在航空航天、土木建筑等领域,为了确保安全系数,我们往往需要使用远超实际所需的材料厚度和质量,这直接导致了资源浪费和系统复杂性的增加。本书没有探讨具体模仿自然界结构的方法,而是着重于揭示这种传统思维模式在面对可持续性挑战时的局限性。 第二部分:能源与信息流动的生态哲学 本书的第二部分将视角转向了系统的运作效率。在电力电子和信息技术领域,我们热衷于追求更快的速度和更高的集成度,却往往忽略了能量的有效利用与耗散问题。 书中详细探讨了信息如何在生态系统中进行高效、鲁棒(Robust)的传递与处理。例如,蚁群的分布式决策、神经系统的并行处理能力,以及植物对光能的捕获和转移机制。这些案例并非被用作“模仿对象”,而是作为参照系,来衡量现有的人工神经网络、传感器网络和能源捕获系统的内在缺陷。例如,对比太阳能电池的能量转换效率与叶绿素的吸收光谱,重点在于强调当前人工系统的光谱匹配度、鲁棒性(即对环境波动的抵抗力)以及整体的能量利用周期。 本书对分布式系统的分析,着重于批判当前集中式控制架构的脆弱性。当一个复杂的工业系统依赖于少数几个核心节点时,一旦发生局部故障,整个系统可能面临崩溃风险。而自然界中的自组织现象,如候鸟的迁徙、微生物菌落的协同行为,则展示了一种无需中央指令的、具有强大自我修复能力的运作模式。这种哲学探讨,旨在推动控制理论和系统架构设计者重新思考“效率”与“韧性”之间的平衡点。 第三部分:材料的“软”革命与制造的未来 在材料科学领域,传统工业主要集中于无机晶体和高分子聚合体的刚性应用。而本书则通过对生物矿化过程(Biomineralization)和软组织力学的分析,探讨了材料性能与制造工艺的紧密耦合关系。 作者深入比较了传统冶金学中晶粒尺寸的控制与珍珠母(Nacre)中“砖块与灰泥”结构的形成机制。重点并非在于如何制造出仿珍珠母的层状材料,而是探讨这种自下而上的、环境敏感的组装过程,如何允许材料在宏观尺度上表现出惊人的韧性和抗裂性,而这恰恰是目前许多工程陶瓷和复合材料所缺乏的。 此外,本书还对“制造”的概念进行了哲学层面的反思。传统的减材制造(如切削、研磨)和大规模的增材制造(如3D打印),本质上都是对预设模型的物理移除或堆积。然而,生物体通过分子间的精确识别和自组装来实现形态的构建。本书通过对比,突出了当前人工制造流程中,从设计到成品之间存在的巨大“信息损失”和“过程控制断裂”。我们如何能够构建一个更接近于“信息即结构,结构即功能”的制造体系,是本部分探讨的核心议题,它引导读者超越现有的制造技术局限。 结语:超越仿效,重塑工程思维 《跨界工程》的最终目的,是呼吁工程师、设计师和政策制定者从根本上改变看待问题的方式。它并非一本“教你如何复制蝴蝶翅膀的颜色”的操作手册,而是提供了一个认知框架,用以审视自然界在能源利用、信息处理、物质构建和系统韧性方面所展示的极致优化范例。 通过对这些自然智慧的深刻理解,人类可以避免重复在技术道路上的“试错循环”,转而构建出更具可持续性、更节能、更具适应性的下一代工业基础设施、能源系统和信息架构。这本书是献给所有寻求突破当前技术瓶颈,渴望将工程学提升到全新维度的创新者的思想指南。它预示着一场由自然界底层逻辑驱动的、更深层次的工程革命的到来。

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Millions of years’ evolution has endowed organism with excellent molecular organization of unique biological functions that can response to environmental change through their intelligent structure. To study the possible mechanism of their biological functi...

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