【国家标准】 仿生学 术语、概念与方法论

ICS07.080
CCSA40
中华人民共和国国家标准
GB/T42444—2023/ISO18458:2015仿生学
术语、概念与方法论
Biomimetics-Terminology, concepts and methodology(ISO18458:2015,IDT)
2023-03-17发布
国家市场监督管理总局
国家标准化管理委员会
2023-10-01实施
GB/T42444—2023/ISO18458:2015前言
规范性引用文件
术语和定义
仿生学的内涵
仿生学的本质
与相关科学的界限和交叉领域
仿生产品及仿生流程
5使用仿生学方法的需求与概况
仿生学的可行性、性能和成功要素……仿生学和可持续性
仿生学的局限性
仿生学交流过程
工程仿生过程
新思想的开发
抽象和类比
从计划阶段到发明阶段
7仿生学创新方法的实施
附录A（资料性）示例…
计算机辅助优化
仿生蜘蛛丝
进化算法
荷叶效应免费标准下载网bzxz
自锐刀具
新艺术风格
斐波纳契序列
奥林匹亚屋顶
钢筋混凝土
皂膜类比
参考文献
GB/T42444—2023/ISO18458:2015本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
本文件等同采用ISO18458：2015《仿生学术语、概念与方法论》。
本文件增加了“规范性引用文件”一章。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中国机械工业联合会提出并归口。本文件起草单位：北京机械工业自动化研究所有限公司、吉林大学、奥精医疗科技股份有限公司。本文件主要起草人：秦修功、张志辉、江月、于征磊、王书鹏、张宝玉、尹作重、高雪芹、邵艳龙林志斌、任露泉、姜江、孙逊、唐聪、杜已超、聂子临、仇志烨。1
GB/T42444-2023/ISO18458：2015引言
仿生学被认为是面向实际应用效益的研究与开发方法，通过分析从生物系统中所获取的知识，寻找解决问题的方案、创造新的发明创新，并将这些知识转化到技术系统。这种将生物学原理转化到技术领域的思想是仿生学的核心内容（见第4章仿生学的内涵）。将生物学解决方案转化到技术应用，其背后的最基本动机是源于生物结构可以根据它们的需要进行优化，并由此成为重要且令人信服的应用的灵感源泉。到目前为止，已有超过二百五十万种物种及其具体的特征在一定程度上被鉴定和描述。因此，对于仿生学而言，有大量的可供解决实际问题的参照。纵观历史，仿生学的发展可分为以下几个阶段：约在20世纪50年代，以模型为基础的仿生学被首次引人，主要用于飞机、车辆、船舶的设计和建造，通过基于相似理论推导出的建模规则，将生物系统的原理转化到技术设计中。20世纪60年代左右，由于受到控制论的影响，仿生学的两大支柱（生物学和技术)首次在语言学上结合，并建立了共同的语言学和方法论基础。这一基础为仿生学领域的核心要素一一知识的转化奠定了重要基础。自1980年以来，仿生学已经延伸至微米和纳米尺度（例如荷叶效应的内容)[2]。测量和制造技术新方法的出现是实现这些拓展的关键。特别是20世纪90年代以来，由于计算机科学、纳米技术、机电一体化和生物技术等相关领域的迅速发展，仿生学得到了进一步的推动。在许多情况下，正是这些领域的新发展使复杂生物系统的转化成为可能[3]如今，仿生学日益被视为是一门已在产品与技术方面取得了众多创新的科学学科。这种高度跨学科的合作特点，汇集了来自生物学、工程科学和众多其他学科领域的专家，具有极大的创新潜力4]。由此，仿生学现已成为许多大学和校外研究机构研究和教学的对象。同时，制造企业也越来越多地转向采用仿生学方法开发新产品或优化现有产品。尽管越来越多的研究人员和用户活跃在仿生学领域，从生物学领域到技术领域的知识转化仍是一个复杂的过程，因而对相关人员提出了很高的要求。大自然中有许多“巧妙的解决办法”，通常可以凭直觉理解；然而，要解释其潜在的机制，特别是解释它们如何应用于技术却并非易事。这种差异是它们与当前和未来仿生学领域持续相关的原因之一，并将在未来几十年持续存在[5]。
1范围
GB/T42444—2023/ISO18458:2015仿生学术语、概念与方法论
本文件对仿生学领域进行了分类和定义，对许多仿生学术语进行了描述，为科学、产业和教育界的仿生学术语提供了框架。同时，给出了从新思想开发到将仿生学方法应用到仿生产品过程的描述。本文件还阐述了仿生学作为一种创新方法或可持续发展策略的潜力和局限性。此外，本文件概述了仿生学在不同领域的应用，并描述了仿生学研发方法与经典研发形式的区别。如果一个技术系统是按照本文件进行开发的，那么它可以被称为“仿生”系统。本文件为仿生应用提供了合理的框架，旨在为仿生学领域工作的科学家和工程师提供一种通用的语言，为想要了解仿生学开发过程，并希望将仿生学方法应用到工作中的开发、设计人员和用户提供指导和支持。任何与自然界创造的生物学系统足够相似，并可用于其技术等价物开发的目标技术系统，均适用于本文件。
规范性引用文件
本文件没有规范性引用文件。
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。3.1
抽象abstraction
根据对某个特定对象的观察得出一般性结论的归纳过程。注：在仿生学中，这个结论是描述生物学系统潜在功能和运行原则的理想物理环境。3.2
类比analogy
用于描述两个不同系统相关参数之间关系的相似性。注1：对相关参数的规范是抽象(3.1)的对象。从其在仿生学(3.9)领域的定义来看，两个系统其中之一为生物系统(3.6)，另一个系统为技术目标系统。注2：在生物学中，“类比”一词是指不同生物体之间功能特征的相似性，这种相似性是由于适应的需要，而不是由于生物体之间有某种联系。相反，基于依赖关系的相似性，因而基于遗传信息的相似性，被称为同源性。在生物学中，“类比”一词已被动态地理解，尤其强调的是两种进化发展起点之间的差异。3.3
分析analysis
采用适当的方法将生物或技术系统分解成各个组成部分，然后对各个部分进行组合和评价的系统检查。
注：就“分解成各个部分”这一方面而言，与分析相反的概念被称为合成（重组)。3.4
生物工程bioengineering
工程知识在医学或生物学领域的应用。1
GB/T42444—2023/ISO18458：20153.5
bioinspiration
生物灵感
基于对生物系统(3.6)的观察的创新性方法。注：与生物系统(3.6)之间的关系可能只是松散的。3.6
生物系统
biologicalsystem
起源于生物世界的一组从纳米尺度到宏观尺度的可观测元素的集合。3.7
生物学推动
biologypush
以在生物学领域的基础研究中获得的知识为起点，应用于新技术产品开发的仿生开发过程。注1：在技术领域，生物学推动被认为是一个自下而上的过程。注2：在设计研究领域，生物学推动被认为是“解决方案驱动”[6]。注3：参见技术拉动（3.19）。
生物模拟
生物模仿
biomimicry
biomimetism
以自然为模型（3.15)的哲学和跨学科设计方法，用以迎接（社会、环境和经济）可持续性/可持续发展（3.17)的挑战。
仿生学
biomimetics
以解决实际问题为目标，通过对生物系统(3.6)的功能分析，将其抽象(3.1)为模型(3.15)、并将这些模型转化为解决方案，并应用于实际问题的生物学与技术或其他创新领域的跨学科合作。注：满足表1中的准则1至准则3的产品，称为仿生产品。3.10
生物机械学
bionics
通过电子和/或机械等价物实现对生物功能的复制、提升或替代的技术学科。3.11
Fcomponent
不能再进一步分解的装配部件。3.12
功能function
系统(3.18)在环境中的行为所起的作用。3.13
invention
创造新的或优化的事物的行为，或这种创造行为的产物。注：因为创新的前提是要进行市场扩散，因而发明不同于创新。3.14
材料material
用于制造和运行机器，以及建造各种结构的物质的统称。注1：“材料”一词在下文中被用作所有生物材料和结构的统称。注2：它包括原材料、加工材料(3.20)、半成品、辅助用品、运行材料及零部件和装配件。“材料”一词是指加工材料(3.20)。
注3：生物材料是由生物体产生的有机和/或矿物物质。由于其从分子水平到宏观水平的多级结构，在生物学领域，“材料”和“结构”这两个术语无法被明确区分。2
模型model
源于对生物系统(3.6)观察所得到的连贯、可用的抽象（3.1)。结构structure
系统(3.18)中构件(3.11)的类型和排列。3.17
生sustainability
可持续性
sustainabledevelopment
可持续性发展
满足当代人的需求，同时不会危及后代满足自身需求的发展。GB/T42444—2023/ISO18458:2015注：自然科技是人类和地球意识科技的概念，通过向具有超低环境负担、高功能性和可持续性的完美自然循环学习而获得。
system
由相互作用或相互依赖的构件(3.11)形成的一个具有确定边界的整体。3.19
technologypull
技术拉动
通过对生物原理的转化和应用，使现有的功能性技术产品获得新功能或改进功能的仿生学开发过程。
注1：技术拉动被认为是自上而下的过程。注2：在设计研究技术方面，拉动被认为是“间题驱动型”。注3：参见生物学推动(3.7)。
加工材料workingmaterial
在已形成或未形成（固体、液体或气体）状态的情况下制备原材料，用于制造零件、半成品、辅料或操作材料。
4仿生学的内涵
4.1仿生学的本质
仿生学的成功应用主要体现在其将生物学知识和想法转化到技术或其他创新领域中，即受自然启发的实际开发应用，在建立生物学起点后，通常还要经历几个抽象和修正优化的步骤。仿生学领域具有高度的跨学科和多学科性质，主要体现在不同研究领域专家，如生物学家、化学家、物理学家、工程师和社会学家之间的高水平合作。
依据仿生学的应用程度，它可以被视为一门科学学科、一种创新过程，或是一种创新技术。在创新管理中，仿生学则是众多创新技术中的一种。然而，如果仅仅将其视为一种创新技术，它的潜力将无法得到充分的展现。因为在这种情况下，新思想的开发往往停留在寻找生物系统和技术问题之间明显相似性的水平，而没有对工作原理进行系统的分析、抽象或转化。仿生学的创新过程始于将生物系统与特定的技术问题联系起来，其特点是它将对生物学领域知识的关注与实现获得真正技术实现的目标结合起来。在仿生学中，对生物系统的概念性兴趣和研究都是面向应用的。在这种情况下，结构与功能的关系尤为重要。在机体生物学的框架下，这些关系主要来源于功能形态学分析。一个成功的仿生流程的关键部分就是生物研究与产品和流程的开发工程之间的接口设计。仿生学不但将抽象的生物学成果转化3
GB/T42444—2023/ISO184582015为技术，而且将工程方法应用于生物系统，并将生物系统的知识整合到技术开发中。因此，各学科之间有效和多层次的知识，特别是方法方面的转移，构成了成功的仿生开发过程的基础。仿生学建立在生物学基础研究的基础之上。然而，由于其定义的重点为应用，因此仿生学主要是将应用导向型研究以及应用研究集成到产品或流程的实际开发中去。由于在本质上仿生学是一种创新过程，因此它目前正逐步成为一门独立的科学学科。一方面，仿生学正稳步发展为一个集相互关联的科学事实、理论和方法为一体的系统；另一方面，一些群体正在仿生学的旗帜下建立协会、研究和教育机构，以及交流工具。4.2与相关科学的界限和交叉领域“技术生物学”一词最早被维尔纳·纳奇加尔提出，用以区别于仿生学8]。技术生物学包括借助物理和工程科学的方法分析生物对象之间的结构/功能关系。因此，技术生物学是许多仿生学研究项目的起点，因为它可以让人们在定量的水平上更深人地了解生物系统的运转方式，并保证它们能在技术应用中得到合理的实施。
在过去的几年里，通过在创新型仿生产品和技术中应用受生物启发的操作原理所获得的知识，明显有助于人们更好地了解生物学系统。这个最近被发现的从仿生学到生物学的转移过程，可被称为“反向仿生学”。与技术生物学相比，反向仿生学没有将经典的工程方法和分析工具应用于生物系统，而是将仿生原型作为一个整体和/或对其操作方法的模拟作为解释或研究模型，以使人们能够更容易地理解潜在的生物学知识。在一个迭代过程中，将在下一步中再次应用技术生物学的方法，以便在生物系统中测试这个新的或扩展的解释性模型。获得的生物结构和功能方面的新知识会回流到对仿生产品和技术的改进和开发中去，这些产品和技术进而又将作为改进的仿生学模型，应用到反向仿生学中等等。由此产生了技术生物学、仿生学和反向仿生学三者间启发螺旋式的新知识形成形式[9]。仿生学与生物技术的边界划分也很重要。这两个领域都是应用生物学研究（转化生物学)的领域。生物技术被理解为是以提供商品和服务为目的，应用科技原理，利用生物制剂对物质进行转换的[10]。相比之下，仿生学是以生物体作为实现创新技术的想法的来源，但是生物体本身不一定参与仿生产品的制造。尽管生物技术和仿生学的概念并不相同，它们仍可以结合在一起，例如开发人造蜘蛛丝的研究项目已证明了这一点[]（见表1和附录A中A,2)。仿生学是一门高度跨学科的科学，涉及许多方面。事实上，在一些经济学和组织管理的出版物中也包含有仿生学术语，它们基于对生物系统的分析，为现有概念和策略提出了一些改进性建议[12-14]。然而，在定义仿生学时，识别出这些领域中的技术并非易事；为了便于识别，或许有必要扩展“技术”这个术语的定义。
相比之下，那些只处理自然界中无生命元素（受地理启发)的研究领域与上文提出的仿生学定义是不兼容的。这就包括，例如对雪晶体的研究，可以为生产微型芯片[15]所需的纳米结构或开发吸音材料提供有价值的信息，
使用仅基于生物系统本身进行的形状设计不能被看成是仿生学方法，特别是当这些形状从外部看起来似乎是基于在自然界中发现的形状，但实际上是基于如复杂的电脑辅助设计（CAD)技术或其他“设计表面的数学方法”设计的。在这种情况下，只有当形状设计是基于仿生学原理的功能开发不可分割的一部分时，仿生学才能发挥其作用。4.3仿生产品及仿生流程
确定一项产品或技术是否可以被认定为是仿生产品或技术，主要依据三个准则（步骤)（见表1)。一个产品当且仅当遵循以下三个步骤定义仿生流程时，才可被认为是仿生产品：已对可用的生物系统进行了功能分析；已将生物系统抽象为模型；
模型已被转化并应用于产品设计。GB/T42444-—2023/ISO18458.2015自然和技术的平行发展不是仿生学。在技术发展的过程中，许多技术产品在没有参照任何自然现象的情况下被开发出来，却与生物结构惊人地相似，在功能甚至形状上都具有相似之处。表1仿生和非仿生产品之间的区别[16]仿生产品准则
新思想是
如何形成的
计算机辅助优化设计(见A.1)
仿生蜘蛛丝（见A.2)
过程步骤1：分子仿生学
过程步骤2：重组蛋白的生产
过程步骤3：材料加工
进化（见A.3）
鳍条结构（见A.4)
荷叶效应（见A.5）
自锐刀具（见A.6）
新艺术（见A.7）
斐波纳契序列（见A.8)
慕尼黑的奥林匹亚屋顶（见A.9）钢筋混凝土（见A.10）
EA优化结果（见A.3)
皂膜类比（见A.11)
技术拉动
生物学推动
技术拉动
生物学推动
生物学推动
技术拉动
自主开发
自主开发
1.生物系统
的功能分析
·在输入“是”作为结论之前，应满足准则1至准则3的内容。5使用仿生学方法的需求与概况
5.1仿生学的可行性、性能和成功要素2.从系统到
模型的抽象
3.不使用生物
系统情况下的
转化和应用
结论：
是否属于
仿生学·
在寻找创新解决方案的过程中，仿生学作为对开发新思想的经典方法的补充，是一种接近科学工程的工作方法[17]。生物解决方案的多样性对于仿生学的发展而言尤为具有吸引力。当今，数以百万计的物种栖息在千姿百态的环境中，它们惊人的适应性，从技术角度上看，实际上为人们提供了无穷无尽的潜在的相关解决方案[18]。
能够将一种生物学特性转移到技术系统中，其普遍原因在于，相同的物理定律和常量在生物学和技术领域中是同样有效的这一事实。通过对植物和动物的研究引出的解决问题的方案，有时乍一看与相应的技术解决方案惊人地相似，但是当经过更详细的分析后，往往表现出显著的差异19]。生物结构的特点包括多准则优化，有时具有相互矛盾的功能（多功能性），在提供高水平的操作可靠性的同时适应多变的环境条件的能力（适应性），高水平的错误和故障容错性（弹性和允余），以及自组织能力。当开发更5
GB/T42444—2023/ISO18458：2015加复杂的产品[20]时，生物系统中这些和其他自主功能的系统转移，例如自我修复、自我再生和自我组装，可以带来巨大的效益。
5.2仿生学和可持续性
尽管现在有许多用于评估技术的工具，但是鉴于系统的复杂性以及参数值的不确定性，仍无法为可持续的技术发展制定合理的策略。鉴于这些事实，一种创新方法至少可从定义上提高获得具有“更好可持续性”技术的可能性是非常重要的。问题在于仿生学能否成为这种创新方法的范例。在自然界中，生态系统中的物种处于持续的相互作用和动态的生态平衡中。新陈代谢过程、行为、领地的大小与特化之间也在互相适应。此外，大自然还向我们展示了在温和的环境条件下[20]，太阳能管理、机会主义（利用现有资源）、资源效率、回收管理、梯级利用与自组织性是如何产生复杂的模块化结构和多功能性的。由于生物系统同样基于适应性、穴余性、多样性和屏障性，在许多情况下，还具有宏观和微观尺度上的自愈能力，因此它们具有固有的容错性，这可以防止由于发生较小错误或破坏造成的大规模二次损坏。由于这些大量的发现，许多科学家认为，通过将生物系统/模型和原理应用到技术以获得更加生态友好的技术的期望至少在一定程度上是合理的[22]。这种倾向为可持续性做出积极贡献的期望，不应导致对仿生学进行全面、积极的评价。当将生物解决方案转化为技术时，其物质基础一般要与技术要求和能力相适应。此外，当被移植到一个新环境时，其对环境的适应很难能像以自然生物为模型时的情况那样好。由于这个原因，现在毫无争议的是，这种说法不能被一概而论，任何关于仿生学解决方案质量的陈述，只能通过单独详细检查每一种情况来证实或否认[1,22,23]。还需要强调的是仿生学对“维护生物多样性”这一可持续性目标的贡献。仿生创新在总体上证明了生物多样性在经济上的重要性，而生物多样性也宜作为一种提供给后代的选择的来源[24.25]。另一方面，生物多样性和自然所具有的文化功能（从教学的本质上讲)以及对于这些价值的尊重也因为仿生项目得以提升。
由于仿生学的固有属性而开辟的另一个机会是仿生学把在传统上不相关的、之前少有接触的科学和技术领域的人员聚集在一起。这创造了交叉学科和跨学科合作的新形式，同时为创新过程提供了有效的跨学科方法和工具。这可能成为复杂系统管理的一个重要基础，几乎所有可持续发展范围内产生的系统都是复杂系统。
基本上可以预期，当仿生学的使用变得广泛时，会导致传统上不属于生物学科的科学和技术人员对生物效率和一致性策略的知识传播和利用。因此，希望基于仿生学的创新方法所创造的“软”技术可以在长期范围内越来越多地反映自然的想法是合理的。相应地，仿生学至少为我们提供了一种获得更具可持续性的创新方法的潜力。在这种情况下，这种潜力带来的希望在多大程度上是合理的，也取决于相关人员是否愿意以可持续发展的理念为指导。5.3仿生学的局限性
只有对从生物系统到创新技术产品和过程的整个过程进行检查，才有可能对仿生过程和工作方法进行详细分析[26]。此外，仿生学的可能性和局限性应被明确地说明[8]。仿生学是一种补充，而不是替代。工程师们使用的传统设计过程也将成为未来新技术的发展和改进的基础。已被验证和确立的工程工艺不宜被仿生工艺取代。相反，仿生学宜作为一种额外的开发工具。
一一生物系统通常以其独特的结构来解决许多并发的挑战。这就形成了极为复杂的结构，为人们理解并将其应用到更简单的技术问题中是非常具有挑战性的[26]。一一可扩展性：从微观尺度到宏观尺度的转变使设计面临新的约束。一些生物机制在纳米尺度上有效，但在宏观尺度上无效；一些生物机制在纳米尺度上有效，但在宏观尺度上无效。6
5.4仿生学交流过程
GB/T42444—2023/ISO18458:2015仿生开发过程所需的交叉学科性质为其交流过程带来了特殊的挑战。生物学家和工程师使用各自独特的术语和语言进行交流。因此，为便于双方互相理解，有必要对这些术语和语言进行解释。不过，一般来说将所有特殊术语均替换为日常用语是很不容易的。其原因是专业术语对专家来说不仅起着沟通的作用，还是他们分类知觉的基础[27]。专家首先要“解码”他们的知识，然后才能进行交流。同样的术语在不同的科学学科通常具有不同的含义。例如，在建筑和设计领域，“formal”这个术语是“与形式有关”的意思。然而，在许多其他的科技领域，一个formal行为被理解为严格遵守规定规则的行为。同样的道理也适用于术语“fiber”，例如，在生物学领域它指的是有机体中一组细长的细胞或丝状结构，而在材料科学领域它则指的是用于制造材料的丝状细丝[28]。这些例子指出，应当更多地了解所使用的术语。对那些表面上很好理解的术语的定义提出质疑是有必要的。一个术语在特定的科学学科中使用的频率越高，人们就越需要对这些定义保有质疑。当我们对一个既定术语的含义越确定，其含义就越少被质疑，因而造成误解的风险就越小。如果克服了这些挑战，那么跨学科交流将成为仿生开发的基础过程，进而实现对各个领域快速、深人地了解。
6工程仿生过程
6.1概述
深人了解仿生学中使用的工作方法，是认识到仿生学在发展技术创新方面全部潜力的先决条件，同时也避免了对仿生学产生不恰当的期望，并解释了有时仿生学项目具有相对较长开发周期的原因。由于仿生学研究和项目开发涉及跨学科工作，只有通过生物学家、工程师及其他学科专家之间的紧密合作，才能沿着整个价值链有效地将研究成果转化为技术产品。仿生学中使用的典型方法如图1所示。图中所描述的线性和顺序结构代表了一种理想的情况，有可能被整合到整个价值链中。实际上，在许多情况下，需要递归、并行地执行一些步骤。7
小提示：此标准内容仅展示完整标准里的部分截取内容，若需要完整标准请到上方自行免费下载完整标准文档。