师法自然：仿生学的奇妙世界

本书是面向青少年的工程科普读物，兼具科学性、趣味性与教育性。以大自然亿万年

演化智慧为切入点，打通生物、机械、材料等多学科壁垒，构建系统的仿生学知识体系。书

中以超疏水荷叶、竹子梯度结构、电鳗生物电池等鲜活案例，展现从结构仿生迈向系统仿生、

自然算法、跨界融合的前沿脉络，结合高铁等国之重器，具象呈现仿生技术的工程价值。

作品创新融合全媒体形式，搭配AR 交互、音视频影像资源，静态文字转化为立体阅

读体验。在普及科学知识之外，讲述科研攻关故事，传递科学家精神，植入科技伦理思考，

引导青少年敬畏自然。立足双碳时代背景，挖掘仿生学赋能绿色发展、新质生产力的现实意

义，契合新工科育人目标，激发青少年创新热情，为培育新时代工程人才提供优质科普读本。

前言

仿生学学科启蒙始于15世纪，是通过自然界生物的启示，对自然过程的模仿进行技术创新的一门学科。仿生学在我国有长足发展，1977年，我国开始正式制定仿生学的研究方案，并于2003年初明确划定了仿生结构与力学、仿生材料与微纳系统、仿生功能器件与控制、分子仿生、神经与信息科学等五大基础研究方向，并将仿生学列入国家重点基础研究发展计划和国家中长期科学和技术发展规划。

仿生学启迪了材料学、力学、机器人学、信息学、生物学等多学科发展，在建筑、交通、航空航天等领域有着广泛应用，但国内仿生学科普著作相对稀缺，青少年读者难以系统感知仿生学的学科魅力与应用价值。2021年国际仿生工程学会推出了“国际仿生工程学会创新发展建设路径”，提出了“加强仿生学科普人才培养和促进科普能力提升”的呼吁。

《师法自然：仿生学的奇妙世界》通过仿生学应用案例讲述仿生学的前沿技术，包括如何从生物宏微观结构、生命特征、自然过程中获得启示，开拓新智能材料、新结构、新的信息感知技术、新型机械及新的控制方法等内容，带领青少年读者探索前沿新颖的仿生技术，开启一段充满惊喜的科学探索之旅，收获满满的知识和乐趣。

本书的第1章带读者走进仿生材料的奇妙世界，从超疏水荷叶到速干松果鳞片，让读者领略自然界材料的神奇之处；第2章揭示仿生结构的奥秘，从竹子的变化到鸭嘴兽的启示，让读者领悟自然结构的无穷智慧；第3章将带读者了解仿生信息的奇妙之处，从海豚的3D声呐到无声飞行的猫头鹰，让读者身临其境；第4章探寻仿生机械的未来，从飞檐走壁的仿生壁虎到城市公民仿人机器人索菲亚，带读者感受先进科技的力量；第5章揭示仿生控制的奇妙应用，从蚁群算法到神经系统的激发，让读者领略自然界控制的智慧；第6章带读者踏入仿生电子的领域，从会发光的水母到电鳗发电的奇迹，让读者见证科技的惊人魅力；第7章引领读者探寻仿生化学的奥秘，从硅藻到贻贝愈合牙齿，让读者领略自然材料的神奇力量。

这些内容分别对应仿生材料、仿生结构、仿生信息、仿生机械、仿生控制、仿生电子和仿生化学：

仿生材料是受生物体结构和功能启发而设计的材料，具有类似生物材料的特性和性能，可用于制造仿生器官、智能材料、自修复材料等领域。

仿生结构是模仿生物体结构而设计的结构，具有类似生物结构的功能和性能，可用于建筑工程、航空航天、机器人设计等领域。

仿生信息是从生物体中获取灵感，设计具有类似生物信息处理能力的信息系统，可用于智能算法、模式识别、人工智能等领域。

仿生机械是模仿生物运动原理而设计的机械系统，具有类似生物的运动特性，可用于机器人技术、生物医学工程、智能交通系统等领域。

仿生控制是模仿生物体神经系统、生物调节机制而设计的控制系统，具有类似生物的控制能力，可用于自动化系统、智能机器人、生物医学工程等领域。

仿生电子是受生物电子学启发而设计的电子器件，具有类似生物电信号的处理能力，可用于生物传感器、神经接口、生物电子学研究等领域。

仿生化学是模仿生物体化学反应过程而设计的化学系统，具有类似生物的催化特性，可用于生物催化、药物设计、环境保护等领域。

通过对仿生材料、结构、信息、机械、控制、电子和化学的研究和应用，人类可以更好地理解和利用自然界的智慧，推动科技创新和社会发展。

方兴未艾的人工智能（Artificial Intelligence，AI）与仿生学之间有许多有趣的联系和交叉点。AI的发展深度受益于仿生学研究，仿生学依托生物系统的智能特性与自适应能力来启发机器人和智能系统的设计。同时，AI技术在某种程度上模仿了人类认知和决策过程，例如深度学习算法中的神经网络结构就受到了大脑神经元的启发。在生物学和计算机科学的交叉研究中，仿生学促进了对自主智能系统和生物启发算法的发展。这些算法和方法通过模拟自然界中的生物现象，如遗传算法、蚁群算法和人工免疫系统等来解决复杂的问题，并在AI领域发挥了重要作用。在机器人领域，仿生学也在启发着对机器人行为和结构的设计，使机器人能够更好地适应复杂和多变的环境，从而提高其智能和灵活性。AI和仿生学之间存在着密切的联系，两者相互借鉴、相互促进，共同推动着科学技术的发展。

相信通过本书的阅读，青少年读者将对仿生学有全新的认识，并因此激发出对科学和技术的无限好奇；通过向自然界生物的学习，树立热爱自然、保护环境观念，促进绿色循环材料、再生能源及智能机械等技术发展；学会依托仿生技术应对气候变化、突破碳达峰技术瓶颈，助力我国实现碳中和宏伟目标。

本书利用手机扫描展现增强现实（Augmented Reality，AR）互动模型，激发青少年好奇心和想象力，更深刻体会仿生学的深刻性与趣味性。本书作者团队积累了大量仿生学相关研究成果，包括仿生鱼、仿生壁虎、机械手、轮腿机器人研究。本书素材丰富，图文并茂，采用全彩印刷，部分章节配有电子书，丰富阅读形式。

本书由陈定方、梅杰、丁汉院士智能制造科普工作室编著，其中由陈定方、梅杰与研究生杨钟凯、蒋俊杰参与第一章仿生材料内容编写；陈定方、梅杰与研究生黄先亮、李发强参与第二章仿生结构内容编写；陈定方、梅杰与研究生毛逸忠、吴涛参与第三章仿生信息内容编写；陈定方、梅杰与研究生季旭峰、蒋俊杰参与第四章仿生机械内容编写；陈定方、梅杰与研究生陈喆、熊言杰参与第五章仿生控制内容编写；陈定方、梅杰与研究生陈喆、杨钟凯、熊言杰参与第六章仿生电子内容编写；陈定方、梅杰、陆体文、李崚湾与研究生毛逸忠、黄先亮、季旭峰参与第七章仿生化学内容编写；丁汉院士智能制造科普工作室参加了有关编写工作；全书统稿由陈定方、梅杰完成，蒋俊杰、熊言杰配合相关工作；视频案例与AR交互方案由陈定方、梅杰牵头制订，具体视频及AR案例制作部分由熊言杰、文龙滨完成，陈晓声高级工程师为实现扫码自动翻页式阅读电子书，实现“云说新科技”方面做了细致的工作。

在本书编写过程中，作者得到了来自学术界同仁的宝贵支持：中国科学院声学研究所的石同阳副研究员授权本书图3-17，清晰展示了声源定位传声器识别噪声源位置的过程，为读者提供了宝贵的视觉资料，从而加深对声学技术应用的理解；北京航空航天大学梁建宏副教授授权图4-10小型实验机器鱼结构图的使用；美国西北大学的约翰•罗杰斯（John A. Rogers）教授及黄永刚教授授权在书中使用其珍贵的研究成果—图4-39，一幅展示微型飞行器精密构造的图片。英国皇家工程院院士、杰出的机器人学家戴建生教授以其创新的研究成果—Origaker四足机器人和Matahand机械手等对机器人运动学、力学和控制理论的深刻洞察，丰富了我们对类生物机器人行为和适应性的理解；电子科技大学（深圳）范衠教授及其团队在无人机集群控制领域基于共识基因调控网络的围捕模式生成方法，以及在目标围捕和动态跟踪方面的创新研究为本书相关章节的撰写提供了坚实的理论基础和丰富的实践案例；北京化工大学李崚湾博士对软体动物外壳结构特性的深入分析，对CNF基仿生型材料的创新研究，为书中相关章节的写作带来了新的视角和启发；华东理工大学陆体文博士在贝壳珍珠层砖墙状仿生结构领域的研究，对材料设计的创新，尤其是提升材料的低温服役安全性方面提供了独到的见解。

作者还有幸得到了业界领先企业慷慨地授权本书使用其珍贵的图片资源：宇树科技公司授权图4-56及图4-58，图片生动地展示了四足机器人的先进技术；汉森机器人技术公司授权图4-77，让读者得以领略仿生机器人索菲亚的非凡设计与精妙工艺；Deeper Sonar公司授权图3-21声呐探鱼器图片，为本书增添了一个技术细节丰富的视觉焦点。以上图片丰富了书中的视觉呈现，让读者能够直观地感受到机器人技术的前沿发展。

在本书出版之际，作者对以上专家和企业的支持表示深深的谢意。同时，感谢湖北省科学技术协会、武汉市科学技术协会、中国机械工程学会、湖北省机械工程学会、武汉理工大学、欧洲科学院（EurASc）、俄罗斯工程院对本书写作和出版的关注和大力支持，感谢中国水利水电出版社的杨元泓等编辑为本书出版所付出的努力。

2026年3月23日

陈定方

序
前言
第1章　仿生材料
1.1　超疏水荷叶 1
1.2　超滑鲨鱼皮 4
1.3　强韧蜘蛛丝 9
1.4　超黏壁虎足 16
1.5　速干松果鳞片 20
1.6　臭木樟与雾水养殖 24
第2章　仿生结构
2.1　竹子变楼宇 31
2.2　骨架变屋梁 35
2.3　箱鲀（tún）启示—节能汽车 40
2.4　翅葫芦启迪飞翼结构设计灵感 43
2.5　生物形态赋能高铁气动设计 46
2.6　可折叠太阳翼 50
2.7　可越沙障的鸵鸟足结构 53
2.8　扇贝与瓦楞板 57
2.9　鹦鹉螺的黄金螺线 60
第3章　仿生信息
3.1　蛇尾海星探测光线 63
3.2　龙虾嗅觉探测器 67
3.3　鱼眼结构赋能微光夜视技术 72
3.4　静音飞行的猫头鹰 77
3.5　海豚与3D声呐 81
3.6　神经突触感知器 85
第4章　仿生机械
4.1　自由翱翔仿生蝠鲼 90
4.2　机动灵活仿生鱼 94
4.3　可攀爬作业的仿生壁虎
机器人 105
4.4　自适应漂浮三维电子仿生飞行器 113
4.5　深海潜行鹦鹉螺 119
4.6　跨域作业仿生飞鱼机器人 123
4.7　可盐可甜机器狗 128
4.8　灵活多变的机械手 141
4.9　类人机器人索菲亚 146
第5章　仿生控制
5.1　蚂蚁觅食行为启迪城市选址优化算法 152
5.1.1　蚂蚁觅食 153
5.1.2　蚂蚁觅食背后的原理 155
5.1.3　蚁群算法的应用 156
5.2　鸟群迁徙机制启发智能图像分割技术 157
5.2.1　鸟群的迁徙 158
5.2.2　图像分割的原理 160
5.2.3　鸟群迁徙启发图像分割 161
5.3　鱼群群聚规律赋能无人机编队控制 162
5.3.1　沙丁鱼群的群聚现象 163
5.3.2　沙丁鱼群群聚原理 164
5.3.3　鱼群群聚启发无人机编队 165
5.4　生物神经系统启发人工智能
迭代升级 170
5.4.1　人脑的神经系统 171
5.4.2　人工神经网络的诞生和发展 172
5.4.3　神经网络在人工智能中的应用 174
第6章　仿生电子
6.1　会发光的水母 176
6.2　海参与人机接口电极 180
6.3　电鳗发电的启示 185
6.3.1　会放电的“电鱼”家族 186
6.3.2　电鳗为什么能放电 188
6.3.3　电鳗发电的应用 189
6.4　巨藻俘获海底能源 190
6.4.1　能源转换器—巨藻 191
6.4.2　巨藻启发海底发电机 193
第7章　仿生化学
7.1　硅藻如何生产玻璃 197
7.2　鲍鱼与钢铁塑料 201
7.3　珊瑚虫与绿色水泥 205
7.4　珍珠贝壳与复合材料 208
7.5　贻贝愈合牙齿 212
后记　自然智慧的现代启示
参考文献

1. DeepSeek Harness实战：从零构建插件化AI工坊 [姜汉龙　邓川子　编著]
2. 四川安宁河流域地质灾害时空分布及防灾减灾 [钱利军 欧莉华 李国新 著]
3. 网络规划设计师5天修炼（第三版） [朱小平 施 游 编著]
4. 大学体育与健康 [主编　邓华荣 杨柳青 邱峰]
5. AIGC+短视频创作与运营 [主编　何天龙 梁奕文̳]
6. AI公文写作：规范为体 AI为用 [蔡昌艳　编著]
7. WorkBuddy智能工作流：把办公工具变成你的赚钱能力 [何伟　韩旭　编著]
8. MySQL数据库应用教程 [陈雪娟 叶利丽 范红霞]
9. 软考论文高分特训与范文10篇—网络规划设计师（适配第三版考纲） [施游 朱小平 编著]
10. 人工智能基础与应用（活页式） [赵金考 李瑛 禹晨 王宏斌]
11. “五小工”劳动技能培训教程（第二版） [张希跃　王其梁]
12. 武术 [李福良 王红卫 王少宁]
13. 不算太准的人类：AI时代的生存美学 [张昆玮　著]
14. 单片机应用技术与Proteus仿真—基于IAP15W4K58S4 [胡燕清 葛建新 杨黎]
15. 全媒体编辑实战（基于AI） [杨秋梅]
16. WorkBuddy提效手册：AI 办公与智能工作流实战指南 [何伟　韩旭　编著]
17. 无人机结构与系统 [主编　蒋小波]
18. 用英语讲中国建筑文化 [韩松　吕静　赵妍　齐媛媛等　编]
19. 电路分析基础实验教程 [主编 张玲玉 李德庆 李凤霞 ]
20. Ansys Workbench热学仿真指南与实例详解（流固热电耦合Mechanical+Fluent） [周艺 编著]
21. 数据库技术与应用（SQL Server） [主编 沙有闯 朱小娟]
22. 网络规划设计师备考一本通（适配第3版考纲） [夏杰 编著]
23. 八秩芳华 敦品致远——北方工业大学建校80周年征文集 [北方工业大学　编]
24. 大学生素质拓展指导 [郭亮]
25. 移动通信全网建设技术与应用 [主编　向宁　张琦　李智]
26. 大模型通识 [张成文 著]
27. 信息技术与人工智能实训 [主编 彭冬梅]
28. 信息技术与人工智能 [主编 罗茜]
29. 爆笑学英语：句句有梗的英文段子 [丁睿 编著]
30. 2025年湖南省金融业发展报告 [主编 王志辉 任璐]