ICS 07.080 CCS A 40
GB
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,conceptsandmethodology
(ISO 18458:2015,IDT)
2023-10-01实施
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 发布 GB/T42444—2023/ISO18458:2015
目 次
前言引言范围
1 2 规范性引用文件
3 术语和定义
仿生学的内涵 4.1 仿生学的本质 4.2与相关科学的界限和交叉领域 4.3仿生产品及仿生流程使用仿生学方法的需求与概况
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5.1 仿生学的可行性、性能和成功要素 5.2 仿生学和可持续性 5.3 仿生学的局限性 5.4 仿生学交流过程工程仿生过程
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6.1 概述 6.2 新思想的开发 6.3抽象和类比 6.4从计划阶段到发明阶段仿生学创新方法的实施· 附录A（资料性） 示例· A.1 计算机辅助优化 A.2 仿生蜘蛛丝 A.3 进化算法 A.4 鳍条 A.5 荷叶效应 A.6 自锐刀具 A.7 新艺术风格 A.8 斐波纳契序列 A.9 奥林匹亚屋顶 A.10 钢筋混凝土 A.11 皂膜类比参考文献
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前 言
本文件按照GB/T1.1一2020《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。
- 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1}：约在20世纪50年代，以模型为基础的仿生学被首次引入，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[S]。
I GB/T42444—2023/ISO18458:2015
仿生学术语、概念与方法论
1范围
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。
2规范性引用文件
1
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/ISO18458:2015
3.5
生物灵感 bioinspiration 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傲的。
3.6
生物系统 biological system 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）。
3.8
生物模拟 biomimicry 生物模仿 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。 3.9
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
构件 component 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
发明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，因面发明不同于创新。
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 GB/T42444—2023/ISO18458:2015
3.15
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)。
3.16
结构 肉structure 系统(3.18)中构件(3.11)的类型和排列。
3.17
可持续性 主sustainability 可持续性发展 sustainabledevelopment 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。 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
而获得汀。
3.18
系统 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
技术拉动technologypull 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)。
3.20
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
4.11 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/ISO18458:2015 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(11)（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：一一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；
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