负责老师：X老师

大家好，我是本次研学的指导师，X老师，欢迎大家来体验《走近仿生学》的研学课程。

我们天生就和大自然有着很奇妙的联结，动植物、水流、沙滩往往比昂贵玩具更能给我们启发，大自然也成为人类迸发无数奇思妙想的源泉。

二、关于“仿生学”（14分钟）地点：暂定

活动目标：

了解仿生学的概念、形成、研究范围

活动准备：

PPT

同学们，你们知道飞机、超声波是从大自然中的哪些动物身上得到启发的吗？

没错，鸟和蝙蝠。1800年左右，英国科学家、空气动力学的创始人之一凯利，模仿山鹬的纺锤形，找到阻力小的流线型结构。凯利还模仿鸟翅设计了一种机翼曲线，对航空技术的诞生起了很大的促进作用。同一时期，法国生理学家马雷，对鸟的飞行进行了仔细的研究，在他的著作《动物的机器》一书中，介绍了鸟类的体重与翅膀面积的关系。德国人亥姆霍兹也从研究飞行动物中，发现飞行动物的体重与身体的线度的立方成正比。亥姆霍兹的研究指出了飞行物体身体大小的局限。人们通过对鸟类飞行器官的详细研究和认真的模仿，根据鸟类飞行机构的原理，终于制造了能够载人飞行的滑翔机。
雷达导航与蝙蝠。蝙蝠是在夜里飞行的，还能捕捉飞蛾和蚊子；而且无论怎么飞，从来没见过它跟什么东西相撞。为了弄清楚这个问题，100多年前，科学家做了三次不同的试验证明，蝙蝠夜里飞行，靠的不是眼睛，它是用嘴和耳朵配合起来探路的。它能够用嘴发出超声波后，在超声波接触到障碍物反射回来时，用双耳接收到。科学家模仿蝙蝠探路的方法，给飞机装上了雷达。雷达通过天线发出无线电波，无线电波遇到障碍物就反射回来，显示在荧光屏上。驾驶员从雷达的荧光屏上，能够看清楚前方有没有障碍物，所以飞机在夜里飞行也十分安全。

种类繁多的自然界生物经过长期进化，能够很好的适应环境的变化。生物的这些神奇本领就成为人类各种技术思想、工程原理以及重大发明的源泉。

通过模仿生物的构造和功能，我们发明出了很多用于生产生活的工具。例如：雷达、飞机、迷彩服等等。这种模仿生物功能进行发明创造的科学我们称之为仿生学。

仿生学是近现代才有的吗？

最早可以追溯到远古。我们的祖先模仿蜘蛛网，学会了编网捕鱼；通过观察鱼的身形和摆动，改进了船橹和船舵。木匠的祖师鲁班大师更是最早的仿生大师，他通过观察和模仿叶子和螳螂，发明出了带齿的锯子，大大提升了古代的木匠工艺。

我们的祖先虽然不知道仿生学，却已经用本能在模仿自然界的生物了，仿生学这门学科是怎么形成和发展的呢？

1960年9月13日，美国召开了第一届仿生学研讨会，斯蒂尔博士第一次提出了“仿生学”的概念。随后，仿生学慢慢成为一门独立的学科，迎来了快速的发展。

模仿生物创造出来的新仪器、新设备日益增多，比如∶雷达、导弹、电子计算机、潜艇等等。生物学、物理学、数学、工程技术学等学科相互融合与渗透，使得仿生学不断上升到新的层次，并成为发展现代高新技术的重要途径。

仿生学在短短的几十年间已经在诸多领域成功应用。可以说，仿生学不但是一门学科，更是人类对自然的深刻理解。或许在不久的将来，我们能够通过观察自然学习自然，推动人类社会走出一条更和谐可持续的发展道路。

对于模仿生物有许多不同的角度，而仿生学主要的研究范围主要有四种：拟态仿生、信息与控制仿生、力学仿生和能量仿生。

拟态仿生：

拟态指一种生物模拟另一种生物或模拟环境中的其他物体(颜色、形状、声音、味道、功能、动作等)从而获得好处的现象。仿生是模仿生物系统的功能和行为，来建造技术系统的一种科学方法。

拟态仿生的高手∶变色龙&枯叶蝶

变色龙学名叫“避役”，它们行动迟缓，浑身灰黑色，布满了疙瘩，看着不起眼，但是它们有个了不起的本领，一昼夜可变化六七种颜色。这是因为变色龙皮肤表层有个庞大的“色彩仓库”，储存了三层色素细胞，充满着不同颜色色素∶红，黄，棕，绿等。随着周围环境、光线、温度的变化，变色龙皮肤便自然变色，达到伪装效果。

相似的著名拟态昆虫还有中华枯叶蝶。它翅膀合起来的时候就像生长在树枝上的干枯树叶，很难注意到它。通过伪装，它能很好的躲避天敌的捕猎。

变色龙&枯叶蝶的仿生应用：迷彩服&狙击手

科学家仿照变色龙，制成了一种既能够自动改变颜色，又始终与环境保持一致的军装。这种军装用一种对光线变化很敏感的化纤纤维织成，土兵穿上后，可以放心的从白色的沙滩上登陆，然后在森林里军装自动变成深绿色，到了草地又变成麻黄色。枯叶蝶的拟态特征则被用于野外战斗，比如狙击手，这样敌人很难发现他们的伪装。同学们发现了躲藏在图片里而的狙击手了吗？这是不是很神奇？

信息与控制仿生指模拟感觉器官、神经元与神经网络，以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。

信息与控制仿生的高手有响尾蛇，响尾蛇是一种毒性很强的毒蛇，它的视力几乎为0，但它长有一种能探测周围环境中温度变化的红外线感受器在眼睛与鼻孔之间的颊窝里而，由于响尾蛇具备这种红外线感受器，在黑暗中它也能准确无误的捕猎。

其经典仿生应用包括响尾蛇导弹、夜视仪和消防红外探测器。美国的海军武器研究中心，利用响尾蛇的这一奇特功能，研制出了一种空对空导弹的敏感器件，能够探测来自目标的红外线辐射，从而紧紧盯住目标不放，直至把目标描毁。这种导弹被命名为“响尾蛇导弹”。科学家还研制出了其他仿生红外探测器、现代夜视仪等。比如消防用的红外探测器。

另外蝙蝠与雷达，蝴蝶和人造卫星，青蛙与电子眼，水母与风暴预测仪等也是信息与控制仿生的经典实例。

力学仿生

模仿生物体内部大体结构和精细结构的力学性质，或在外部环境中如何运动的动力学性质。

力学仿生的高手有啄木鸟，啄木鸟一天可以发出约600次啄木声音，每次的速度可以达到550m/s。这可是音速的1.6倍。而它的头部摇动的速度就更快了，大约每小时达到了2080KM，这可是比子弹飞行还要快1 倍多，更是高铁火车的7倍！这么快的速度下，它的头部受到的冲击力比起一辆汽车（时速56KM）撞在一堵墙的冲击力还要高大约100倍!可为什么啄木鸟的头部能承受那么大的冲击，而没有脑震荡呢?

人们通过对它的观察研究，发明出一种坚固安全的头盔∶外壳坚固，里层松软，帽子下部有个保护领圈，可以有效保护我们，避免因突然而来的旋转运动所造成的脑损伤。经过试验，这种新型头盔比一般头盔效果好很多!

生物界的各种蛋壳、贝壳、乌龟壳、海螺壳等等，都是一种曲度均匀、质地轻巧的“薄亮结构"。这种结构的表面虽然很薄，但是非常耐压。壳体结构的强度和刚度主要是利用了其几何形状的合理性，把受到的压力均匀的分布到了壳体的各个部分，这样可以用很小的厚度承受很大的重量。比如龟壳的背甲，呈拱形，跨度大. 虽然它只有2mm的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它

建筑学家横仿他们设计了薄壳建筑。这类建筑有许多优点∶用料少，跨度大，坚固耐用.

能量仿生

指模仿生物的发光器官肌肉直接把化学能转化为其他能量形式。

能量仿生学的高手要属萤火虫了，萤火虫在夏日夜晚发出的光和太阳光不一样。太阳要依靠核聚变来发光，普通电灯依靠电流对灯丝的加热发光，他们发光时候都伴随着热的产生。但是萤火虫的光不一样。它的腹部有个发反射层三部分光器，由发光层、透明层、组成。发光层有几千个发光细胞，都含有荧光素和荧光酶两种物质，他们能在细胞内水分的参与下，与氧化合产生化学反应从而发出荧光。所以，董火虫发光时，实质上是把化学能100%的转化成光能，而不会像太阳那样产生热量，因此他们的光很柔和，是冷光源。人们根据萤火虫发明出了日光灯，还设计出各种各样的荧光产品。这种生物光源可在充满净炸性瓦斯的矿井中当闪光灯使用,银好的保护矿工们的生命。

三、生活中的仿生学（25分钟）地点：暂定

活动目标：

了解生活中的仿生学

活动准备：

PPT  

同学们，在了解了仿生学的概念和研究范围，你们思考一下，在我们的生活中还有哪些运用了仿生学呢？

……

说的很好呀！还有哪些例子呢？我们一起往下了解：

飞蓬草和轮子

飞蓬草是菊科植物，生长在山坡、草地、牧场或林带边缘。它的茎直立高达60厘米。由于它枯后根断，遇风飞旋，因此叫飞蓬。传说古人是受飞蓬的启示后发明轮子的。

杉树和电视塔

云杉为适应山上长年累月的狂风袭击，树干底部显著增粗，形成圆锥形。人们模仿云杉对大风的适应，把建造在风速达80米／秒山顶上的电视塔设计成类似圆锥体，就能抵抗住大风袭击。

鲨鱼皮与泳衣

图自：Matt9122/Shutterstock; Michael Kappeler/AFP/Getty Images

在电子显微镜下，鲨鱼的皮肤是由无数重叠的鳞片组成的，被称为真皮小齿(或称“盾鳞”)。小齿上有凹槽，与水流对齐。这些凹槽破坏了涡流的形成，使水流速度更快。粗糙的形状也阻碍了藻类和藤壶等寄生虫的生长。

科学家们已经能够利用鲨鱼皮肤上的小齿，重新设计应用在泳衣和船底上。当货船的效率能提高百分之一时，它们就会减少燃料油的消耗。科学家们正在应用这项技术，希望在医院里创造出能够抵抗细菌生长的表面，因为细菌不能在粗糙的表面上附着。

毛刺与尼龙搭扣

图自：cpreiser000,Stocksnapper/Shutterstock

维可牢尼龙搭扣是由瑞士工程师George de Mestral在1941年发明的，他在给他的狗去除粘在身上的毛刺时，决定仔细看看它们是如何工作的。在毛刺针末端发现的小钩子启发他创造了现在无处不在的维可牢尼龙搭扣。人们甚至还开发了一种运动，身穿维可牢套装，尽可能高的跳到墙上，而衣服与墙面正是尼龙搭扣的两个表面。

荷花与油漆

图自：Pumbbg,severija/Shutterstock

荷花有点像陆地上的鲨鱼皮。这种花的微粗糙表面可以自然地排斥灰尘和颗粒，使花瓣保持干净闪亮。如果你曾在显微镜下观察过荷叶，你会看到一大堆指甲状的小突起，它们可以抵挡灰尘。当水滴在荷叶上时，也无法停留，而是翻滚而下，这就是“荷叶效应”。

德国Ispo公司花了4年时间研究这一现象，并开发出一种具有类似性能的涂料。微粗糙的油漆表面不会让灰尘和污垢停留，减少了清洁房屋的次数。

苍蝇与振动陀螺仪、蝇眼照相机

苍蝇是细菌的传播者，谁都讨厌它。可是苍蝇的楫翅(又叫平衡棒)是“天然导航仪”。苍蝇的眼睛是一种“复眼”，是由3 000多只小眼组成。人们模仿苍蝇的平衡棒制成了“振动陀螺仪”，目前这种仪器已经应用在火箭与高速飞机上，实现了自动驾驶；人们还模仿它的复眼，制成了“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。

章鱼与吸盘

章鱼的触须非常神奇，上面有吸力很强劲的吸盘，如果它吸附在人的胳膊上，那要用很大的劲儿，才能把它撕扯下来。章鱼这种动物在希波拉底时代就已经是一道菜了。几乎可以肯定吸盘类的物体的发明者基本上都是受章鱼或者枪乌贼的启发。医学界对这类的发明非常支持，比如中国人直到现在还有人在用拔罐的方法来治疗疾病。

同学们，到这里有一个问题，以上都是我们人类模仿大自然，那有没有人类模仿人类的仿生学呢？

对，机器人我们看一段科普视频《仿生学与神经机械学》（15分钟）：

四、制作毛毛虫仿生机器人（45分钟）地点：暂定

活动目标：

动手制作毛毛虫仿生机器人

活动准备：

材料包

同学们知道毛毛虫是怎么爬行的吗？谁来模仿一下？

很棒！身子收缩，伸长，收缩，伸长……

接下来我们要制作一个毛毛虫仿生机器人，感受一下仿生学的魅力！我们先看一下怎么制作！

老师给每个同学发一份材料包，你们在制作的过程中有任何疑问都可以举手问老师哦！

同学们制作好了就可以试试你的毛毛虫能不能行走啦！

五、收获与分享（5分钟）

同学们真棒，今天我们认识了仿生学，谁可以和老师分享一下收获和感谢？

说的不错，自然界是人类各种技术、艺术等创新与发明的源泉。希望通过这节课，小朋友们能张开善于发现新事物的眼睛，拥有勤于思考探索的智慧，多多观察身边的点点滴滴，没准下一个得到灵感的人就是你哟。今天的家庭任务是，为仿生学用文字加画画的形式设计一份简单的简介哦！

六、结束语

今天的研学课程到这里就结束啦！非常感谢同学们陪老师度过的愉快时光，期待我们下次再见！

七、课程反思