生物领域知识激励的创新设计理论与方法研究

The natural world provides numerous cases for inspiration in engineering design. Biologically inspired designs (BID) are publicly viewed as innovative and novel solutions to engineering problems. The aim of the project is to solve the three BID problem: innovation source, bidirectional analogy and innovation mechanism. In this project, the theories and methods of biological domain knowledge inspired innovative design are presented. First, the methods of functional meta-knowledge modeling, coupling modeling in the biological domain and correlative modeling across two disparate domains (engineering and biology) are studied. Second, the methods of knowledge analogies between biological and engineering domain for solution-driven, problem-driven and solution/problem-driven are studied. Finally, the methods of knowledge fusion, Bio-TRIZ, design spiral are studied to solve the innovative problem for solution-driven, problem-driven and solution/problem-driven BID. The typical meta-knowledge models in the biological domain is established, and the system of biologically inspired design is developed. The study result should be applied in the innovative design process of artificial muscle, vehicle passive safety equipment, aerospace equipment, visual prosthesis and myoelectric prosthesis to validate the methods of solution-driven, problem-driven and solution/problem- driven BID. The application of the project should construct the theories and methods of biologically inspired design, strengthen the creative ability of product in the engineering domain.

大自然是人类创新的源泉，生物激励设计（Biologically inspired design）可有效实现基于生物知识的工程领域的创新。本项目围绕生物激励设计中的三个科学问题：创新源泉问题、双向类推问题和创新机制问题，提出生物领域知识激励的创新设计理论与方法。研究生物领域功能知识元建模及耦合建模、生物与工程领域的关联建模方法；研究解驱动、问题驱动和混合驱动的生物领域-工程领域的类推方法；研究基于知识融合方法、Bio-TRIZ方法、设计螺旋方法的解驱动、问题驱动和混合驱动的生物激励设计的创新机制。建立具有典型范例的生物领域知识元模型库，开发生物激励设计软件系统工具集，以人造肌肉（解驱动）、汽车被动安全装置和航天**装置（问题驱动）、视觉假体和肌电假肢（混合驱动）三类典型产品设计为对象进行应用验证。本项目的实施，对于构建生物激励设计理论，提高工程领域的产品创新设计能力具有重要的理论与现实意义。

本项目围绕生物激励设计中的三个科学问题：创新源泉问题、双向类推问题和创新机制问题，研究了生物激励设计中关键技术：生物领域功能知识建模、生物领域-工程领域的知识类推、生物激励设计的创新机制。并在此基础上，提出了生物领域知识激励的创新设计理论与方法。.理论研究方面，一、针对生物激励设计的创新源泉问题，研究了生物领域的功能知识建模方法，包括：生物领域的功能知识元建模方法、生物领域的知识元耦合建模方法和生物领域与工程领域的关联建模方法，从而实现了生物领域与工程领域的一致性知识建模；二、针对生物激励设计的双向类推问题，研究了问题/解/混合驱动的生物-工程领域的知识类推方法，包括：解驱动的生物-工程领域的知识类推方法、问题驱动的生物-工程领域的知识类推方法和解/问题混合驱动的生物-工程领域的知识类推方法，实现了生物领域与工程领域之间的双向类推；三、针对生物激励设计的创新机制问题，研究了三种不同驱动模式下生物激励创新机制，包括：解驱动模式下基于知识融合的创新、问题驱动模式下基于Bio-TRIZ的创新和解/问题驱动模式下基于螺旋的创新，实现了生物激励的产品创新设计。.应用验证方面，根据理论研究成果，开发了生物激励设计原型系统，并把理论方法在制冷领域、汽车领域、航天领域和生机电领域产品开发中，协助企业设计了新型冷却管网散热器装置、新型汽车被动安全装置、新型发动机试验台通断装置和新型人工视觉假体视觉采集装置。.本项目相关研究成果包括发表国际期刊SCI论文17篇、EI论文7篇，国际会议论文4篇，授权发明专利5项，申请发明专利7项，获得软件著作权7项，培养博士生5名，硕士生3名，并参加了ASME、IEEE、ICED、ICDC等工程设计领域国际知名会议，进行了学术交流。本项目的研究初步实现了生物激励的产品创新设计，对于构建生物激励设计理论，提高工程领域的产品创新设计能力，具有重要的理论研究价值和实际意义。