序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇近代科學論文范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創作。

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【關鍵詞】畢業論文；應用物理專業；論文質量

本科畢業論文是在大學四年級第二學期開設的一門必修課，是本科生在四年教學培養計劃中的最后一個環節，也是培養大學生走向社會的一個重要環節。通過撰寫畢業論文，培養學生綜合運用大學期間所學的理論知識和實驗技能解決實際問題的能力，初步達到讓學生可以獨立分析和解決實際問題的目的。近年來，由于各大高校進行大幅擴招學生，在校本科生人數逐年增加，結果導致學生整體素質參差不齊，尤其是在一些非985、211的普通二本學校，此現象尤為明顯。此外，有些學校還存在師生比例嚴重失調、教學資源緊張的問題，這些因素導致本科畢業論文質量逐年下降[1]。對于本科畢業論文質量問題，已有部分報道[2-4]。本文根據作者所在學校的應用物理專業為例，結合作者指導本科畢業論文的體會，對如何提高本科畢業論文質量進行初探。

1應用物理專業畢業論文教學現狀

1．1完成畢業論文時間不足

我校應用物理專業本科生畢業論文安排在大學四年級下學期3月至6月份進行，短短的3個月時間學生要完成查閱大量的文獻資料、學習畢業學習實驗設備的使用方法、實驗、分析、撰寫論文。其間部分學生還要去找工作、面試（工作、考研面試等），真正完全投入實驗的有效時間約為1個多月。因此，要想取得較好的實驗結果是比較困難的。

1．2對畢業論文課程了解不足

根據對2012級應用物理專業學生的調查結果顯示，學生對畢業設計課程非常了解的為0，了解的為43.5%，不了解的為56.5%，占到一半以上。對畢業論文撰寫格式非常熟悉的為0，基本熟悉的為39.1%，不知道的占61.9%。對畢業論文考核標準不了解的高達73.9%。學生對畢業論文課程的認識不足必然會影響撰寫論文質量。此外，學生對畢業論文的重要性缺乏認識。學生普遍認為畢業論文與就業無關，沒有必要在畢業論文中投入過多的時間和精力，而把大部分時間都投入在考研和就業的事情上。甚至有的學生會認為只要找到工作或考上研究生，學校在畢業論文上會為他們開綠燈，完全忽略畢業論文的質量問題。因此，學生在撰寫畢業論文過程中，缺乏主動性和創新精神，導致畢業論文質量下降。

1．3學生撰寫論文能力差

大學生在學習期間很少、甚至沒有閱讀科學論文，也沒有系統的學習論文的撰寫方法，因此在撰寫畢業論文的時候必然會導致一些抄襲、語言表達不恰當、格式不規范等問題。

1.4學生對論文選題不感興趣

我校的畢業論文題目一般都是由指導老師擬定，然后讓學生選擇。有些題目擬的過大，超出了本科生研究的范圍；有的題目擬的過窄，無法開展實際研究；有的選題與專業結合不緊密，學生對選題不感興趣。最終，學生為了畢業，隨便選取一個論文題目，應付差事，結果導致畢業論文質量降低。

2提高應用物理專業畢業論文質量的實踐與探索

我校是一所以工科為主的高等學校，致力于培養高級應用型人才，學校注重對學生實際動手能力的培養。針對我校應用物理專業的畢業論文存在的以上問題，我們主要開展了一些實踐措施以期提高應用物理專業畢業論文質量。具體措施如下：

2．1鼓勵學生提前開始畢業論文準備工作

目前，我校應用物理專業四年級上學期的必修課程只有《固體物理》和《近代物理實驗（4）》兩門課程和其它選修課程。因此，通過鼓勵學生提前完成選修課程的學習，在四年級上學期有一定的空閑時間開展畢業論文的前期工作，從而延長畢業論文執行時間，提高畢業論文質量。

2．2提前開展與畢業論文相關的宣傳工作

鼓勵各代課老師以及班主任提前對學生講解畢業論文課程的重要性，必要時可在三年級下學期末或四年級上學期初開設關于畢業論文課程講解的課程或講座，讓學生提前認識畢業設計課程的重要性、了解畢業論文的考核標準。使學生在做畢業論文時能夠有備而戰、進而保證畢業論文的完成質量。

2．3培養學生查找和閱讀論文的能力

學生在撰寫畢業論文之前，閱讀專業論文量少，僅限于課本教材。因此，學生對撰寫畢業論文的方法、結構和格式等了解不足。針對這些問題，有必要提前告知學生獲取文獻的途徑。例如，利用圖書館網絡學術數據庫（同方、知網、維普網、以及Elsevier等英文數據庫）查找相關的學術文章。通過閱讀文獻既可拓寬學生的知識面、彌補課堂教學信息量的不足，又可讓學生了解論文撰寫的結構、格式等基本要求，為將來撰寫合格的、高質量的畢業論文奠定基礎。

2．4指導教師提出高質量畢業論文題目

指導教師應該從自己在研課題中提出與學生專業課內容相關或符合的題目作為畢業論文選題。只有指導教師提出高質量的、學術性的、科學性強的、有理論價值的、應用價值的題目，學生才會有完成其的興趣，才有可能寫出高質量的論文。這樣不僅能把科研和教學相結合，而且還能提高畢業論文質量，同時還有可能為學生在將來的進一步深造或工作中提供有益幫助。

3結束語

通過向學生講解畢業論文課程的重要性、鼓勵學生提前開始畢業論文的準備工作、培養學生查找和閱讀文獻的能力、提出高質量的論文選題等措施，可以充分調動學生創新的積極性、提高本科生畢業論文質量。

【參考文獻】

［1］朱華躍，廣東化工[J]．41(2014)259．

［2］康紅梅，職業時空[J]．10(2014)51．

［3］熊科云，科技廣場[J]．8(2011)250．

篇(2)

【摘要】本文討論了歷史主義科學哲學的范式內涵特點以及整個發展過程，在對邏輯經驗主義、批判理性主義的批判中，圍繞歷史主義以科學哲學與科學史的結合為理論出發點，對科學的發展過程作進一步的科學史分析，深入闡述歷史主義的范式特點，以及歷史主義范式對科學哲學的意義影響。

【關鍵詞】歷史主義；科學哲學；思想；范式

一、歷史主義科學哲學范式的內涵

范式概念的首次提出者庫恩在其著作《科學革命的結構》一書中作了初步的解釋，“它們的成就空前地吸引一批堅定的擁護者，使他們脫離科學活動的其他競爭模式。同時，這些成就又足以無限制地為重新組成的一批實踐者留下有待解決的種種問題”，[1]范式作為描述整體科學結構的概念，包含科學共同體的信念、哲學觀點、公認的科學成就、方法論準則、共有的世界觀，乃至于教科書或經典著作、實驗儀器等等，具有極其復雜的內涵，范式在科學研究中有著重要的地位，貫穿科學發展的始終，至今也已成為人文社會科學中的一個基本范疇。范式是一個具有多層次結構的范疇，對于范式的運用，在此，我們應明確歷史主義科學哲學范式研究，是科學哲學研究的一個新視角的體現，也是一種新的研究模式。通過庫恩對“范式”的解釋我們可以看出，“范式”的運用歷史地重現了科學發展的規律，庫恩用范式描述科學發展的模式，則體現出了科學發展模式的動態性特征。

二、對傳統科學哲學的批判

歷史主義不贊同邏輯經驗主義認為科學研究的任務在于把作為研究對象的科學知識進行語言的邏輯分析，科學知識的直線式積累看作是科學進步的標志。歷史主義認為知識的增長并不是一個累積的疊加過程，而是一個革命的漸進的過程，這一結論是基于科學知識的動態研究的結果，因為動態發展模式本身就是一個上下波動的過程，簡單的累積疊加體現不出跨越式的進步，量變的漸變過程體現不出質變的大飛躍，難以與科學的大發展相匹配。

針對批判理性主義的觀點，歷史主義是這樣批判的。波普爾曾指出：“科學應該被看成是從問題到問題而進步的。隨著這種進步，問題的深度也不斷地增加”。[2]從這個角度上看，證偽的科學知識增長模式確實也說得上是一種反歸納主義的模式，不斷的試錯，不斷的證偽這個過程就是不斷的否定的過程，從辯證的觀點看來，就是僅僅只強調了質變的飛躍，“所謂‘不斷推翻’的‘增長’，這本身就是一種悖論”，[3]這種發展觀是片面的。歷史的發展具有不間斷性，在這個不間斷的過程中，總會存在著類似于常規科學的累積時期，雖然累積時期同樣蘊含著新范式的萌芽，但是也確實是范式的不斷發展時期，波普爾卻“把科學事業中非經常性的革命特點賦予了整個科學事業”。[4]

歷史主義與批判理性主義在研究對象所采取的角度也是不一樣的。批判理性主義從個人的理性的角度去研究科學的發展，其實蘊含著諸多的主觀因素在內，波普爾的建立在“科學發現的邏輯”之上的“理性的重建”，其實也就是一種制定知識產生的程序法則，科學研究只要以此法則為基準，便會不斷獲得真理性知識，以個人的理性為基礎的建構正是波普爾的理論出發點。但是，庫恩認為：“科學盡管是由個人進行的，科學知識本質上卻是集團的產物，如不考慮創造這種知識的集團的特殊性，那就既無法理解科學知識的特有效能，也無法理解它的發展方式。從這一點說，我的書本質上是屬于社會學的，但也絕不容許這個問題離開認識論”。[5]由此可看出，科學知識本質上就屬于社會的產物，脫離了社會因素將會不能很好解釋科學的發展，科學研究的任務并不是像波普爾所說的那樣理性的重建科學發展的歷程，而是“要充分傾聽歷史的呼聲”。[6]在對批判理性主義進行批判方面，庫恩曾經指出：“我們都關心獲得科學知識的動態過程，更甚于關心科學成品的邏輯結構”，[7]歷史主義把社會歷史因素滲透于研究過程之中，得出該流派獨特的見解以及理論成果。

三、歷史主義科學哲學范式的內部發展

隨著科學哲學不斷發展，歷史主義登上了科學哲學歷史的舞臺，歷史主義在自身的發展中形成了新、舊歷史主義兩個流派，他們都是在對邏輯經驗主義、批判理性主義批判基礎上將研究視角從科學理論邏輯分析轉移到特定的社會歷史領域，針對不同的范式建構起科學理論，闡釋科學發展的動態模型發展機制，都給科學實踐活動帶來了深遠的影響。

舊歷史主義主要代表庫恩的范式研究，表明在不同范式條件下，對科學理論的理解應采取不可通約性原則，要想達到對科學理論成果的清晰理解，就必須考慮當時的歷史語境。庫恩還認為，科學理論的產生脫離不了諸如頓悟與直覺等非理性因素的影響，非理性因素是科學所必需的重要因素，是科學產生的基礎，非理性因素對范式的產生與選擇起到了實質的推動作用。拉卡托斯的科學研究綱領的范式依然沒有脫離科學哲學與科學史，還是處在歷史主義的大框架下進行的科學研究，在理論思想發展的過程中還體現出了歷史與邏輯的有機統一，是一種開創性的進展，他的科學研究綱領實質上指的是相互聯系的理論系統，單個理論并不能稱之為科學的單元，既然科學研究綱領實質上指的是相互聯系的理論系統，那么其發展過程也是一個循序漸進的不間斷過程，是一個歷史再現的過程，隨著經驗事實的不斷增長，那么相應地科學理論也會不斷增長。費耶阿本德把庫恩的非理性主義不斷強化，認為非理性是科學之所以成為科學的重要因素，任何把非理性因素排除在科學之外的做法，其最終的結果是“必將消滅科學”。[8]費耶阿本德的范式研究方法我們可以把它說成“怎么都行”，法無定法是其思想的重要體現，是對一元論的傳統挑戰，有利于多元理論間的競爭與發展，使人們可以從更深一層視角研究科學發展模式，使科學發展不局限于單一方法原則，為思想進一步繁榮奠定理論基礎。

新歷史主義的重要代表人物之一夏佩爾，夏佩爾的理論研究依然是從科學史出發來考察科學發展的問題，他不認同庫恩、費耶阿本德的范式的不可通約性觀點，理由在于研究對象沒有脫離客觀世界范疇，同屬一個范圍的對象并不會有不可比的障礙，范式的不可通約將會帶來科學的進步與合理性無法成立，這也是他們的相對主義與非理性主義產生的一個重要根源。而作為八十年代新歷史主義另一主要代表人物勞丹，與夏佩爾的思想理論方向則有所不同。勞丹關于“科學問題”的范式認為，科學的發展，理論的進步主要在于問題能夠得到不斷地解決，科學的目標就是不斷增強解決問題的能力，以問題為導向，以解決問題為突破的科學研究，問題是會不斷發展變化的，解決方式也會隨著問題發展與時俱進，勞丹還在科學發展動態模式理論的建構中，闡釋科學發展的本質是在于漸進式的發展，科學內部的各要素是處在一個相互聯系的有機系統之中，跨越式的革命進程是不應該存在于相互聯系的要素之間。

綜上，歷史主義的發展一個顯著的特點在于，把非理性因素的科學研究中的作用提到了一個高度，體現了歷史主義的創新性。非理性主義觀點出現之后，雖不可避免遭到攻擊與駁斥，但是，畢竟非理性主義還是有著歷史的因素包含其中，考慮到當時理性主義指導下的科學對人類社會帶來的諸多負面效應，單純理性原則似乎抵擋不了對科學的種種質疑，一時也得不到理性主義的合理解釋，這樣的局面正好給了非理性一個很好的契機，給了科學哲學的新發展方向一個很好的機會，這也就是后來我們看到的，以庫恩為主要代表的舊歷史主義強調的非理性因素對科學的重要作用，后經費耶阿本德的繼承與發展，更留下了濃墨重彩的一筆。

四、歷史主義科學哲學范式的特點

歷史主義科學哲學范式的一大特點就是突出主體性，在西方科學哲學在從客觀主義、絕對主義到主體主義、相對主義的根本性轉變過程中，歷史主義扮演了關鍵的角色。在歷史主義之前，無論是邏輯經驗主義還是批判理性主義，都主張把主體性排除在科學研究之外，認為主體性會造成科學知識認知的偏差，通過排除主體性的歸納與演繹的結果是得到絕對客觀的科學知識理論的前提。歷史主義充分肯定主體性因素在科學認識中的作用，科學知識的普遍必然性并不是直接來源于經驗事實，也不是直接來源于對先驗公理的演繹，人的主體性對科學知識的產生也占據著重要的影響，科學共同體發揮主體性的作用把科學與客觀外部世界聯系起來，科學知識最終還是由主體的能動性所做出的非邏輯、非理性所決定的，這種主體性是有著積極的意義，充滿著創造性，并不局限在狹隘的觀念和框架之中。

歷史主義把科學哲學與科學史相結合，重視科學史的研究，與歷史史實的聯系，科學研究以科學史為指導，是區別于早期科學哲學將科學研究聚焦于邏輯方法的一大進步。歷史主義在考察新事實與新理論在科學發現的關系中就很好地體現出了對歷史事實的重視，在氧的發現的例子考察中，對C.W.舍勒、約瑟夫·普利斯特列以及拉瓦錫的研究成果都做了細致的分析，但是究竟誰是氧的最初發現者，由于沒有確定權威的標準作為判斷的依據，所以最終難以定斷。氧被發現了的歷史事實，給予我們這樣的啟示，科學發現不同于類似于看見這樣一種瞬間性的行為，把科學發現單純歸屬于某一時刻、某一人，科學發現是一個過程，脫離歷史發展的過程性，是不符合歷史與現實的，歷史發展的過程性，不僅有類似于量變的積累，還有類似于質變的飛躍，蘊含著量質變的辯證關系，把科學的發展與歷史緊密結合。由此可見，科學史對科學的發展起著至關重要的作用。

歷史主義探究科學發展強調歷史性思維。研究科學哲學的目的應該在于重現科學的歷史，這一重現的過程不必遵循著正統派“邏輯重建”的原則。然而，歷史重現與邏輯重建是背道而馳的，這倒不是說明歷史主義在科學發展的歷程中偏離了方向，而是恰恰說明了這是對正統派中的闡釋科學合理性的片面說法進行的修正，指出純粹的邏輯分析的缺陷。在對新舊理論的邏輯分析上，歷史主義從歷史學的角度出發，指出了新范式理論與舊范式理論在邏輯上存在著不一致的方面。

歷史主義范式的特點還體現在以動態發展模型來研究科學發展的歷程。在范式基礎上把科學發展模式解釋為前科學時期、常規科學時期、反常與危機、科學革命直至新的常規科學時期這樣循環往復的過程，體現出了歷史發展的過程性，符合科學發展史的實際情況，常規科學時期可以把科學的進步看成以累積的方式不斷發展著，而科學革命時期，新范式的建立標志著新的科學共同體取代舊的科學共同體的過程，這是一個質變的跨越過程，因此，這一具有歷史性、社會性動態發展模式開創了詮釋科學發展的新視野。

歷史主義范式還十分注重理論間的不可通約性來進行科學哲學的研究。“不可通約性”術語的由來在庫恩的《結構之后的路》一書中有這樣的說明，“等腰直角三角形的斜邊與直角邊不可通約，圓的周長與半徑不可通約，這意味著不存在一個長度單位可以將一組數中的兩個數都整除而沒有余數。即不存在公約數”。[9]在后來的發展中，“不可通約性”便被用來說明科學理論間以及其詞匯、概念間的不可比較性，不過，這里的不可通約性并不是絕對的，等腰直角三角形的斜邊與直角邊不可通約，但是斜邊與直角邊的長度還是可以比較的，這僅是一種局部的不可通約性。人們往往習慣于運用現實的理論原則審視過去的理論，簡單地把過去的科學成分剔除出科學的范疇，然而，過去的理論并不是它們被取代就不科學了。

五、歷史主義范式對科學哲學的意義

歷史主義范式代表著一種典型歷史觀的歷史方法論，歷史主義科學哲學流派把研究對象聚焦于“過程”，歷史主義中的代表人物之間的理論有批判與繼承，一定程度上推動了辯證思維的發展，對歷史主義范式的探索，無論是在理論的參考價值，還是在研究視角的啟發，對未來的科學發展模式的研究都有其重要的借鑒意義，對后繼發展的理論具有重要的參考價值，還提供給人們一種新的思維方式，讓人們更好的理解科學哲學的發展史，對現代科學發展作深刻的哲學反思，體現出特定的社會歷史背景并彰顯時代特征。

繼歷史主義之后，范式理論得到了廣泛的應用，歷史性地融入了科學哲學的研究中，對科學共同體的科學觀產生重大的影響，科學共同體科學觀的形成以及思維方式的發展都是以范式的形成為基礎的，現代科學家的任務在于對前范式進行整合，把不符合范式的發展要求的內容進行修正，不斷擴大范式的作用范疇。雖然歷史主義的時代使命在當時的歷史背景下已經完成，但是它對后繼發展的科學觀有著深遠的影響，我們現在應該思考的并不是實質的對與錯的關系，應該是把范式理論的背景、經過及影響做深入分析，簡單的做出對錯劃分最終對科學的長遠發展并沒有什么實質的意義，沒有無懈可擊的科學理論，只有隨時展而不斷涌現出更加符合歷史發展客觀現實的理論。理性主義占統治地位的時代背景下，后現代哲學雖然不能完全顛覆理性主義的位置，但是，歷史主義奠基者還是充當了時代思想的先鋒，對理性主義進行有力的批判，突破傳統的理論創新以及時代創新精神，是值得無數后繼者的學習的。

【參考文獻】 

[1] 庫恩.跛子和瞎子、哲學和科學史[J].自然科學哲學問題， 1981（2）. 

[2] 波普爾.猜測與反駁[M].上海譯文出版社，1986. 

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[4] 庫恩.科學革命的結構，金吾倫胡新和譯[M].北京大學出版社，2003. 

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[6] 費耶阿本德.反對方法，周昌忠譯[M].上海譯文出版社，1992. 

篇(3)

摘要：

通過詳細介紹仿生學在石油工程領域的發展現狀，提出了石油工程仿生學的概念，指出了建立石油工程仿生學的必要性，概括了石油工程仿生學的特點和研究方法，并梳理了其發展趨勢。目前，仿生學在鉆井、管道、井筒等領域取得了實質性進展。未來石油工程仿生學研究應遵循科學的研究方法，按生物原型階段、數學模型階段和工程實現階段循序漸進地加深研究成果，盡可能避免模仿的復雜性；同時加強在模仿中的創造與創新。石油工程仿生學發展應以生產中的技術需求為根本出發點，以改善現有的或創造嶄新的技術系統為目的，有層次、分階段地開展應用研究，在功能材料、表面性能、信息獲取與處理、工程實現等方面為關鍵技術問題的突破提供創新性解決方案和技術手段，經知識積累、成果轉化和工業化應用3個階段，逐漸形成涵蓋勘探、開發、工程的仿生技術體系。

關鍵詞：

仿生學；石油工程仿生學；仿生技術體系；材料仿生；表面仿生；信息仿生；工程仿生

為了適應環境、延續生命，自然界中的生物經過億萬年的進化和優勝劣汰，造就了近乎完美的結構、形態和功能。五彩繽紛的自然界一直是人類產生各種技術思想和發明創造靈感的不竭源泉，從千百年前模仿蜘蛛織網發明漁網，到近代模仿鳥類飛翔發明飛機，再到21世紀模仿鯊魚皮結構發明鯊魚皮泳衣，人類一直在向大自然學習，利用仿生原理和思想推動技術進步，對仿生學的使用也從無意識向有意識轉變。仿生學是研究生物系統的結構、性狀、原理、行為以及相互作用，從而為工程技術提供新的設計思想、工作原理和系統構成的技術科學［1］。自仿生學誕生到20世紀末，科研工作者經過幾十年的探索，逐步加深了對仿生學的認識和理解，初步掌握了仿生學研究方法，完成了基礎知識的積累。進入21世紀，仿生學的思維和方法迅速滲透到各個學科和行業，研究成果大量涌現，根據發表科學論文數量推斷，這一階段的成果占了總數量的近90％。在這一時期，仿生學在石油工程中也出現了應用案例，不僅利用仿生學理論解決了鉆井、管道防護等技術難題，并且對石油工業的技術創新理念和思維也產生了日益重要的影響。本文介紹了仿生學在石油工程領域的一些重要研究成果，在對仿生學在石油工程領域發展歷程深入分析的基礎上，提出了建立石油工程仿生學的必要性，并概括了石油工程仿生學的研究特點和方法，梳理了其發展方向。

1仿生學在石油工程領域的應用現狀

仿生學的本質是模擬生命系統，其學科結合和行業結合的特點促進了優秀的仿生研究成果從科學研究走向生產實踐，最終投入實際應用。仿生學和石油工程的交叉在鉆井、管道、井筒、油藏等領域也產生了一些研究成果。

1．1鉆井領域

1．1．1仿生鉆井液井壁穩定問題一直是困擾國內外鉆井的難題，水平井比直井的井壁失穩問題更加突出［2］。中國石油大學（北京）根據海洋生物貽貝足絲蛋白的超強黏附能力，研制了仿生強固壁鉆井液體系［3］。該技術在聚合物主鏈上接枝類似貽貝足絲蛋白中的一種關鍵基團，合成類似貽貝蛋白質的水溶性聚合物。仿生鉆井液體系在巖石表面自發固化形成致密且具有黏附性的“仿生殼”，起到維持井壁穩定的作用。試驗井現場鉆井試驗表明，該仿生鉆井液體系在抑制鉆屑分散、穩定井壁、攜屑等方面效果顯著［4］。此外，模仿細菌結構開發了含仿生絨囊的鉆井液［5］，在鉆井過程中無需固相即可暫堵漏失儲層。目前，仿生絨囊鉆井液已在煤層氣欠平衡鉆井、空氣鉆井、防漏堵漏、快速鉆進等方面發揮了作用。

1．1．2仿生PDC鉆頭機械鉆速與使用壽命是衡量鉆頭性能的兩個重要指標［6］，聚晶金剛石復合片（PDC）鉆頭因其出色的切削巖石速度和較長的使用壽命已成為最常用的破巖工具之一。然而，常規PDC鉆頭依然存在金剛石與硬質合金結合力不足、防黏效果不明顯、磨損較快等缺點，為此，吉林大學開展了仿生鉆頭研究工作，研發的仿生鉆頭已從最初的單一功能仿生，發展到目前的耦合仿生，鉆頭性能也由單一的減黏脫附發展到減阻、耐磨、切削效率等指標的綜合提升［7－9］。仿生耦合PDC鉆頭借鑒了竹子中纖維素和木質素的分布方式，牙齒中有機／無機2種不同材料的梯度復合形式，樹木的年輪排布，貝殼表面的非光滑形態，以及螻蛄前足的快速挖掘特點等多種生物特性，并將其進行耦合設計，如圖1所示。現場試驗表明，仿生耦合PDC鉆頭比常規PDC鉆頭鉆進速度提高1．5倍，縮短了施工周期，降低了鉆井成本。

1．2管道防護

1．2．1仿生水草海底防沖刷技術海底管道是海上石油輸送上岸的主要方式［10］，然而，海底復雜流場所引起的海底沖刷造成了管道懸空，給海洋采油安全和海洋環保帶來重大風險。由于常規水下拋石、砂包堆壘、混凝土沉排墊等方法效果不理想，中國石油大學（華東）和中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司提出了一種模擬海草黏滯阻尼作用的仿生水草海底防沖刷技術［11，12］，原理如圖2所示。當海底水流經過仿生水草時，其流速降低，減小了對海床的沖刷；同時，仿生水草促進海流攜沙的沉降淤積，逐漸形成被仿生水草加強的海底沙洲，達到了埋管目的。現場試驗表明，防沖刷仿生水草施工1年后泥沙淤積厚度達20～50cm，防護效果良好。該技術在海管懸空治理中得到了大范圍推廣應用。

1．2．2仿生血小板管道修復技術英國Brinker公司模仿血小板在傷口處凝結的原理，開發了一種管道修復技術［13］。在管道流體中加入Platelets微粒，當其流至裂縫處時，流體壓力迫使其進入裂縫，達到阻止泄漏的目的，如圖3所示。該技術已應用在BP公司Foinaven油田的注水管道和阿帕奇公司在Forties油田超期服役的原油集輸管道上，為管道安全運行發揮了重要作用。

1．3井筒領域

1．3．1仿生泡沫金屬防砂技術中國疏松砂巖油藏分布范圍廣、儲量大，開采過程中必須采取防砂措施。根據骨松質的三維立體結構，提出了一種仿生泡沫金屬防砂技術［14］。泡沫金屬內部為三維孔隙結構［圖4（a）］，砂體進入孔隙后沉積在其中，但流通孔道不會被堵死，實現了常規平面防砂到三維立體防砂的轉變［圖4（b）］。基于仿生泡沫金屬的復合防砂管［圖4（c）］，由不同孔隙度的多個泡沫金屬防砂層、導流層、保護層等組成，該結構不僅擴大了防砂的粒徑范圍，還保障了防砂管的滲流能力和結構強度。目前，已發展出防砂粒徑0．15mm、0．25mm、0．35mm的系列化仿生泡沫金屬防砂工具，在油田應用5口井，對于出砂嚴重的井，防砂效果顯著，大幅延長了檢泵周期。

1．3．2仿生非光滑表面膨脹錐技術膨脹管作業過程中，膨脹錐與膨脹管內壁間存在巨大的摩擦阻力。為了降低摩擦阻力，提高膨脹錐的耐磨損性能，以穿山甲為仿生對象，模擬其體表的高強度保護鱗片結構，研發了仿生非光滑表面膨脹錐［15］（圖5）。仿生膨脹錐變徑段采用激光刻蝕、超音速火焰噴涂、離子束沉積等方式進行表面織構蝕刻以及表面硬質涂層涂覆。仿生膨脹錐在中國石油大慶油田進行了4井次的現場試驗，結果表明，與傳統脹錐相比，仿生膨脹錐降低膨脹壓力15％以上，表面無明顯磨損痕跡，延長了使用壽命，降低了作業風險。

1．3．3仿生振動波通訊技術自然界中，沙蝎、大象等動物能感受由固體介質即大地所傳導的振動波，據此進行信息傳遞。受此啟發，研發了一種仿生振動通訊技術［16］，該技術在井口安裝大功率振動信號發生器作為波源，油管或套管為傳輸介質，將振動信號傳輸到井下，井下工具接收到振動信號并進行解調處理，實現地面和井下無線傳輸，技術原理和振動信號發生器如圖6所示。

1．4油藏領域納米機器人是仿生信息感知和傳遞的典型代表。納米級機器人隨著注入流體進入油藏中，記錄分析油藏壓力、溫度以及流體形態，并將這些信息儲存在隨身內存中，之后納米級機器人從產出流體中被分選出來，進而提供了在油藏旅途中提取的重要信息。沙特石油公司已經對納米機器人的尺寸進行了評估，對加瓦爾油田阿拉伯－D油藏中的850塊巖心進行了分析，得到了孔隙－喉道尺寸分布圖，大多數孔隙喉道尺寸大于5μm。為了避免橋堵，納米機器人的尺寸應為孔隙喉道的約1／4。目前，納米顆粒注入試驗以及軟件模擬等工作已在進行中［17－19］。此外，國內外近年來提出了仿生形狀記憶聚合物材料（ShapeMemoryPolymer，簡稱SMP）［20，21］，利用SMP材料能夠在轉變溫度控制下隨意變形的特性，設計了結構簡單、座封可控的仿生封隔器，座封過程不受井下流體性質影響，膠筒尺寸可定制，并且通過調節SMP的轉變溫度，可適應不同井下溫度，以滿足不同井深條件下的完井需求。除了硬件，還出現了“軟性”仿生研究成果。例如，中國科學院王守覺院士提出了“仿生模式識別”的概念，將傳統模式識別的“區分”事物轉變為“認識”事物，使之更接近人類“認識”事物的特性［22］。石油工作者將這一理論應用到了油氣管道工況識別中，在樣本較少的情況下取得了較高的識別準確率［23］。

2石油工程仿生學發展展望

目前，仿生學雖然已經在石油工程領域取得了一定的研究成果，有些甚至已經在油田現場試驗，但仿生學與石油工業的結合依然只是“星星之火”，沒有達到燎原之勢。為了系統、全面地推動仿生學與石油工程的融合，向自然界尋找推動石油工業進步的靈感和啟發，2009年中國石油勘探開發研究院成立了中國第一個石油工程仿生研究部門，開展仿生學在石油工程中的應用研究。

2．1建立石油工程仿生學的必要性經過幾年探索，筆者所在的石油工程仿生研究部門開展了仿生泡沫金屬防砂、非光滑表面、仿生振動波傳輸等多項研究，取得了階段性成果，部分已進入現場應用階段。總體來說，通過專項研究迅速找到了石油工程和仿生學的結合點，并從最初的研究思路轉化為研究成果，成功應用于石油工程現場，解決了油田技術需求。這充分說明了開展石油工程和仿生學的結合研究是合理的、可行的，從長遠來看，建立“石油工程仿生學”是非常有必要的。“石油工程仿生學”是借鑒生物系統的結構、原理、功能等特征為石油工程技術難題提供解決方案的應用科學。建立“石油工程仿生學”意味著更加系統地開展仿生學在石油工程領域的應用研究，有利于更有針對性地發掘石油工程的仿生創新源頭，有利于更有目的性地開展仿生基礎研究，有利于加速仿生學科研成果的應用轉化，有利于仿生學思維和方法在石油工程領域的普及與傳播，以點帶面，促進石油工程與仿生學的全面結合。

2．2石油工程仿生學的研究特點石油仿生學研究可以分為3個階段：生物原型階段，數學模型階段和工程實現階段。首先研究生物某種功能的實現機制和結構特點；然后研究并簡化其結構，抽象出物理模型，進而建立數學模型；最后采用技術手段，制備實物模型，實現對生物系統的工程模擬［24，25］。仿生學作為前沿領域，研究成果大多屬探索類，注重理論性和超前性，而石油工程作為應用行業，以現場需求為驅動力，更加注重科研成果的實用性和推廣性。因此，在科研實踐中，石油工程仿生學應以滿足生產中的技術需求為根本出發點，以改善現有的或創造嶄新的技術系統為目的，有層次、分階段地進行單元仿生或多元耦合（協同）仿生［26］研究。同時，石油工程仿生學在模仿生物的特性或功能時，要盡可能避免模仿的復雜性，要在模仿中創造（創新），研究成果與仿生原型并不一定完全相同，以期最快地解決生產實踐難題，然后循序漸進地加深研究成果的仿生特性，由研究成果實用化向仿生最優化分階段推進。根據這一特點，確定了石油工程仿生學研究和應用的2種主要方式：①需求驅動型，在石油工業的科研和生產實踐中提出技術問題或功能需求，有針對性尋找并借鑒生物的同類或相似功能，經過可行性研究后開展仿生學三階段研究工作；②源頭驅動型，加強與世界仿生學研究機構之間的交流與合作，密切關注仿生學或生命科學研究的最新成果，找準其與石油工業技術需求的結合點，開展應用研究。筆者研究團隊的研究成果充分體現了石油工程仿生學研究特點的適用性，驗證了研究方法的合理性與可行性。例如，泡沫金屬研發之初采用泡沫鎳作為基材，雖然在技術上具有明顯優勢，但高昂的價格阻礙了推廣應用，為此，繼續開展研發工作，開發出不銹鋼泡沫技術，使其具有了推廣應用的條件；仿生非光滑表面膨脹錐技術則是充分借鑒了其他研究機構的成果，優化改進之后應用于膨脹錐，不僅解決了油田生產難題，還促進了仿生研究成果的應用轉化；仿生振動波通訊技術則是在原理上借鑒了動物的通訊方式，但在實現過程中通過大幅提高信號發射強度的方式避免了高靈敏度、小信號接收器開發的復雜性，從而在最短時間內實現生產井指令由地面到井下的無線傳輸。

2．3石油工程仿生學的發展方向

隨著石油工程仿生學系統性研究的啟動，研究內容體現出了明顯的方向性，但研究的深度和廣度依然不足。根據石油工業的技術現狀、需求和特點，以及仿生學的整體發展水平，未來石油工程仿生學應注重材料仿生、表面仿生、信息仿生和工程仿生4個方面的系統性研究，以點帶面，形成涵蓋勘探、開發、工程的仿生技術體系。

2．3．1材料仿生材料仿生的目的是仿制天然材料或利用生物學原理設計和制造具有生物功能，甚至是具有真正生物活性的材料。石油工程領域的材料仿生主要分為2類：①在機械、電學、化學、物理等方面具有仿生特性的主體材料，此類材料或在宏觀上體現出明顯的仿生特征，或通過外場刺激可調控其分子的長度、結構、化學組成、表面形貌等，進而調控材料性能，如輕質高強材料、仿生記憶材料、壓電材料、可降解材料等，該類仿生材料主要用來替代石油工業中常用的鋼鐵、橡膠、陶瓷等，作為其核心功能部件，或作為傳感器敏感元件，大幅提升現有材料、工具以及傳感器的性能指標；②具有強化、修復、、保護等作用的微觀仿生材料，提高現有制劑性能、界面結合效果等，此類仿生材料多以添加劑的方式應用。

2．3．2表面仿生自然界許多生物體的表面結構是非光滑的，無論是陸地、海洋或是天空中的生物，其表面的不同形貌往往都是為適應不同的生活環境經過長期進化而來的，而表面仿生是在仿生對象表面實現類似生物的表面結構，從而表現出更好的表面性能。未來，石油領域的表面仿生多是對機械部件表面進行處理，重點應集中在仿生非光滑表面和仿生浸潤性兩個方面。加強對不同生物功能表面結構的研究和模仿，將仿生非光滑功能表面應用到大量處于惡劣環境中的設備、管線、平臺中，提高運動組件的減阻、耐磨、脫附等性能，以及非動組件的防腐、防垢等特性，延長裝備壽命，提高作業效率，降低安全風險；對材料表面進行仿生浸潤性處理，使其具有自清潔、親油、疏油、親水、疏水等不同浸潤性特征組合，從而衍生出新的功能特性。目前正在利用表面仿生技術對前文提到的仿生泡沫金屬進行處理，利用低溫等離子體表面處理技術，在泡沫金屬表面涂覆一層厚度為30～40nm的聚全氟烷基硅氧烷薄膜，使其具有新的表面浸潤性特征，根據需要實現疏水、親水、疏油、親油等不同特性組合，在工礦、石化、冶金、機械、環保等領域具有廣泛的應用前景［27］。

2．3．3信息仿生信息仿生主要是對生物信息獲取、大數據處理以及生物間信息溝通、協同等特性的模擬與實現。石油工程領域的信息仿生主要可分為2類：①借鑒生物在信息感知和傳遞方面的特性，研制新型傳感或信息傳遞裝置，提高信號采集的精度、廣度及適用范圍，此類信息仿生技術可用于油田生產數據的精確采集，以及信息的高效傳遞，從而提高油田生產狀態的實時監測與控制水平；②在信息處理方面借鑒生物的大數據處理機理和方法，提高大數據處理能力和智能化水平，建立決策機制，并將其應用在地震解釋、油藏認識、開發方案制定以及油田綜合管理等方面，促進油田勘探開發高效運行。

2．3．4工程仿生目前，工程仿生是對生物某種功能的模仿，注重仿生功能的實現，不強調機理相似：①對生物功能的模仿和實現，此類仿生多是受某種生物功能啟發，注重結構相似或生物功能的工程實現，體現生物功能的智能性，并能夠滿足生產實踐需求。目前，石油工程領域的控制方式正在由傳統的機械方式向自動化和智能化方向轉變，在這一轉變過程中引入工程仿生，不僅能夠優化功能結構和控制方式，還能夠促進功能拓展，提高作業效率和便捷化程度。②材料仿生、表面仿生、信息仿生等方面的工程實踐方法。現有的諸多仿生學研究成果還局限在實驗室環境，在其向工業應用轉化的過程中，一方面要解決成果本身的適用性問題，另一方面需要具備切實可行的工程實踐手段。

2．4發展展望石油工程與仿生學的結合依然處于初級階段，大多數研究成果為“形似”仿生。隨著生命科學研究水平的提高以及技術手段的完備，生命科學從生物結構、功能、特性等研究，逐漸深入到生命活動規律、發育規律、生命本質、生物之間和生物與環境之間的相互關系等研究。生命科學的發展加深了對生命本質的認識，不僅能夠拓寬石油工程仿生研究的廣度，更加深了研究深度；反之，石油工程仿生學的發展也使得人們在具體的科研實踐中深化了對生物本身及其活動的理解，進一步促進生命科學研究，并將研究成果有形化［28］。此外，電子、材料、控制等學科的技術進步也將促使石油工程仿生研究成果越來越“神似”。石油工程仿生學未來發展大概可以分為3個階段，即知識積累、成果轉化和工業化應用（圖7）。2020年前，為知識積累階段，任何一個學科領域的發展，都需要長期的知識積累，其中既包括仿生學基礎理論知識的積累與儲備，也包括石油工程仿生學研究人才和研究方法的積累，這一階段要不斷加深對仿生學本質的認識與理解，探索并逐漸形成石油工業與仿生學的結合模式；2020年到2025年為成果轉化階段，對實驗室研究成果進行簡化和魯棒研究，使之在性能或功能上能夠滿足現場應用的要求，形成基本完備的工程實現技術和手段；2025年后，部分研究成果在生產、成本、效率、能耗、作業工藝等方面能夠滿足大規模工業化應用的要求。2008年提出的仿生井概念是未來石油工程仿生發展的集中體現［17］，代表了未來石油工程仿生研究成果的高度融合。未來的油井會像植物一樣“生長”，像植物尋找土壤中濕潤的地方一樣尋找油氣，一旦鉆好垂直井（種植井）后，井將會“按自己的方式生長”。一個智能的分支會延伸到一塊含油區域，一旦該區域水淹后，就將這個分支“砍掉”，并在另一個含油區域“長出”另一個分支，如此反復。

3結語