Design methodologies and engineering applications for ecosystem biomimicry: an interdisciplinary review spanning cyber, physical, and cyber-physical systems
Design methodologies and engineering applications for ecosystem biomimicry: an interdisciplinary review spanning cyber, physical, and cyber-physical systems
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生态系统仿生设计方法和工程应用：跨越网络、物理和网络物理系统的跨学科综述
DOI：
10.1088/1748-3190/acb520
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发表时间：
2023
影响因子：
3.4
通讯作者：
Zuo, Wangda
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Hinkelman, Kathryn;Yang, Yizhi;Zuo, Wangda
生态系统仿生是实现可持续发展的一条重要途径。然而，虽然典型的形式和过程级仿生是普遍的，系统级生态系统仿生仍然是一个新生的实践在许多工程领域。这种批判性的审查采取跨学科的方法来综合案例研究的趋势，评估设计方法，并确定未来的机会时，应用生态系统仿生工程实践，包括网络系统（CS），物理系统（PS）和网络物理系统（CPS）。在系统地从主要数据库中获取出版物后，首先在Meta水平上分析这些论文的文献背景和分类变量之间的统计相关性。然后，我们深入研究了工程应用和设计方法。结果表明，CPS最经常模仿生物和生态系统，而CS和PS经常模仿人口社区和分子组织器官系统，分别（统计上高度显着）。间接方法最常用于从种群到生态系统的组织水平上的模仿，而直接方法通常适用于从分子到生物体的水平（非常重要）。工程应用的主导主题包括CS的共生生物搜索算法和CPS的生态网络分析，而PS是高度多样化的。在设计方法方面，本文总结并详细介绍了文献中十个有据可查的仿生过程模型，解决了生态系统仿生缺乏系统方法的问题。除了仿生学标准ISO 18458之外，这些方法还包括自然步骤和技术生态协同框架等。此外，分析揭示了未来的机会，从较少使用的设计方法（例如跨学科团队解决间接的生态系统级项目）到成熟的工程概念，为技术进步做好准备（例如为物理应用实施膜计算）。对于未来的研究，这篇评论提供了一个全面的参考生态系统仿生设计实践和跨多个工程领域的应用机会。
Ecosystem biomimicry is a promising pathway for sustainable development. However, while typical form-and process-level biomimicry is prevalent, system-level ecosystem biomimicry remains a nascent practice in numerous engineering fields. This critical review takes an interdisciplinary approach to synthesize trends across case studies, evaluate design methodologies, and identify future opportunities when applying ecosystem biomimicry to engineering practices, including cyber systems (CS), physical systems (PS), and cyber-physical systems (CPS). After systematically sourcing publications from major databases, the papers were first analyzed at a meta level for their bibliographic context and for statistical correlations among categorical variables. Then, we investigated deeper into the engineering applications and design methodologies. Results indicate that CPS most frequently mimic organisms and ecosystems, while CS and PS frequently mimic populations-communities and molecules-tissues-organ systems, respectively (statistically highly significant). An indirect approach is most often used for mimicry at organizational levels from populations to ecosystems, while a direct approach frequently suits levels from molecules to organisms (highly significant). Dominant themes across engineering applications include symbiotic organism search algorithms for CS and ecological network analysis for CPS, while PS are highly diverse. For design methodologies, this work summarizes and details ten well-documented biomimetic process models among literature, which addresses an outdated concern for a lack of systematic methods for ecosystem biomimicry. In addition to the Biomimetics Standard ISO 18458, these methods include the Natural Step and Techno-Ecological Synergy framework, among others. Further, the analyses revealed future opportunities from less utilized design methods (eg interdisciplinary teams tackling indirect, ecosystem-level projects) to well-established engineering concepts ready for technological advancement (eg implementing membrane computing for physical applications). For future studies, this review provides a comprehensive reference for ecosystem biomimetic design practices and application opportunities across multiple engineering domains.
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