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在科学上，达文西是一个钜细靡遗的观察家，能以极精细的描述手法表示一个现象，但却不是透过理论与实验来验证。
达文西在师从韦罗基奥时，开始认识人体解剖学。当时韦罗基奥坚持要所有门徒学习解剖学。
当达文西成为成功的艺术家时，得到於佛罗伦斯圣玛丽亚纽瓦医院解剖人体的许可。之后他在米兰马焦雷医院以及罗马圣灵医院（第一个义大利本土医院）作业。
1510─1511年，则与托尔医生共同工作。30年内，达文西共解剖了30具不同性别年龄的人体。
当与托尔医生共同工作时，达文西准备出版解剖学理作品并制绘了超过200篇画作。然而，他的书直到1680年（辞世161年）才以《绘画论》为名出版。除了人体外，达文西也解剖了牛、禽鸟、猴、熊、蛙以作为解剖结构比较。
达文西画了许多人体骨骼的图形，同时他也第一个具体描绘脊骨双s型态的人。他也研究骨盆和骶骨的倾斜度，以及强调骶骨不仅非单一形态，而且是5个椎骨组成。
达文西也能卓越地表现头骨的形态以及脑部不同的交叉截面图，如横断面、纵切面、正切面。他画了许多图，内容包括肺脏、肠系膜、泌尿道..。
他是第一个画出子*中胎儿（他希望了解「生育奇蹟」）同时也是第一个画出腹腔中阑尾的人。
此外达文西经常描绘颈部和肩膀的肌肉和肌腱。
2005年，达文西的画作激发一位英国心脏外科医师领先发展一个修补受损心脏的新方法。
他可说是局部解剖图宗师，不仅在研究人体解剖方面表现杰出，而且在涉猎其他动物解剖时一样表现出色。
达文西不只关心身体结构，也关心生理功能，这使得他变成解剖学家和生理学家。他积极寻找外观有明显生理缺陷的人作为模特儿以便画成滑稽的画作来突显生理功能的意义。达文西还可以同时一手作画一手写字。
基於人体解剖研究也使得达文西设计出史上第一个机器人。这个被称作达文西机器人的设计可能是在1495年完成，这一草稿直到1950年代才被发现。目前不知这个设计是否要作成实体。
一般均认为达文西对人体构造的了解可以说对他在绘画方面有相当大助益。
由於着迷飞行现象，达文西做了鸟类飞行的详细研究，同时策划了数部飞行机器，包括了以4个人力运作的直昇机（但因机体本身亦会旋转故无法作用）以及轻型滑翔翼。
1496年，他曾测试了一部自制飞行机器但以失败告终。
1502年，达文西曾为伊斯坦堡鄂图曼苏丹巴耶塞特二世的土木工程专案制作单一跨距达240公尺（720英尺）的桥梁草图。
这个设计打算让桥梁跨越博斯普鲁斯海峡口的金角湾（goldenhorn）。但因巴耶塞特二世认为无法建设而未施行。
2001年，奠基於达文西的设计，威卜琼山得达文西专案，让此桥以小桥的形式在挪威付诸实行。
在2006年，土耳其政府决定在实地建设达文西桥跨越金角湾让该桥终究成形。
“1490年，达文西将无段连续自动变速箱概念绘制成草图。今日，达文西的变速概念以现代化形式实际使用在汽车上。
此外，无段连续自动变速箱也已经在拖拉机、雪上摩托车、速克达机车等使用了许多年。”
由於达文西曾任军事工程师，笔记中也包含了数种军事机械的设计：机关枪、人力或以马拉动的武装坦克车、子母弹、军用降落伞、含呼吸软管以猪皮制成的潜水装等等。
不过，后来他却认为战争是人类最糟的活动。其他的发明包括了潜水艇、被诠译为第一个机械计算机的齿轮装置，以及被误解为发条车的第一部可程序化行动机器人。
此外，达文西在梵蒂冈那些年里，曾计画应用太阳能而使用凹面镜来煮水。尽管达文西大多数的发明在他的生平并未实现，但在ibm赞助下，实作了许多模型在昂布瓦斯的克洛斯宅达文西博物馆展示。
达文西终其一生每天都做笔记，并以个人独特的镜像反写字书写。尽管大多数人认为达文西是为了保守秘密，但比较合理的看法则是镜像反写才合乎左撇子书写的天性。
达文西记录了他的素描、发明、建筑设计、力学元素、绘画构想、人体解剖、物品清单甚至向他借钱的人。
这些不同形式大小的手稿原先在他辞世后散布在朋友手中，现在主要收藏在罗浮宫、西班牙国立图书馆、米兰的安波罗修图书馆以及伦敦的维多利亚和阿尔伯特博物馆及大英图书馆。
大英博物馆将达文西的手稿精选上网，放在「turningthepages」的分页中。达文西手中主要的科学纪录─莱斯特抄本则为比尔、盖茨所拥有，目前每年在全世界不同的城市展览。
对那些认为达文西想要将他的观察普及为大众知识的人来说，为何达文西不出版或以不同的方式散布手稿内容，至今仍是一个谜。
科技历史学家路易斯姆福特认为达文西将手稿有如个人游记般保存，那麽想将这些成果用於不当之处的人将无所查阅（比方坦克车）。
直到19世纪，这些手稿都一直处於隐匿状态，但对那时的科技发展而言，已无直接助益。
2005年，研究人员发现所谓的达文西秘密实验室，这个实验室用来作飞行及其他先进科技研究，发现的位置在佛罗伦斯市中心的古罗马圣地西玛安纽立亚他大教堂，隔壁修道院的一间事先封闭的房间。
私下，达文西始终保持秘密。并宣称其厌恶肉体关系，曾说「与生儿育女有关的任何事令人厌恶，人若没有美好面孔以及美感素质将会早亡」。根据后来佛洛依德分析艺术家时的解释，达文西是性冷感者。
..在维多利亚女皇的收藏中，有一件1518年所作的情色画作《印加魅地天使》，后面也有沙莱的名字。
达文西依据沙莱的外观所绘的主要作品《施洗者圣约翰》看起来有趣诙谐且袒胸露肩，评论家如马丁肯普及詹姆士沙士罗批评该画灌输同性恋思想。
虽然沙莱称之为达文西的「学徒」，他也声称达文西「教了他很多绘画方面的东西」，但和其他学徒相比，通常认为他的作品艺术价值很少。
1515年，沙莱曾以安得瑞亚沙莱为名为乔康达夫人画裸体肖像，即画作《蒙娜瓦娜》。达文西也为乔康达夫人绘了一幅肖像画《蒙娜丽莎》，《蒙娜瓦娜》与之比较相形失色。
达文西去世后，他的画作便归学徒们和助手沙莱所有。其中达文西遗赠了沙莱《蒙娜丽莎》，在他的遗嘱里《蒙娜丽莎》被估为505义大利里拉，这对於此幅面积不大的肖像画来说是非常之高的估值。
达文西在佛罗伦斯的日子还有许多在不同领域着名或者影响历史的朋友..。
从达文西的作品和早期传记可以知道他是一位刚正不阿的人；也因尊重生命让他成为一位素食者。
尤其当他把向乳牛挤奶视为偷窃时，「全素」这个词刚好适用於他。乔尔乔瓦萨里记录了达文西的一件逸事：当达文西还是青年时，经常在佛罗伦斯购买笼中鸟，然后将其释放。
他也是一位备受尊崇的审美监赏家，特别是露天舞台创作。达文西应该是在青年时接受素食主义并终此一生。
2006年，人类学家宣布已重建达文西左手食指指纹。达文西的母亲是从君士坦丁堡来的奴隶，证据是监定出60中东裔人口都有相同的指纹螺旋特徵。
人类学家预期可以证实达文西日常生活作息的细节。但加利福尼亚大学欧文分校的犯罪学副教授对此反驳说：「你不能凭这些统计去预测一个种族，尤其是只看一根手指时。」
达文西遵行一种不寻常的多相睡眠管理，以额外频繁的打盹减少睡眠时间。
义大利佛罗伦斯乌菲兹美术馆外的达文西雕像「...在那些典范中，於佛罗伦斯任官职的有为百姓前，唯有他不断的展现该如何抬昇乔凡尼洗礼池，而能涉足其中不损坏之，并且在激烈的争论中说服其他人这是可能的，虽然之后他又让每个已恍然大悟的人知道其实再怎麽努力也不可能实现。」─乔尔乔瓦萨里，《达文西的一生》rs
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