仿生學

仿生學

仿生學(仿生學)

仿生學是指人類模仿生物功能，來發(fā)明創(chuàng)造的科學。它是20世紀60年代出現的一門新型邊緣學科。研究對象是生物體的結構、功能和工作原理，并將這些原理移植于人造工程技術之中，用以發(fā)明、創(chuàng)造新技術。該學科的問世，為人類開辟了獨特的制造技術發(fā)展道路——向生物界索取靈感的道路，大大開闊了人類的技術眼界，顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿�，是人類智慧的結晶。

仿生學是一門模仿生物的特殊本領，利用生物的結構和功能原理來研制機械或各種新技術的科學技術。 仿生學一詞是1960年由美國斯蒂爾根據拉丁文“bios（生命方式的意思）”和字尾“nlc（‘具有……的性質’的意思）”構成的。這個詞語大約從1961年才開始使用。某些生物具有的功能迄今比任何人工制造的機械都優(yōu)越得多，仿生學就是要在工程上實現并有效地應用生物功能的一門學科。例如關于信息接受（感覺功能）、信息傳遞（神經功能）、自動控制系統(tǒng)等，這種生物體的結構與功能在機械設計方面給了很大啟發(fā)。可舉出的仿生學例子，如將海豚的體形或皮膚結構（游泳時能使身體表面不產生紊流）應用到潛艇設計原理上。 又比如，蒼蠅是細菌的傳播者，一般歸類為害蟲，可是蒼蠅的楫翅是天然導航儀。而且，它的眼睛是一種“復眼”，由3000多只小眼組成，人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”�！跋壯弁哥R”是一種新型光學元件，它的用途很多�！跋壯弁哥R”是用幾百或者幾千塊小透鏡整齊排列組合而成的，用它作鏡頭可以制成“蠅眼照相機”，一次就能照出千百張相同的相片。這種照相機已經用于印刷制版和大量復制電子計算機的微小電路，大大提高了工效和質量。 仿生學也被認為是與控制論有密切關系的一門學科，而控制論主要是將生命現象和機械原理加以比較，進行研究和解釋的一門學科。

自古以來，自然界就是人類各種技術思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。種類繁多的生物界經過長期的進化過程，使它們能適應環(huán)境的變化，從而得到生存和發(fā)展。勞動創(chuàng)造了人類。人類以自己直立的身軀、能勞動的雙手、交流情感和思想的語言，在長期的生產實踐中，促進了神經系統(tǒng)尤其是大腦獲得了高度發(fā)展。因此，人類無與倫比的能力和智慧遠遠超過生物界的所有類群。人類通過勞動運用聰明的才智和靈巧的雙手制造工具，從而在自然界里獲得更大自由。人類的智慧不僅僅停留在觀察和認識生物界上，而且還運用人類所獨有的思維和設計能力模仿生物，通過創(chuàng)造性的勞動增加自己的本領。魚兒在水中有自由來去的本領，人們就模仿魚類的形體造船，以木槳仿鰭。相傳早在大禹時期，我國古代勞動人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動、轉彎，他們就在船尾上架置木槳。通過反復的觀察、模仿和實踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動力，掌握了使船轉彎的手段。這樣，即使在波濤滾滾的江河中，人們也能讓船只航行自如。鳥兒展翅可在空中自由飛翔。據《韓非子》記載魯班用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”。然而人們更希望仿制鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中。設計和制造了一架撲翼機，這是世界上第一架人造飛行器。 以上這些模仿生物構造和功能的發(fā)明與嘗試，可以認為是人類仿生學的先驅，也是仿生學的萌芽。 隨著生產的需要和科學技術的發(fā)展，從20世紀50年代以來，人們已經認識到生物系統(tǒng)是開辟新技術的主要途徑之一，自覺地把生物界作為各種技術思想、設計原理和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。人們用化學、物理學、數學以及技術模型對生物系統(tǒng)開展著深入的研究，促進了生物學的極大發(fā)展，對生物體內功能機理的研究也取得了迅速的進展。此時模擬生物不再是引人入勝的幻想，而成了可以做到的事實。生物學家和工程師們積極合作，開始將從生物界獲得的知識用來改善舊的或創(chuàng)造新的工程技術設備。生物學開始跨入各行各業(yè)技術革新和技術革命的行列，而且首先在自動控制、航空、航海等軍事部門取得了成功。于是生物學和工程技術學科結合在一起，互相滲透孕育出一門新生的科學——仿生學。 作為一門獨立的學科，仿生學正式誕生于1960年9月。由美國空軍航空局在俄亥俄州的空軍基地戴通召開了第一次仿生學會議。會議討論的中心議題是“分析生物系統(tǒng)所得到的概念能夠用到人工制造的信息加工系統(tǒng)的設計上去嗎？”斯蒂爾為新興的科學命名為“Bionics”，希臘文的意思代表著研究生命系統(tǒng)功能的科學，1963年我國將“Bionics”譯為“仿生學”。斯蒂爾把仿生學定義為“模仿生物原理來建造技術系統(tǒng)，或者使人造技術系統(tǒng)具有或類似于生物特征的科學”。簡言之，仿生學就是模仿生物的科學。確切地說，仿生學是研究生物系統(tǒng)的結構、特質、功能、能量轉換、信息控制等各種優(yōu)異的特征，并把它們應用到技術系統(tǒng)，改善已有的技術工程設備，并創(chuàng)造出新的工藝過程、建筑構型、自動化裝置等技術系統(tǒng)的綜合性科學。從生物學的角度來說，仿生學屬于“應用生物學”的一個分支；從工程技術方面來看，仿生學根據對生物系統(tǒng)的研究，為設計和建造新的技術設備提供了新原理、新方法和新途徑。仿生學的光榮使命就是為人類提供最可靠、最靈活、最高效、最經濟的接近于生物系統(tǒng)的技術系統(tǒng)，為人類造福。

人類仿生的行為雖然早有雛型，但是在20世紀40年代以前，人們并沒有自覺地把生物作為設計思想和創(chuàng)造發(fā)明的'源泉。科學家對于生物學的研究也只停留在描述生物體精巧的結構和完美的功能上。而工程技術人員更多的依賴于他們卓越的智慧，辛辛苦苦的努力，進行著人工發(fā)明。他們很少有意識的向生物界學習。但是，以下幾個事實可以說明：人們在技術上遇到的某些難題，生物界早在千百萬年前就曾出現，而且在進化過程中就已解決了，然而人類卻沒有從生物界得到應有的啟示。 在第一次世界大戰(zhàn)時期，出于軍事上的需要，為使艦艇在水下隱蔽航行而制造出潛水艇。當工程技術人員在設計原始的潛艇時，是先用石塊或鉛塊裝在潛艇上使它下沉，如果需要升至水面，就將攜帶的石塊或鉛塊扔掉，使艇身回到水面來。以后經過改進，在潛艇上采用浮箱交替充水和排水的方法來改變潛艇的重量。以后又改成壓載水艙，在水艙的上部設放氣閥，下面設注水閥，當水艙灌滿海水時，艇身重量增加使它潛入水中。需要緊急下潛時，還有速潛水艙，待艇身潛入水中后，再把速潛水艙內的海水排出。如果一部分壓載水艙充水，另一部分空著，潛水艇可處于半潛狀態(tài)。潛艇要起浮時，將壓縮空氣通入水艙排出海水，艇內海水重量減輕后潛艇就可以上浮。如此優(yōu)越的機械裝置實現了潛艇的自由沉浮。但是后來發(fā)現魚類的沉浮系統(tǒng)比人們的發(fā)明要簡單得多，魚的沉浮系統(tǒng)僅僅是充氣的魚鰾。鰾內不受肌肉的控制，而是依靠分泌氧氣進入鰾內或是重新吸收鰾內一部分氧氣來調節(jié)魚鰾中氣體含量，促使魚體自由沉浮。然而魚類如此巧妙的沉浮系統(tǒng)，對于潛艇設計師的啟發(fā)和幫助已經為時過遲了。 聲音是人們生活中不可缺少的要素。通過語言，人們交流思想和感情，優(yōu)美的音樂使人們獲得藝術的享受，工程技術人員還把聲學系統(tǒng)應用在工業(yè)生產和軍事技術中，成為頗為重要的信息之一。自從潛水艇問世以來，隨之而來的就是水面的艦船如何發(fā)現潛艇的位置以防偷襲；而潛艇沉入水中后，也須準確測定敵船方位和距離以利攻擊。因此，在第一次世界大戰(zhàn)期間，在海洋上，水面與水中敵對雙方的斗爭采用了各種手段。海軍工程師們也利用聲學系統(tǒng)作為一個重要的偵察手段。首先采用的是水聽器，也稱噪聲測向儀，通過聽測敵艦航行中所發(fā)出的噪聲來發(fā)現敵艦。只要周圍水域中有敵艦在航行，機器與螺旋槳推進器便發(fā)出噪聲，通過水聽器就能聽到，能及時發(fā)現敵人。但那時的水聽器很不完善，一般只能收到本身艦只的噪聲，要偵聽敵艦，必須減慢艦只航行速度甚至完全停車才能分辨潛艇的噪音，這樣很不利于戰(zhàn)斗行動。不久，法國科學家郎之萬（1872～1946）研究成功利用超聲波反射的性質來探測水下艦艇。用一個超聲波發(fā)生器，向水中發(fā)出超聲波后，如果遇到目標便反射回來，由接收器收到。根據接收回波的時間間隔和方位，便可測出目標的方位和距離，這就是所謂的聲納系統(tǒng)。人造聲納系統(tǒng)的發(fā)明及在偵察敵方潛水艇方面獲得的突出成果，曾使人們?yōu)橹�驚嘆不已。豈不知遠在地球上出現人類之前，蝙蝠、海豚早已對“回聲定位”聲納系統(tǒng)應用自如了。 生物在漫長的年代里就是生活在被聲音包圍的自然界中，它們利用聲音尋食，逃避敵害和求偶繁殖。因此，聲音是生物賴以生存的一種重要信息。意大利科學家斯帕拉捷很早以前就發(fā)現蝙蝠能在完全黑暗中任意飛行，既能躲避障礙物也能捕食在飛行中的昆蟲，但是塞住蝙蝠的雙耳、封住它的嘴后，它們在黑暗中就寸步難行了。面對這些事實，斯帕拉捷提出了一個使人們難以接受的結論：蝙蝠能用耳朵與嘴“看東西”。它們能夠用嘴發(fā)出超聲波后，在超聲波接觸到障礙物反射回來時，用雙耳接收到。第一次世界大戰(zhàn)結束后，1920年，哈臺認為蝙蝠發(fā)出聲音信號的頻率超出人耳的聽覺范圍。并提出蝙蝠對目標的定位方法與第一次世界大戰(zhàn)時郎之萬發(fā)明的用超聲波回波定位的方法相同。遺憾的是，哈臺的提示并未引起人們的重視，而工程師們對于蝙蝠具有“回聲定位”的技術是難以相信的。直到1983年采用了電子測量器，才完完全全證實蝙蝠就是以發(fā)出超聲波來定位的。但是這對于早期雷達和聲納的發(fā)明已經不能有所幫助了。 另一個事例是人們對于昆蟲行為為時過晚的研究。在利奧那多·達·芬奇研究鳥類飛行造出第一個飛行器400年之后，人們經過長期反復的實踐，終于在1903年發(fā)明了飛機，使人類實現了飛上天空的夢想。由于不斷改進，30年后人們的飛機不論在速度、高度和飛行距離上都超過了鳥類，顯示了人類的智慧和才能。但是在繼續(xù)研制飛行更快更高的飛機時，設計師又碰到了一個難題，就是氣體動力學中的顫振現象。當飛機飛行時，機翼發(fā)生有害的振動，飛行越快，機翼的顫振越強烈，甚至使機翼折斷，造成飛機墜落，許多試飛的飛行員因而喪生。飛機設計師們?yōu)榇嘶ㄙM了巨大的精力研究消除有害的顫振現象，經過長時間的努力才找到解決這一難題的方法。就在機翼前緣的遠端上安放一個加重裝置，這樣就把有害的振動消除了�？墒�，昆蟲早在三億年以前就飛翔在空中了，它們也毫不例外地受到顫振的危害，經過長期的進化，昆蟲早已成功地獲得防止顫振的方法。生物學家在研究蜻蜓翅膀時，發(fā)現在每個翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質加厚區(qū)——翼眼或稱翅痣。如果把翼眼去掉，飛行就變得蕩來蕩去。實驗證明正是翼眼的角質組織使蜻蜓飛行的翅膀消除了顫振的危害，這與設計師高超的發(fā)明何等相似。假如設計師們先向昆蟲學習翼眼的功用，獲得有益于解決顫振的設計思想，就可似避免長期的探索和人員的犧牲了。面對蜻蜓翅膀的翼眼，飛機設計師大有相見恨晚之感！ 以上這四個事例發(fā)人深省，也使人們受到了很大啟發(fā)。早在地球上出現人類之前，各種生物已在大自然中生活了億萬年，在它們?yōu)樯�存而斗爭的長期進化中，獲得了與大自然相適應的能力。生物學的研究可以說明，生物在進化過程中形成的極其精確和完善的機制，使它們具備了適應內外環(huán)境變化的能力。生物界具有許多卓有成效的本領。如體內的生物合成、能量轉換、信息的接受和傳遞、對外界的識別、導航、定向計算和綜合等，顯示出許多機器所不可比擬的優(yōu)越之處。生物的小巧、靈敏、快速、高效、可靠和抗干擾性實在令人驚嘆不已。

方法

仿生學是生物學、數學和工程技術學互相滲透而結合成的一門新興的邊緣科學。第一屆仿生學會議為仿生學確定了一個有趣而形象的標志：一個巨大的積分符號，把解剖刀和電烙鐵“積分”在一起。這個符號的含義不僅顯示出仿生學的組成，而且也概括表達了仿生學的研究途徑。 仿生學的任務就是要研究生物系統(tǒng)的優(yōu)異能力及產生的原理，并把它模式化，然后應用這些原理去設計和制造新的技術設備。 仿生學的主要研究方法就是提出模型，進行模擬。其研究程序大致有以下三個階段： 首先是對生物原型的研究。根據生產實際提出的具體課題，將研究所得的生物資料予以簡化，吸收對技術要求有益的內容，取消與生產技術要求無關的因素，得到一個生物模型；第二階段是將生物模型提供的資料進行數學分析，并使其內在的聯系抽象化，用數學的語言把生物模型“翻譯”成具有一定意義的數學模型；最后數學模型制造出可在工程技術上進行實驗的實物模型。當然在生物的模擬過程中，不僅僅是簡單的仿生，更重要的是在仿生中有創(chuàng)新。經過實踐——認識——再實踐的多次重復，才能使模擬出來的東西越來越符合生產的需要。這樣模擬的結果，使最終建成的機器設備將與生物原型不同，在某些方面甚上超過生物原型的能力。例如今天的飛機在許多方面都超過了鳥類的飛行能力，電子計算機在復雜的計算中要比人的計算能力迅速而可靠。 仿生學的基本研究方法使它在生物學的研究中表現出一個突出的特點，就是整體性。從仿生學的整體來看，它把生物看成是一個能與內外環(huán)境進行聯系和控制的復雜系統(tǒng)。它的任務就是研究復雜系統(tǒng)內各部分之間的相互關系以及整個系統(tǒng)的行為和狀態(tài)。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我復制，它們與外界的聯系是密不可分的。生物從環(huán)境中獲得物質和能量，才能進行生長和繁殖；生物從環(huán)境中接受信息，不斷地調整和綜合，才能適應和進化。長期的進化過程使生物獲得結構和功能的統(tǒng)一，局部與整體的協調與統(tǒng)一。仿生學要研究生物體與外界刺激（輸入信息）之間的定量關系，即著重于數量關系的統(tǒng)一性，才能進行模擬。為達到此目的，采用任何局部的方法都不能獲得滿意的效果。因此，仿生學的研究方法必須著重于整體。 仿生學的研究內容是極其豐富多彩的，因為生物界本身就包含著成千上萬的種類，它們具有各種優(yōu)異的結構和功能供各行業(yè)來研究。自從仿生學問世以來的二十幾年內，仿生學的研究得到迅速的發(fā)展，且取得了很大的成果。就其研究范圍可包括電子仿生、機械仿生、建筑仿生、化學仿生等。隨著現代工程技術的發(fā)展，學科分支繁多，在仿生學中相應地開展對口的技術仿生研究。例如：航海部門對水生動物運動的流體力學的研究；航空部門對鳥類、昆蟲飛行的模擬、動物的定位與導航；工程建筑對生物力學的模擬；無線電技術部門對于人神經細胞、感覺器宮和神經網絡的模擬；計算機技術對于腦的模擬以及人工智能的研究等。在第一屆仿生學會議上發(fā)表的比較典型的課題有：“人造神經元有什么特點”、“設計生物計算機中的問題”、“用機器識別圖像”、“學習的機器”等。從中可以看出以電子仿生的研究比較廣泛。仿生學的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究，即動物的感覺器官、神經元、神經系統(tǒng)的整體作用。以后在機械仿生和化學仿生方面的研究也隨之開展起來，近些年又出現新的分支，如人體的仿生學、分子仿生學和宇宙仿生學等。 總之，仿生學的研究內容，從模擬微觀世界的分子仿生學到宏觀的宇宙仿生學包括了更為廣泛的內容。而當今的科學技術正是處于一個各種自然科學高度綜合和互相交叉、滲透的新時代，仿生學通過模擬的方法把對生命的研究和實踐結合起來，同時對生物學的發(fā)展也起了極大的促進作用。在其它學科的滲透和影響下，使生物科學的研究在方法上發(fā)生了根本的轉變；在內容上也從描述和分析的水平向著精確和定量的方向深化。生物科學的發(fā)展又是以仿生學為渠道向各種自然科學和技術科學輸送寶貴的資料和豐富的營養(yǎng)，加速科學的發(fā)展。因此，仿生學的科研顯示出無窮的生命力，它的發(fā)展和成就將為促進世界整體科學技術的發(fā)展做出巨大的貢獻。

范圍

仿生學的研究范圍主要包括：力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。 ◇力學仿生，是研究并模仿生物體大體結構與精細結構的靜力學性質，以及生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環(huán)境中運動的動力學性質。例如，建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結構，把人工海豚皮包敷在船艦外殼上，可減少航行揣流，提高航速； ◇分子仿生，是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害蟲舞毒蛾性引誘激素的化學結構后，合成了一種類似有機化合物，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺雄蟲； ◇能量仿生，是研究與模仿生物電器官生物發(fā)光、肌肉直接把化學能轉換成機械能等生物體中的能量轉換過程；◇信息與控制仿生，是研究與模擬感覺器官、神經元與神經網絡、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。例如,根據象鼻蟲視動反應制成的“自相關測速儀”可測定飛機著陸速度。根據鱟復眼視網膜側抑制網絡的工作原理，研制成功可增強圖像輪廓、提高反差、從而有助于模糊目標檢測的—些裝置。已建立的神經元模型達100種以上，并在此基礎上構造出新型計算機。 模仿人類學習過程，制造出一種稱為“感知機”的機器，它可以通過訓練，改變元件之間聯系的權重來進行學習，從而能實現模式識別。此外，它還研究與模擬體內穩(wěn)態(tài)，運動控制、動物的定向與導航等生物系統(tǒng)中的控制機制，以及人-機系統(tǒng)的仿生學方面。 某些文獻中，把分子仿生與能量仿生的部分內容稱為化學仿生，而把信息和控制仿生的部分內容稱為神經仿生。 仿生學的范圍很廣，信息與控制仿生是一個主要領域。一方面由于自動化向智能控制發(fā)展的需要，另一方面是由于生物科學已發(fā)展到這樣一個階段，使研究大腦已成為對神經科學最大的挑戰(zhàn)。人工智能和智能機器人研究的仿生學方面——生物模式識別的研究，大腦學習記憶和思維過程的研究與模擬，生物體中控制的可靠性和協調問題等——是仿生學研究的主攻方面。 控制與信息仿生和生物控制論關系密切。兩者都研究生物系統(tǒng)中的控制和信息過程，都運用生物系統(tǒng)的模型。但前者的目的主要是構造實用人造硬件系統(tǒng)；而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術科學的理論出發(fā)，為生物行為尋求解釋。 最廣泛地運用類比、模擬和模型方法是仿生學研究方法的突出特點。其目的不在于直接復制每一個細節(jié)，而是要理解生物系統(tǒng)的工作原理，以實現特定功能為中心目的�！�般認為，在仿生學研究中存在下列三個相關的方面：生物原型、數學模型和硬件模型。前者是基礎，后者是目的，而數學模型則是兩者之間必不可少的橋梁。 由于生物系統(tǒng)的復雜性，搞清某種生物系統(tǒng)的機制需要相當長的研究周期，而且解決實際問題需要多學科長時間的密切協作，這是限制仿生學發(fā)展速度的主要原因。

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