仿生學(xué)

仿生學(xué)

仿生學(xué)(仿生學(xué))

仿生學(xué)是指人類模仿生物功能，來發(fā)明創(chuàng)造的科學(xué)。它是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一門新型邊緣學(xué)科。研究對(duì)象是生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，并將這些原理移植于人造工程技術(shù)之中，用以發(fā)明、創(chuàng)造新技術(shù)。該學(xué)科的問世，為人類開辟了獨(dú)特的制造技術(shù)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(shù)眼界，顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿�，是人類智慧的結(jié)晶。

仿生學(xué)是一門模仿生物的特殊本領(lǐng)，利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來研制機(jī)械或各種新技術(shù)的科學(xué)技術(shù)。 仿生學(xué)一詞是1960年由美國(guó)斯蒂爾根據(jù)拉丁文“bios（生命方式的意思）”和字尾“nlc（‘具有……的性質(zhì)’的意思）”構(gòu)成的。這個(gè)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(jī)械都優(yōu)越得多，仿生學(xué)就是要在工程上實(shí)現(xiàn)并有效地應(yīng)用生物功能的一門學(xué)科。例如關(guān)于信息接受（感覺功能）、信息傳遞（神經(jīng)功能）、自動(dòng)控制系統(tǒng)等，這種生物體的結(jié)構(gòu)與功能在機(jī)械設(shè)計(jì)方面給了很大啟發(fā)�？膳e出的仿生學(xué)例子，如將海豚的體形或皮膚結(jié)構(gòu)（游泳時(shí)能使身體表面不產(chǎn)生紊流）應(yīng)用到潛艇設(shè)計(jì)原理上。 又比如，蒼蠅是細(xì)菌的傳播者，一般歸類為害蟲，可是蒼蠅的楫翅是天然導(dǎo)航儀。而且，它的眼睛是一種“復(fù)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(xué)元件，它的用途很多。“蠅眼透鏡”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(jī)”，一次就能照出千百張相同的相片。這種照相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版和大量復(fù)制電子計(jì)算機(jī)的微小電路，大大提高了工效和質(zhì)量。 仿生學(xué)也被認(rèn)為是與控制論有密切關(guān)系的一門學(xué)科，而控制論主要是將生命現(xiàn)象和機(jī)械原理加以比較，進(jìn)行研究和解釋的一門學(xué)科。

自古以來，自然界就是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。種類繁多的生物界經(jīng)過長(zhǎng)期的進(jìn)化過程，使它們能適應(yīng)環(huán)境的變化，從而得到生存和發(fā)展。勞動(dòng)創(chuàng)造了人類。人類以自己直立的身軀、能勞動(dòng)的雙手、交流情感和思想的語言，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，促進(jìn)了神經(jīng)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過生物界的所有類群。人類通過勞動(dòng)運(yùn)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(rèn)識(shí)生物界上，而且還運(yùn)用人類所獨(dú)有的思維和設(shè)計(jì)能力模仿生物，通過創(chuàng)造性的勞動(dòng)增加自己的本領(lǐng)。魚兒在水中有自由來去的本領(lǐng)，人們就模仿魚類的形體造船，以木槳仿鰭。相傳早在大禹時(shí)期，我國(guó)古代勞動(dòng)人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎，他們就在船尾上架置木槳。通過反復(fù)的觀察、模仿和實(shí)踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動(dòng)力，掌握了使船轉(zhuǎn)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(jù)《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(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī)，這是世界上第一架人造飛行器。 以上這些模仿生物構(gòu)造和功能的發(fā)明與嘗試，可以認(rèn)為是人類仿生學(xué)的先驅(qū)，也是仿生學(xué)的萌芽。 隨著生產(chǎn)的需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)50年代以來，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到生物系統(tǒng)是開辟新技術(shù)的主要途徑之一，自覺地把生物界作為各種技術(shù)思想、設(shè)計(jì)原理和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。人們用化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)以及技術(shù)模型對(duì)生物系統(tǒng)開展著深入的研究，促進(jìn)了生物學(xué)的極大發(fā)展，對(duì)生物體內(nèi)功能機(jī)理的研究也取得了迅速的進(jìn)展。此時(shí)模擬生物不再是引人入勝的幻想，而成了可以做到的事實(shí)。生物學(xué)家和工程師們積極合作，開始將從生物界獲得的知識(shí)用來改善舊的或創(chuàng)造新的工程技術(shù)設(shè)備。生物學(xué)開始跨入各行各業(yè)技術(shù)革新和技術(shù)革命的行列，而且首先在自動(dòng)控制、航空、航海等軍事部門取得了成功。于是生物學(xué)和工程技術(shù)學(xué)科結(jié)合在一起，互相滲透孕育出一門新生的科學(xué)——仿生學(xué)。 作為一門獨(dú)立的學(xué)科，仿生學(xué)正式誕生于1960年9月。由美國(guó)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(xué)會(huì)議。會(huì)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(shè)計(jì)上去嗎？”斯蒂爾為新興的科學(xué)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(xué)，1963年我國(guó)將“Bionics”譯為“仿生學(xué)”。斯蒂爾把仿生學(xué)定義為“模仿生物原理來建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或類似于生物特征的科學(xué)”。簡(jiǎn)言之，仿生學(xué)就是模仿生物的科學(xué)。確切地說，仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特質(zhì)、功能、能量轉(zhuǎn)換、信息控制等各種優(yōu)異的特征，并把它們應(yīng)用到技術(shù)系統(tǒng)，改善已有的技術(shù)工程設(shè)備，并創(chuàng)造出新的工藝過程、建筑構(gòu)型、自動(dòng)化裝置等技術(shù)系統(tǒng)的綜合性科學(xué)。從生物學(xué)的角度來說，仿生學(xué)屬于“應(yīng)用生物學(xué)”的一個(gè)分支；從工程技術(shù)方面來看，仿生學(xué)根據(jù)對(duì)生物系統(tǒng)的研究，為設(shè)計(jì)和建造新的技術(shù)設(shè)備提供了新原理、新方法和新途徑。仿生學(xué)的光榮使命就是為人類提供最可靠、最靈活、最高效、最經(jīng)濟(jì)的接近于生物系統(tǒng)的技術(shù)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(jì)40年代以前，人們并沒有自覺地把生物作為設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)造發(fā)明的'源泉�？茖W(xué)家對(duì)于生物學(xué)的研究也只停留在描述生物體精巧的結(jié)構(gòu)和完美的功能上。而工程技術(shù)人員更多的依賴于他們卓越的智慧，辛辛苦苦的努力，進(jìn)行著人工發(fā)明。他們很少有意識(shí)的向生物界學(xué)習(xí)。但是，以下幾個(gè)事實(shí)可以說明：人們?cè)诩夹g(shù)上遇到的某些難題，生物界早在千百萬年前就曾出現(xiàn)，而且在進(jìn)化過程中就已解決了，然而人類卻沒有從生物界得到應(yīng)有的啟示。 在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)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(dāng)工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)原始的潛艇時(shí)，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(jīng)過改進(jìn)，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(shè)放氣閥，下面設(shè)注水閥，當(dāng)水艙灌滿海水時(shí)，艇身重量增加使它潛入水中。需要緊急下潛時(shí)，還有速潛水艙，待艇身潛入水中后，再把速潛水艙內(nèi)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(shí)，將壓縮空氣通入水艙排出海水，艇內(nèi)海水重量減輕后潛艇就可以上浮。如此優(yōu)越的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)了潛艇的自由沉浮。但是后來發(fā)現(xiàn)魚類的沉浮系統(tǒng)比人們的發(fā)明要簡(jiǎn)單得多，魚的沉浮系統(tǒng)僅僅是充氣的魚鰾。鰾內(nèi)不受肌肉的控制，而是依靠分泌氧氣進(jìn)入鰾內(nèi)或是重新吸收鰾內(nèi)一部分氧氣來調(diào)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(duì)于潛艇設(shè)計(jì)師的啟發(fā)和幫助已經(jīng)為時(shí)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(shù)的享受，工程技術(shù)人員還把聲學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和軍事技術(shù)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(xiàn)潛艇的位置以防偷襲；而潛艇沉入水中后，也須準(zhǔn)確測(cè)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(duì)雙方的斗爭(zhēng)采用了各種手段。海軍工程師們也利用聲學(xué)系統(tǒng)作為一個(gè)重要的偵察手段。首先采用的是水聽器，也稱噪聲測(cè)向儀，通過聽測(cè)敵艦航行中所發(fā)出的噪聲來發(fā)現(xiàn)敵艦。只要周圍水域中有敵艦在航行，機(jī)器與螺旋槳推進(jìn)器便發(fā)出噪聲，通過水聽器就能聽到，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)敵人。但那時(shí)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(dòng)。不久，法國(guó)科學(xué)家郎之萬（1872～1946）研究成功利用超聲波反射的性質(zhì)來探測(cè)水下艦艇。用一個(gè)超聲波發(fā)生器，向水中發(fā)出超聲波后，如果遇到目標(biāo)便反射回來，由接收器收到。根據(jù)接收回波的時(shí)間間隔和方位，便可測(cè)出目標(biāo)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(yuǎn)在地球上出現(xiàn)人類之前，蝙蝠、海豚早已對(duì)“回聲定位”聲納系統(tǒng)應(yīng)用自如了。 生物在漫長(zhǎng)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(xué)家斯帕拉捷很早以前就發(fā)現(xiàn)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?cè)诤诎抵芯痛绮诫y行了。面對(duì)這些事實(shí)，斯帕拉捷提出了一個(gè)使人們難以接受的結(jié)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(shí)，用雙耳接收到。第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，1920年，哈臺(tái)認(rèn)為蝙蝠發(fā)出聲音信號(hào)的頻率超出人耳的聽覺范圍。并提出蝙蝠對(duì)目標(biāo)的定位方法與第一次世界大戰(zhàn)時(shí)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(tái)的提示并未引起人們的重視，而工程師們對(duì)于蝙蝠具有“回聲定位”的技術(shù)是難以相信的。直到1983年采用了電子測(cè)量器，才完完全全證實(shí)蝙蝠就是以發(fā)出超聲波來定位的。但是這對(duì)于早期雷達(dá)和聲納的發(fā)明已經(jīng)不能有所幫助了。 另一個(gè)事例是人們對(duì)于昆蟲行為為時(shí)過晚的研究。在利奧那多·達(dá)·芬奇研究鳥類飛行造出第一個(gè)飛行器400年之后，人們經(jīng)過長(zhǎng)期反復(fù)的實(shí)踐，終于在1903年發(fā)明了飛機(jī)，使人類實(shí)現(xiàn)了飛上天空的夢(mèng)想。由于不斷改進(jìn)，30年后人們的飛機(jī)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(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)師又碰到了一個(gè)難題，就是氣體動(dòng)力學(xué)中的顫振現(xiàn)象。當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，機(jī)翼發(fā)生有害的振動(dòng)，飛行越快，機(jī)翼的顫振越強(qiáng)烈，甚至使機(jī)翼折斷，造成飛機(jī)墜落，許多試飛的飛行員因而喪生。飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?yōu)榇嘶ㄙM(fèi)了巨大的精力研究消除有害的顫振現(xiàn)象，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的努力才找到解決這一難題的方法。就在機(jī)翼前緣的遠(yuǎn)端上安放一個(gè)加重裝置，這樣就把有害的振動(dòng)消除了�？墒牵�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(jīng)過長(zhǎng)期的進(jìn)化，昆蟲早已成功地獲得防止顫振的方法。生物學(xué)家在研究蜻蜓翅膀時(shí)，發(fā)現(xiàn)在每個(gè)翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質(zhì)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(shí)驗(yàn)證明正是翼眼的角質(zhì)組織使蜻蜓飛行的翅膀消除了顫振的危害，這與設(shè)計(jì)師高超的發(fā)明何等相似。假如設(shè)計(jì)師們先向昆蟲學(xué)習(xí)翼眼的功用，獲得有益于解決顫振的設(shè)計(jì)思想，就可似避免長(zhǎng)期的探索和人員的犧牲了。面對(duì)蜻蜓翅膀的翼眼，飛機(jī)設(shè)計(jì)師大有相見恨晚之感！ 以上這四個(gè)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(xiàn)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�?zhēng)的長(zhǎng)期進(jìn)化中，獲得了與大自然相適應(yīng)的能力。生物學(xué)的研究可以說明，生物在進(jìn)化過程中形成的極其精確和完善的機(jī)制，使它們具備了適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力。生物界具有許多卓有成效的本領(lǐng)。如體內(nèi)的生物合成、能量轉(zhuǎn)換、信息的接受和傳遞、對(duì)外界的識(shí)別、導(dǎo)航、定向計(jì)算和綜合等，顯示出許多機(jī)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(shí)在令人驚嘆不已。

方法

仿生學(xué)是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)學(xué)互相滲透而結(jié)合成的一門新興的邊緣科學(xué)。第一屆仿生學(xué)會(huì)議為仿生學(xué)確定了一個(gè)有趣而形象的標(biāo)志：一個(gè)巨大的積分符號(hào)，把解剖刀和電烙鐵“積分”在一起。這個(gè)符號(hào)的含義不僅顯示出仿生學(xué)的組成，而且也概括表達(dá)了仿生學(xué)的研究途徑。 仿生學(xué)的任務(wù)就是要研究生物系統(tǒng)的優(yōu)異能力及產(chǎn)生的原理，并把它模式化，然后應(yīng)用這些原理去設(shè)計(jì)和制造新的技術(shù)設(shè)備。 仿生學(xué)的主要研究方法就是提出模型，進(jìn)行模擬。其研究程序大致有以下三個(gè)階段： 首先是對(duì)生物原型的研究。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際提出的具體課題，將研究所得的生物資料予以簡(jiǎn)化，吸收對(duì)技術(shù)要求有益的內(nèi)容，取消與生產(chǎn)技術(shù)要求無關(guān)的因素，得到一個(gè)生物模型；第二階段是將生物模型提供的資料進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并使其內(nèi)在的聯(lián)系抽象化，用數(shù)學(xué)的語言把生物模型“翻譯”成具有一定意義的數(shù)學(xué)模型；最后數(shù)學(xué)模型制造出可在工程技術(shù)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)物模型。當(dāng)然在生物的模擬過程中，不僅僅是簡(jiǎn)單的仿生，更重要的是在仿生中有創(chuàng)新。經(jīng)過實(shí)踐——認(rèn)識(shí)——再實(shí)踐的多次重復(fù)，才能使模擬出來的東西越來越符合生產(chǎn)的需要。這樣模擬的結(jié)果，使最終建成的機(jī)器設(shè)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(jī)在許多方面都超過了鳥類的飛行能力，電子計(jì)算機(jī)在復(fù)雜的計(jì)算中要比人的計(jì)算能力迅速而可靠。 仿生學(xué)的基本研究方法使它在生物學(xué)的研究中表現(xiàn)出一個(gè)突出的特點(diǎn)，就是整體性。從仿生學(xué)的整體來看，它把生物看成是一個(gè)能與內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行聯(lián)系和控制的復(fù)雜系統(tǒng)。它的任務(wù)就是研究復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的相互關(guān)系以及整個(gè)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(fù)制，它們與外界的聯(lián)系是密不可分的。生物從環(huán)境中獲得物質(zhì)和能量，才能進(jìn)行生長(zhǎng)和繁殖；生物從環(huán)境中接受信息，不斷地調(diào)整和綜合，才能適應(yīng)和進(jìn)化。長(zhǎng)期的進(jìn)化過程使生物獲得結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一，局部與整體的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。仿生學(xué)要研究生物體與外界刺激（輸入信息）之間的定量關(guān)系，即著重于數(shù)量關(guān)系的統(tǒng)一性，才能進(jìn)行模擬。為達(dá)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(xué)的研究方法必須著重于整體。 仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容是極其豐富多彩的，因?yàn)樯�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(jié)構(gòu)和功能供各行業(yè)來研究。自從仿生學(xué)問世以來的二十幾年內(nèi)，仿生學(xué)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(jī)械仿生、建筑仿生、化學(xué)仿生等。隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，學(xué)科分支繁多，在仿生學(xué)中相應(yīng)地開展對(duì)口的技術(shù)仿生研究。例如：航海部門對(duì)水生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的流體力學(xué)的研究；航空部門對(duì)鳥類、昆蟲飛行的模擬、動(dòng)物的定位與導(dǎo)航；工程建筑對(duì)生物力學(xué)的模擬；無線電技術(shù)部門對(duì)于人神經(jīng)細(xì)胞、感覺器宮和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬；計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)于腦的模擬以及人工智能的研究等。在第一屆仿生學(xué)會(huì)議上發(fā)表的比較典型的課題有：“人造神經(jīng)元有什么特點(diǎn)”、“設(shè)計(jì)生物計(jì)算機(jī)中的問題”、“用機(jī)器識(shí)別圖像”、“學(xué)習(xí)的機(jī)器”等。從中可以看出以電子仿生的研究比較廣泛。仿生學(xué)的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究，即動(dòng)物的感覺器官、神經(jīng)元、神經(jīng)系統(tǒng)的整體作用。以后在機(jī)械仿生和化學(xué)仿生方面的研究也隨之開展起來，近些年又出現(xiàn)新的分支，如人體的仿生學(xué)、分子仿生學(xué)和宇宙仿生學(xué)等。 總之，仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容，從模擬微觀世界的分子仿生學(xué)到宏觀的宇宙仿生學(xué)包括了更為廣泛的內(nèi)容。而當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)正是處于一個(gè)各種自然科學(xué)高度綜合和互相交叉、滲透的新時(shí)代，仿生學(xué)通過模擬的方法把對(duì)生命的研究和實(shí)踐結(jié)合起來，同時(shí)對(duì)生物學(xué)的發(fā)展也起了極大的促進(jìn)作用。在其它學(xué)科的滲透和影響下，使生物科學(xué)的研究在方法上發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變；在內(nèi)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(xué)的發(fā)展又是以仿生學(xué)為渠道向各種自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)輸送寶貴的資料和豐富的營(yíng)養(yǎng)，加速科學(xué)的發(fā)展。因此，仿生學(xué)的科研顯示出無窮的生命力，它的發(fā)展和成就將為促進(jìn)世界整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。

范圍

仿生學(xué)的研究范圍主要包括：力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。 ◇力學(xué)仿生，是研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì)，以及生物體各組成部分在體內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和生物體在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。例如，建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱，既消除應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(xué)結(jié)構(gòu)后，合成了一種類似有機(jī)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(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能等生物體中的能量轉(zhuǎn)換過程；◇信息與控制仿生，是研究與模擬感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及高級(jí)中樞的智能活動(dòng)等方面生物體中的信息處理過程。例如,根據(jù)象鼻蟲視動(dòng)反應(yīng)制成的“自相關(guān)測(cè)速儀”可測(cè)定飛機(jī)著陸速度。根據(jù)鱟復(fù)眼視網(wǎng)膜側(cè)抑制網(wǎng)絡(luò)的工作原理，研制成功可增強(qiáng)圖像輪廓、提高反差、從而有助于模糊目標(biāo)檢測(cè)的—些裝置。已建立的神經(jīng)元模型達(dá)100種以上，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出新型計(jì)算機(jī)。 模仿人類學(xué)習(xí)過程，制造出一種稱為“感知機(jī)”的機(jī)器，它可以通過訓(xùn)練，改變?cè)�件之間聯(lián)系的權(quán)重來進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而能實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別。此外，它還研究與模擬體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)物的定向與導(dǎo)航等生物系統(tǒng)中的控制機(jī)制，以及人-機(jī)系統(tǒng)的仿生學(xué)方面。 某些文獻(xiàn)中，把分子仿生與能量仿生的部分內(nèi)容稱為化學(xué)仿生，而把信息和控制仿生的部分內(nèi)容稱為神經(jīng)仿生。 仿生學(xué)的范圍很廣，信息與控制仿生是一個(gè)主要領(lǐng)域。一方面由于自動(dòng)化向智能控制發(fā)展的需要，另一方面是由于生物科學(xué)已發(fā)展到這樣一個(gè)階段，使研究大腦已成為對(duì)神經(jīng)科學(xué)最大的挑戰(zhàn)。人工智能和智能機(jī)器人研究的仿生學(xué)方面——生物模式識(shí)別的研究，大腦學(xué)習(xí)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(xié)調(diào)問題等——是仿生學(xué)研究的主攻方面。 控制與信息仿生和生物控制論關(guān)系密切。兩者都研究生物系統(tǒng)中的控制和信息過程，都運(yùn)用生物系統(tǒng)的模型。但前者的目的主要是構(gòu)造實(shí)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(shù)科學(xué)的理論出發(fā)，為生物行為尋求解釋。 最廣泛地運(yùn)用類比、模擬和模型方法是仿生學(xué)研究方法的突出特點(diǎn)。其目的不在于直接復(fù)制每一個(gè)細(xì)節(jié)，而是要理解生物系統(tǒng)的工作原理，以實(shí)現(xiàn)特定功能為中心目的�！�般認(rèn)為，在仿生學(xué)研究中存在下列三個(gè)相關(guān)的方面：生物原型、數(shù)學(xué)模型和硬件模型。前者是基礎(chǔ)，后者是目的，而數(shù)學(xué)模型則是兩者之間必不可少的橋梁。 由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，搞清某種生物系統(tǒng)的機(jī)制需要相當(dāng)長(zhǎng)的研究周期，而且解決實(shí)際問題需要多學(xué)科長(zhǎng)時(shí)間的密切協(xié)作，這是限制仿生學(xué)發(fā)展速度的主要原因。

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