仿生（进行研究和解释的学科）

仿生

进行研究和解释的学科

仿生在具有生命之意的希腊语bion上，加上有工程技术涵义的ics而组成的词。大约从1960年才开始使用。生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接收、信息传递、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构应用到潜艇设计原理上。仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。

仿生是模仿生物系统的功能和行为，来建造技术系统的一种科学方法。它打破了生物和机器的界限，将各种不同的系统沟通起来。

运用仿生方法可创制新的机械，发明现代化识辨仪器，改进通信系统，设计新颖的工艺和研制人工脏器等。如现代的飞机、极地越野汽车、雷达系统的电子蛙眼、航海的声纳系统、航空建造工程的蜂窝结构、人工肾及人工心脏等，都是仿生的结晶。

2019年10月4日，瑞士等国研究人员开发出一种仿生假腿，可让使用者有自然“触地”的感觉，且无需大脑刻意控制设备即可行走。

概括

仿生学是发展起来的生物学和技术学相结合的交叉学科。仿生的英文名字是Bionics。

人们发现，一些关于植物和动物的相类似的功能，实际上是超越了人类自身在此方面的技术设计方案的。植物和动物在几百万年的自然进化当中不仅完全适应自然而且其程度接近完美。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。这个思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决技术难题提供了帮助。通过再现生物学的原理，人类不仅找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要。

仿生学的目的就是分析生物过程和结构以及它们的分析用于未来的设计。仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。人类所从事的技术就是使得达到最优化和互相间的协调。而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好机会。

在我们人类的技术世界中模拟自然中的东西并不是一个新鲜的思想，自从传说中的Ikarus带着用鸟的羽毛做成的翅膀飞向空中，而最后因为太阳的热度掉到地上起，人类一直就沉迷于此。

那么仿生学的确切定义是什么呢？

仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。属于生物科学与技术科学之间的边缘学科。它涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域。仿生技术通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机械等。

发展历史

仿生学（Bionics）是模仿生物特殊本领的一门科学。仿生学借以了解生物的结构和功能原理，来研制新的机械和新技术，或解决机械技术的难题，1960年由美国的J.E.Steele首先提出。

仿生学这个名词来源于希腊文“Bio”，意思是“生命”，字尾“nic”有“具有……的性质”的意思。他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。

仿生学主要是观察、研究和模拟自然界生物各种各样的特殊本领，包括生物本身结构、原理、行为、各种器官功能、体内的物理和化学过程、能量的供给、记忆与传递等。从而为科学技术中利用这些原理，提供新的设计思想、工作原理和系统架构的技术科学。

研究范围

仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。

◇力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速；

◇分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫；

◇能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程；

◇信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。

模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通过训练，改变元件之间联系的权重来进行学习，从而能实现模式识别。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制，以及人-机系统的仿生学方面。

某些文献中，把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿生，而把信息和控制仿生的部分内容称为神经仿生。

仿生学的范围很广，信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能控制发展的需要，另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成为对神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面——生物模式识别的研究，大脑学习记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等——是仿生学研究的主攻方面。

控制与信息仿生和生物控制论关系密切。两者都研究生物系统中的控制和信息过程，都运用生物系统的模型。但前者的目的主要是构造实用人造硬件系统；而生物控制论则从控制论的一般原理，从技术科学的理论出发，为生物行为寻求解释。

最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。其目的不在于直接复制每一个细节，而是要理解生物系统的工作原理，以实现特定功能为中心目的。—般认为，在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数学模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。

由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期，而且解决实际问题需要多学科长时间的密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因。

人类仿生

自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。

种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展。劳动创造了人类。人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，在长期的生产实践中，促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。因此，人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具，从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领。鱼儿在水中有自由地游来游去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。

鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前，意大利人列奥纳多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试，可以认为是人类仿生的先驱，也是仿生学的萌芽。

2019年10月4日，瑞士等国研究人员开发出一种仿生假腿，可让使用者有自然“触地”的感觉，且无需大脑刻意控制设备即可行走。

目的

仿生的目的就是分析生物过程和结构以及它们的分析用于未来的设计。仿生的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。

事例

苍蝇，是细菌的传播者，谁都讨厌它。可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由3000多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多。

自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领？它们的种种本领，给了人类哪些启发？模仿这些本领，人类又可以造出什么样的机器？这里要介绍的一门新兴科学——仿生学。

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。

现象

仿生学现象简表:

1.从令人讨厌的苍蝇身上，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。

2.从萤火虫到人工冷光；

3.电鱼与伏特电池；

4.水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。

5.人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹，防止以假乱真。电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上。在机场，它能监视飞机的起飞与降落，若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报。在交通要道，它能指挥车辆的行驶，防止车辆碰撞事故的发生。

6.根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。

7.模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气。

8.根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器——步行机。

9.现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。

10.顶瓦楞模仿动物的鳞甲。

11.船桨模仿的是鸭的蹼。

12.锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。

13.苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。

14.嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。

15.壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。

16.贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固，这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。

17.树叶的排列和悉尼大剧院的建设。

18.潜水艇和鱼的沉浮。

19.响尾蛇和空对空响尾蛇导弹。

20.人们根据章鱼发明烟雾弹。

21.根据蛋壳发现拱形的承受力量。

22.飞机飞行时产生的剧烈抖动是根据蜻蜓改善的。

23.变色衣服是学习蝴蝶上的鳞片。

24.防水衣服是仿荷叶造的。

参考资料

1.仿生学·词典网