仿生学的知识

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1、仿生学的知识仿生学的简介 仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能 原理来研制机械或各种新技术的科学技术。仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“ bios（生 命方式的意思）”和字尾“ nlc（ 具有的性质的意思）”构 成的。这个词语大约从1961年才开始使用。某些生物具有的功能 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。例如关于信息接受（ 感 觉功能）、 信息传递（神经功能） 、 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（ 游泳时能使身体表面不

2、产生 紊流）应用到 潜艇设计原理上。又比如，苍蝇是细菌的传播者，一般归类为害虫，可是苍蝇 的楫翅是天然 导航仪。而且，它的眼睛是一种“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 一种新型 光学元件，它的用途很多。“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。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。仿生学的历史

3、沿革仿生学是连接生物与技术的桥梁自从 瓦特(james watt, 17361819)在1782年发明 蒸汽机 以后，人们在生产斗争中获得了强大的动力。在工业技术方面基 本上解决了能量的转换、控制和利用等问题，从而引起了 第一次 工业革命，各式各样的机器如雨后春笋般的出现，工业技术的发 展极大地扩大和增强了人的体能，使人们从繁重的体力劳动解脱 出来。随着技术的发展，人们在蒸汽机以后又经历了电气时代并 向自动化时代迈进。20 世纪40 年代 电子计算机的问世，更是给人类 科学技术的 宝库增添了可贵的财富，它以可靠和高效的本领处理着人们手头 上数以万计的各种信息，使人们从汪洋大海般的数字、信息中解

4、 放出来，使用计算机和自动装置可以使人们在繁杂的生产工序面 前变得轻松省力，它们准确地调整、控制着生产程序，使产品规 格精确。但是， 自动控制装置是按人们制定的固定程序进行工作 的，这就使它的控制能力具有很大的局限性。自动装置对外界缺 乏分析和进行灵活反应的能力，如果发生任何意外的情况，自动 装置就要停止工作，甚至发生意外事故，这就是自动装置本身所 具有的严重缺点。要克服这种缺点，无非是使机器各部件之间， 机器与环境之间能够“通讯”，也就是使自动控制装置具有适应内 外环境变化的能力。要解决这一难题，在工程技术中就要解决如 何接受、转换。利用和控制信息的问题。因此，信息的利用和控 制就成为工业技

5、术发展的一个主要矛盾。如何解决这个矛盾呢?生 物界给人类提供了有益的启示。人类要从 生物系统中获得启示，首先需要研究生物和技术装 置是否存在着共同的特性。1940 年出现的调节理论，将生物与机 器在一般意义上进行对比。到1944 年，一些科学家已经明确了机 器和生物体内的通讯、自动控制与统计力学等一系列的问题上都 是一致的。在这样的认识基础上，1947 年，一个新的学科控 制论产生了。控制论(cybernetics)是从 希腊文而来，原意是“掌舵人”。 按照控制论的创始人之一维纳(norbef wiener,18941964)给予 控制论的 定义是“关于在动物和机器中控制和通讯”的科学。虽 然

6、这个定义过于简单，仅仅是维纳关于控制论经典著作的副题， 但它直截了当地把人们对生物和机器的认识联系在了一起。控制论的基本观点认为，动物 (尤其是人)与机器(包括各种 通讯、控制、计算的自动化装置)之间有一定的共体，也就是在它 们具备的控制系统内有某些共同的 规律。根据控制论研究表明， 各种控制系统的控制过程都包含有信息的传递、变换与加工过程。 控制系统工作的正常，取决于信息运 行过程的正常。所谓控制系 统是指由被控制的 对象及各种控制元件、部件、线路有机地结合 成有一定控制功能的整体。从信息的观点来看，控制系统就是一 部信息通道的网络或体系。机器与生物体内的控制系统有许多共 同之处，于是人 们

7、对生物自动系统产生了极大的兴趣，并且采用 物理学的、数学的甚至是技术的 模型对生物系统开展进一步的研 究。因此，控制理论成为联系生物学与工程技术的理论基础。成 为沟通生物系统与技术系统的桥梁。生物体和机器之间确实有很明显的相似之处，这些相似之处 可以表现在对生物体研究的不同水平上。由简单的单细胞到复杂 的 器官系统（如神经系统 ）都存在着各种调节和自动控制的生理 过程。我们可以把生物体看成是一种具有特殊能力的机器，和其 它机器的不同就在于生物体还有适应外界环境和自我繁殖的能力 也可以把生物体比作一个自动化的工厂，它的各项功能都遵循着 力学的 定律;它的各种结构协调地进行工作 ;它们能对一定的信

8、 号和刺激作出定量的反应，而且能像自动控制一样，借助于专门 的反馈联系组织以自我控制的方式进行自我调节。例如我们身体 内恒定的 体温、正常的 血压、正常的血糖浓度等都是肌体内复 杂的自控制系统进行调节的结果。控制论的产生和发展，为生物 系统与技术系统的连接架起了桥梁，使许多工程人员自觉地向生 物系统去寻求新的设计思想和原理。于是出现了这样一个趋势， 工程师为了和生物学家在共同合作的工程技术领域中获得成果， 就主动学习生物科学知识。仿生学的研究方法仿生学是生物学、数学和工程技术学互相渗透而结合成的一 门新兴的 边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣 而形象的标志：一个巨大的积分 符号，

9、把解剖刀和电烙铁“积分” 在一起。这个符号的含义不仅显示出仿生学的组成，而且也概括 表达了仿生学的研究途径。仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原理， 并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备。仿生学的主要 研究方法就是提出模型， 进行模拟。其研究 程序大致有以下三个阶段：首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题， 将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容， 取消与生产技术要求无关的因素，得到一个 生物模型;第二阶段 是将生物模型提供的资料进行数学分析，并使其内在的联系抽象 化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模 型;最后数学

10、模型制造出可在工程技术上进行实验的 实物模型。 当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生，更重要的是在 仿生中有创新。经过实践认识再实践的多次重复，才能 使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果，使 最终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生 物原型的能力。例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行 能力，电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突 出的特点，就是整体性。从仿生学的整体来看，它把生物看成是 一个能与内外环境进行联系和控制的 复杂系统。它的任务就是研 究复杂系统内各 部分之间的相互关系以及整

11、个系统的行为和状 态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制，它们与 外界的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和 能量，才能 进行生长和繁殖;生物从环境中接受信息，不断地调整和综合，才 能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一， 局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入 信息）之间的 定量关系，即着重于数量关系的统一性，才能进行 模拟。为达到此目的，采用任何局部的方法都不能获得满意的效 果。因此，仿生学的研究方法必须着重于整体。仿生学的研究内容是极其丰富多彩的，因为生物界本身就包 含着成千上万的种类，它们具有各种优异的结构和功能供各行业 来研究。自从仿

12、生学问世以来的二十几年内，仿生学的研究得到 迅速的发展，且取得了很大的成果。就其研究范围可包括电子仿 生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发 展，学科分支繁多，在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究。 例如：航海部门对水生动物运动的 流体力学的研究;航空部门对 鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航 ;工程建筑对 生物力 学的模拟;无线电技术部门对于人 神经细胞、感觉器宫和神经网 络的模拟;计算机技术对于脑的模拟以及 人工智能的研究等。在 第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：“人造神经元有什 么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学 习的机器”等。

13、从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生 学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究，即动物的感觉 器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿 生方面的研究也随之开展起来，近些年又出现新的分支，如人体 的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等。总之，仿生学的研究内容，从模拟微观 世界的分子仿生学到 宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正 是处于一个各种 自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代， 仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对 生物学的发展也起了极大的促进作用。在其它学科的渗透和影响 下，使 生物科学的研究在方法上发生了根本的转变 ;在内容上也 从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化。生物科学的发 展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和 技术科学输送宝贵的 资料和丰富的营养，加速科学的发展。因此，仿生学的科研显示 出无穷的生命力，它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的 发展做出巨大的贡献。