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仿生學

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仿生學是一門既古老又年輕的學科。
人們研究生物體的結構與功能工作的原理,並根據這些原理髮明出新的設備、工具和科技,創造出適用於生產,學習和生活的先進技術。
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製造的機械都優越得多,仿生學就是要在工程上實現並有效地應用生物功能的一門學科。例如關於信息接受(感覺功能)、信息傳遞(神經功能)、自動控制系統等,這種生物體的結構與功能在機械設計方面給了很大啓發。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“複眼”,由3000多隻小眼組成,人們模仿它製成了“蠅眼透鏡”。“蠅眼透鏡”是一種新型光學元件,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,用它作鏡頭可以製成“蠅眼照相機”,一次就能照出千百張相同的相片。這種照相機已經用於印刷製版和大量複製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係的一門學科,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。
中文名
仿生學
外文名
Bionics
詞語創造者
美國的斯蒂爾
開始使用時間
1961年
歸    屬
科學

仿生學產生背景

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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,使它們能適應環境的變化,從而得到生存和發展。勞動創造了人類。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,促進了神經系統尤其是大腦獲得了高度發展。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羣。
人類通過勞動運用聰明的才智和靈巧的雙手製造工具,從而在自然界裏獲得更大自由。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。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遊動、轉彎,他們就在船尾上架置木槳。通過反覆的觀察、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,人們也能讓船隻航行自如。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”。然而人們更希望仿製鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中。設計和製造了一架撲翼機,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。
隨着生產的需要和科學技術的發展,從20世紀50年代以來,人們已經認識到生物系統是開闢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、設計原理和創造發明的源泉。人們用化學、物理學、數學以及技術模型對生物系統開展着深入的研究,促進了生物學的極大發展,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造新的工程技術設備。生物學開始跨入各行各業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。於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。
仿生學是獨立的一門學科 仿生學是獨立的一門學科
作為一門獨立的學科,仿生學正式誕生於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“分析生物系統所得到的概念能夠用到人工製造的信息加工系統的設計上去嗎?”斯蒂爾為新興的科學命名為“Bionics”,希臘文的意思代表着研究生命系統功能的科學,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,或者使人造技術系統具有或類似於生物特徵的科學”。簡言之,仿生學就是模仿生物的科學。確切地説,仿生學是研究生物系統的結構、特質、功能、能量轉換、信息控制等各種優異的特徵,並把它們應用到技術系統,改善已有的技術工程設備,並創造出新的工藝過程、建築構型、自動化裝置等技術系統的綜合性科學。從生物學的角度來説,仿生學屬於“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、最經濟的接近於生物系統的技術系統,為人類造福。
人類仿生的做法 人類仿生的做法
人類仿生的行為雖然早有雛型,但是在20世紀40年代以前,人們並沒有自覺地把生物作為設計思想和創造發明的源泉。科學家對於生物學的研究也只停留在描述生物體精巧的結構和功能上。而工程技術人員更多的依賴於他們的智慧,辛辛苦苦的努力,進行着人工發明。他們很少有意識的向生物界學習。但是,以下幾個事實可以説明: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啓示。
第一次世界大戰時期,出於軍事上的需要,為使艦艇在水下隱蔽航行而製造出潛水艇。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。以後經過改進,在潛艇上採用浮箱交替充水和排水的方法來改變潛艇的重量。以後又改成壓載水艙,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,待艇身潛入水中後,再把速潛水艙內的海水排出。如果一部分壓載水艙充水,另一部分空着,潛水艇可處於半潛狀態。潛艇要起浮時,將壓縮空氣通入水艙排出海水,艇內海水重量減輕後潛艇就可以上浮。如此優越的機械裝置實現了潛艇的自由沉浮。但是後來發現魚類的沉浮系統比人們的發明要簡單得多,魚的沉浮系統僅僅是充氣的魚鰾。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,對於潛艇設計師的啓發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應用在工業生產和軍事技術中,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現潛艇的位置以防偷襲;而潛艇沉入水中後,也須準確測定敵船方位和距離以利攻擊。因此,在第一次世界大戰期間,在海洋上,水面與水中敵對雙方的鬥爭採用了各種手段。海軍工程師們也利用聲學系統作為一個重要的偵察手段。首先採用的是水聽器,也稱噪聲測向儀,通過聽測敵艦航行中所發出的噪聲來發現敵艦。只要周圍水域中有敵艦在航行,機器與螺旋槳推進器便發出噪聲,通過水聽器就能聽到,能及時發現敵人。但那時的水聽器很不完善,一般只能收到本身艦隻的噪聲,要偵聽敵艦,必須減慢艦隻航行速度甚至完全停車才能分辨潛艇的噪音,這樣很不利於戰鬥行動。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。用一個超聲波發生器,向水中發出超聲波後,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。人造聲納系統的發明及在偵察敵方潛水艇方面獲得的突出成果,曾使人們為之驚歎不已。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”聲納系統應用自如了。
蝙蝠能用耳朵與嘴“看東西” 蝙蝠能用耳朵與嘴“看東西”
生物在漫長的年代裏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、封住它的嘴後,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”。它們能夠用嘴發出超聲波後,在超聲波接觸到障礙物反射回來時,用雙耳接收到。第一次世界大戰結束後,1920年,哈台認為蝙蝠發出聲音信號的頻率超出人耳的聽覺範圍。並提出蝙蝠對目標的定位方法與第一次世界大戰時郎之萬發明的用超聲波回波定位的方法相同。遺憾的是,哈台的提示並未引起人們的重視,而工程師們對於蝙蝠具有“回聲定位”的技術是難以相信的。直到1983年採用了電子測量器,才完完全全證實蝙蝠就是以發出超聲波來定位的。但是這對於早期雷達和聲納的發明已經不能有所幫助了。
蜻蜓的翅膀對造飛機的啓示 蜻蜓的翅膀對造飛機的啓示
另一個事例是人們對於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年之後,人們經過長期反覆的實踐,終於在1903年發明了飛機,使人類實現了飛上天空的夢想。由於不斷改進,30年後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。但是在繼續研製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。飛機設計師們為此花費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。可是,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,發現在每個翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質加厚區——翼眼或稱翅痣。如果把翼眼去掉,飛行就變得盪來盪去。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,獲得有益於解決顫振的設計思想,就可以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!
以上這四個事例發人深省,也使人們受到了很大啓發。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,在它們為生存而鬥爭的長期進化中,獲得了與大自然相適應的能力。生物學的研究可以説明,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歎不已。

仿生學歷史沿革

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仿生學是連接生物與技術的橋樑。
自從瓦特(James Watt,1736~1819)在1782年發明蒸汽機以後,人們在生產鬥爭中獲得了強大的動力。在工業技術方面基本上解決了能量的轉換、控制和利用等問題,從而引起了第一次工業革命,各式各樣的機器如雨後春筍般的出現,工業技術的發展極大地擴大和增強了人的體能,使人們從繁重的體力勞動解脱出來。隨着技術的發展,人們在蒸汽機以後又經歷了電氣時代並向自動化時代邁進。
20世紀40年代電子計算機的問世,更是給人類科學技術的寶庫增添了可貴的財富,它以可靠和高效的本領處理着人們手頭上數以萬計的各種信息,使人們從汪洋大海般的數字、信息中解放出來,使用計算機和自動裝置可以使人們在繁雜的生產工序面前變得輕鬆省力,它們準確地調整、控制着生產程序,使產品規格精確。
但是,自動控制裝置是按人們制定的固定程序進行工作的,這就使它的控制能力具有很大的侷限性。自動裝置對外界缺乏分析和進行靈活反應的能力,如果發生任何意外的情況,自動裝置就要停止工作,甚至發生意外事故,這就是自動裝置本身所具有的嚴重缺點。要克服這種缺點,無非是使機器各部件之間,機器與環境之間能夠“通訊”,也就是使自動控制裝置具有適應內外環境變化的能力。要解決這一難題,在工程技術中就要解決如何接受、轉換。利用和控制信息的問題。因此,信息的利用和控制就成為工業技術發展的一個主要矛盾。
如何解決這個矛盾呢?生物界給人類提供了有益的啓示。
人類要從生物系統中獲得啓示,首先需要研究生物和技術裝置是否存在着共同的特性。1940年出現的調節理論,將生物與機器在一般意義上進行對比。到1944年,一些科學家已經明確了機器和生物體內的通訊、自動控制與統計力學等一系列的問題上都是一致的。
在這樣的認識基礎上,1947年,一個新的學科——控制論產生了。
控制論(Cybernetics)是從希臘文而來,原意是“掌舵人”。按照控制論的創始人之一維納(Norbef Wiener,1894~1964)給予控制論的定義是“關於在動物和機器中控制和通訊”的科學。雖然這個定義過於簡單,僅僅是維納關於控制論經典著作的副題,但它直截了當地把人們對生物和機器的認識聯繫在了一起。
機器手臂 機器手臂
控制論的基本觀點認為,動物(尤其是人)與機器(包括各種通訊、控制、計算的自動化裝置)之間有一定的共體,也就是在它們具備的控制系統內有某些共同的規律。根據控制論研究表明,各種控制系統的控制過程都包含有信息的傳遞、變換與加工過程。控制系統工作的正常,取決於信息運行過程的正常。所謂控制系統是指由被控制的對象及各種控制元件、部件、線路有機地結合成有一定控制功能的整體。從信息的觀點來看,控制系統就是一部信息通道的網絡或體系。機器與生物體內的控制系統有許多共同之處,於是人們對生物自動系統產生了極大的興趣,並且採用物理學的、數學的甚至是技術的模型對生物系統開展進一步的研究。因此,控制理論成為聯繫生物學與工程技術的理論基礎。成為溝通生物系統與技術系統的橋樑。
生物體和機器之間確實有很明顯的相似之處,這些相似之處可以表現在對生物體研究的不同水平上。由簡單的單細胞到複雜的器官系統(如神經系統)都存在着各種調節和自動控制的生理過程。我們可以把生物體看成是一種具有特殊能力的機器,和其它機器的不同就在於生物體還有適應外界環境和自我繁殖的能力。也可以把生物體比作一個自動化的工廠,它的各項功能都遵循着力學的定律;它的各種結構協調地進行工作;它們能對一定的信號和刺激做出定量的反應,而且能像自動控制一樣,藉助於專門的反饋聯繫組織以自我控制的方式進行自我調節。例如我們身體內恆定的體温、正常的血壓、正常的血糖濃度等都是肌體內複雜的自控制系統進行調節的結果。控制論的產生和發展,為生物系統與技術系統的連接架起了橋樑,使許多工程人員自覺地向生物系統去尋求新的設計思想和原理。於是出現了這樣一個趨勢,工程師為了和生物學家在共同合作的工程技術領域中獲得成果,就主動學習生物科學知識。

仿生學仿生學例子

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仿生學振動陀螺儀

蒼蠅與宇宙飛船 蒼蠅與宇宙飛船
令人討厭的蒼蠅,與宏偉的航天事業似乎風馬牛不相及,但仿生學卻把它們緊密地聯繫起來了。
蒼蠅是聲名狼藉的“逐臭之夫”,凡是腥臭污穢的地方,都有它們的蹤跡。蒼蠅的嗅覺特別靈敏,遠在幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅並沒有“鼻子”,它靠什麼來充當嗅覺的呢?原來,蒼蠅的“鼻子”——嗅覺感受器分佈在頭部的一對觸角上。每個“鼻子”只有一個“鼻孔”與外界相通,內含上百個嗅覺神經細胞。若有氣味進入“鼻孔”,這些神經立即把氣味刺激轉變成神經電脈衝,送往大腦。大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈衝的不同,就可區別出不同氣味的物質。因此,蒼蠅的觸角像是一台靈敏的氣體分析儀
仿生學家由此得到啓發,根據蒼蠅嗅覺器官的結構和功能,仿製成一種十分奇特的小型氣體分析儀。這種儀器的“探頭”不是金屬,而是活的蒼蠅。就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經上,將引導出來的神經電信號經電子線路放大後,送給分析器;分析器一經發現氣味物質的信號,便能發出警報。這種儀器已經被安裝在宇宙飛船的座艙裏,用來檢測艙內氣體的成分。這種小型氣體分析儀,也可測量潛水艇和礦井裏的有害氣體。利用這種原理,還可用來改進計算機的輸入裝置和有關氣體色層分析儀的結構原理中。另外蒼蠅的楫翅(又叫平衡棒)是個“天然導航儀”,人們模仿它製成了“振動陀螺儀”。這種儀器已經應用在火箭和高速飛機上,實現了自動駕駛。

仿生學蝙蝠與雷達

蝙蝠會釋放出一種超聲波,這種聲波遇見物體時就會反彈回來,而人類聽不見。在發現蝙蝠具有超聲波測距定位能力之前,人類已經大規模使用雷達,後來才發現雷達與蝙蝠的這種特性相同。在各種地方都會用到雷達,例如:飛機、航空等。
從螢火蟲到人工冷光 從螢火蟲到人工冷光

仿生學人工冷光

自從人類發明了電燈,生活變得方便、豐富多了。但電燈只能將電能的很少一部分轉變成可見光,其餘大部分都以熱能的形式浪費掉了,而且電燈的熱射線有害於人眼。那麼,有沒有隻發光不發熱的光源呢?人類又把目光投向了大自然。
在自然界中,有許多生物都能發光,如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等,而且這些動物發出的光都不產生熱,所以又被稱為“冷光”。在眾多的發光動物中,螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1500種,它們發出的冷光的顏色有黃綠色、橙色,光的亮度也各不相同。螢火蟲發出冷光不僅具有很高的發光效率,而且發出的冷光一般都很柔和,很適合人類的眼睛,光的強度也比較高。因此,生物光是一種人類理想的光。
科學家研究發現,螢火蟲的發光器位於腹部。這個發光器由發光層、透明層和反射層三部分組成。發光層擁有幾千個發光細胞,它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。在熒光酶的作用下,熒光素在細胞內水分的參與下,與氧化合便發出熒光。螢火蟲的發光,實質上是把化學能轉變成光能的過程。
早在40年代,人們根據對螢火蟲的研究,創造了日光燈,使人類的照明光源發生了很大變化。科學家先是從螢火蟲的發光器中分離出了純熒光素,後來又分離出了熒光酶,接着,又用化學方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當閃光燈。由於這種光沒有電源,不會產生磁場,因而可以在生物光源的照明下,做清除磁性水雷等工作。
人們已能用摻和某些化學物質的方法得到類似生物光的冷光,作為安全照明用。

仿生學伏特電池

自然界中有許多生物都能產生電,僅僅是魚類就有500餘種。人們將這些能放電的魚,統稱為“電魚”。
各種電魚放電的本領各不相同。放電能力最強的是電鰩電鯰電鰻。中等大小的電鰩能產生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能產生的電壓高達220伏;非洲電鯰能產生350伏的電壓;電鰻能產生500伏的電壓,有一種南美洲電鰻竟能產生高達880伏的電壓,稱得上電擊冠軍,據説它能擊斃像馬那樣的大動物。
電魚放電的奧秘究竟在哪裏?經過對電魚的解剖研究,終於發現在電魚體內有一種奇特的發電器官。這些發電器官是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細胞構成的。由於電魚的種類不同,所以發電器的形狀、位置、電板數都不一樣。電鰻的發電器呈稜形,位於尾部脊椎兩側的肌肉中;電鰩的發電器形似扁平的腎臟,排列在身體中線兩側,共有200萬塊電板;電鯰的發電器起源於某種腺體,位於皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板。單個電板產生的電壓很微弱,但由於電板很多,產生的電壓就很大了。
電魚這種非凡的本領,引起了人們極大的興趣。19世紀初,意大利物理學家伏特,以電魚發電器官為模型,設計出世界上最早的伏特電池。因為這種電池是根據電魚的天然發電器設計的,所以把它叫做“人造電器官”。對電魚的研究,還給人們這樣的啓示:如果能成功地模仿電魚的發電器官,那麼,船舶和潛水艇等的動力問題便能得到很好的解決。

仿生學水母的順風耳

在自然界中,水母,早在5億多年前,它們就已經在海水裏生活了。
但是,水母跟順風耳又有什麼關係呢?
因為水母在風暴來臨之前,就會成羣結隊地遊向大海,就預示風暴即將來臨。
但是,這又與“順風耳”有什麼關係呢?
原來在藍色的海洋上,由空氣和波浪摩擦而產生的次聲波(頻率為8~13赫茲),是風暴來臨之前的預告。這種次聲波,人耳是聽不到的,而對水母來説卻是易如反掌。科學家經過研究發現,水母的耳朵里長着一個細柄,柄上有個小球,球內有塊小小的聽石。科學家仿照水母耳朵的結構和功能,設計了水母耳風暴預測儀,相當精確地模擬了水母感受次聲波的器官。

仿生學失重現象

長頸鹿之所以能將血液通過長長的頸輸送到頭部,是由於長頸鹿的血壓很高。據測定,長頸鹿的血壓比人的正常血壓高出2倍。
這樣高的血壓為什麼不會導致長頸鹿患腦溢血而死亡呢?
這和長頸鹿身體的結構有關。首先,長頸鹿血管周圍的肌肉非常發達,能壓縮血管,控制血流量;同時長頸鹿腿部及全身的皮膚和筋膜繃得很緊,利於下肢的血液向上迴流。科學家由此受到啓示,在訓練宇航員時,設置一種特殊器械,讓宇航員利用這種器械每天鍛鍊幾小時,以防止宇航員血管周圍肌肉退化;在宇宙飛船升空時,科學家根據長頸鹿利用緊繃的皮膚可控制血管壓力的原理,研製了飛行服——“抗荷服”。抗荷服上安有充氣裝置,隨着飛船速度的增高,抗荷服可以充入一定量的氣體,從而對血管產生一定的壓力,使宇航員的血壓保持正常。同時,宇航員腹部以下部位是套入抽去空氣的密封裝置中的,這樣可以減小宇航員腿部的血壓,利於身體上部的血液向下肢輸送。

仿生學薄殼建築

蛋殼呈拱形,跨度大,包括許多力學原理。雖然它只有2mm的厚度,但使用鐵錘敲砸也很難破壞它。建築學家模仿它進行了薄殼建築設計。這類建築有許多優點:用料少,跨度大,堅固耐用。薄殼建築也並非都是拱形,舉世聞名的悉尼歌劇院則像一組泊港的羣帆。

仿生學結構構件

對於構件,在截面面積相同的情況下,把材料儘可能放到遠離中和軸的位置上,是有效的截面形狀。有趣的是,在自然界許多動植物的組織中也體現了這個結論。例如:“疾風知勁草”,許多能承受狂風的植物的莖部是維管狀結構,其截面是空心的。支持人承重和運動的骨骼,其截面上密實的骨質分佈在四周,而柔軟的骨髓充滿內腔。在建築結構中常被採用的空心樓板、箱形大梁、工形截面鈑梁以及折板結構、空間薄壁結構等都是根據這條結論得來的。

仿生學斑馬

斑馬生活在非洲大陸,外形與一般的馬沒有什麼兩樣,它們身上的條紋是為適應生存環境而衍化出來的保護色。在所有斑馬中,細斑馬長得最大最美。它的肩高140-160釐米,耳朵又圓又大,條紋細密且多。斑馬常與草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鴕鳥等共處,以抵禦天敵。人類將斑馬條紋應用到軍事上是一個是很成功仿生學例子。

仿生學昆蟲與仿生

昆蟲與仿生 昆蟲與仿生
昆蟲個體小,種類和數量龐大,佔現存動物的75%以上,遍佈全世界。它們有各自的生存絕技,有些技能連人類也自嘆不如。人們對自然資源的利用範圍越來越廣泛,特別是仿生學方面的任何成就,都來自生物的某種特性。

仿生學蝴蝶與仿生

五彩的蝴蝶錦色粲然,如重月紋鳳蝶,褐脈金斑蝶等,尤其是螢光翼鳳蝶,其後翅在陽光下時而金黃,時而翠綠,有時還由紫變藍。
科學家通過對蝴蝶色彩的研究,為軍事防禦帶來了極大的裨益。在二戰期間,德軍包圍了列寧格勒,企圖用轟炸機摧毀其軍事目標和其他防禦設施。蘇聯昆蟲學家施萬維奇根據當時人們對偽裝缺乏認識的情況,提出利用蝴蝶的色彩在花叢中不易被發現的道理,在軍事設施上覆蓋蝴蝶花紋般的偽裝。因此,儘管德軍費盡心機,但列寧格勒的軍事基地仍安然無恙,為贏得最後的勝利奠定了堅實的基礎。根據同樣的原理,後來人們還生產出了迷彩服,大大減少了戰鬥中的傷亡。
人造衞星在太空中由於位置的不斷變化可引起温度驟然變化,有時温差可高達兩三百度,嚴重影響許多儀器的正常工作。
科學家們受蝴蝶身上的鱗片會隨陽光的照射方向自動變換角度而調節體温的啓發,將人造衞星的控温系統製成了葉片正反兩面輻射、散熱能力相差很大的百葉窗樣式,在每扇窗的轉動位置安裝有對温度敏感的金屬絲,隨温度變化可調節窗的開合,從而保持了人造衞星內部温度的恆定,解決了航天事業中的一大難題。

仿生學甲蟲與仿生

氣步甲炮蟲自衞時,可噴射出具有惡臭的高温液體“炮彈”,以迷惑、刺激和驚嚇敵害。
科學家將其解剖後發現甲蟲體內有3個小室,分別儲有二元酚溶液、雙氧水生物酶。二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶混合發生化學反應,瞬間就成為100℃的毒液,並迅速射出。這種原理已應用於軍事技術中。二戰期間,德國納粹為了戰爭的需要,據此機理製造出了一種功率極大且性能安全可靠的新型發動機,安裝在飛航式導彈上,使之飛行速度加快,安全穩定,命中率提高,英國倫敦在受其轟炸時損失慘重。
美國軍事專家受甲蟲噴射原理的啓發研製出了先進的二元化武器。這種武器將兩種或多種能產生毒劑的化學物質分裝在兩個隔開的容器中,炮彈發射後隔膜破裂,兩種毒劑中間體在彈體飛行的8—10秒內混合併發生反應,在到達目標的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人。它們易於生產、儲存、運輸,安全且不易失效。
螢火蟲可將化學能直接轉變成光能,且轉化效率達100%,而普通電燈的發光效率只有6%。人們模仿螢火蟲的發光原理製成的冷光源可將發光效率提高十幾倍,大大節約了能量。另外,根據甲蟲的視動反應機制研製成功的空對地速度計已成功地應用於航空事業中。

仿生學蜻蜓與仿生

蜻蜓通過翅膀振動可產生不同於周圍大氣的局部不穩定氣流,並利用氣流產生的渦流來使自己上升。蜻蜓能在很小的推力下翱翔,不但可向前飛行,還能向後和左右兩側飛行,其向前飛行速度可達72km/小時。此外,蜻蜓的飛行行為簡單,僅靠兩對翅膀不停地拍打。
科學家據此結構基礎研製成功了直升機。飛機在高速飛行時,常會引起劇烈振動,甚至有時會折斷機翼而引起飛機失事。蜻蜓依靠加重的翅痣在高速飛行時安然無恙,於是人們仿效蜻蜓在飛機的兩翼加上了平衡重錘,解決了因高速飛行而引起振動這個令人棘手的問題。

仿生學蒼蠅與仿生

昆蟲學家研究發現,蒼蠅的後翅退化成一對平衡棒。當它飛行時,平衡棒以一定的頻率進行機械振動,可以調節翅膀的運動方向,是保持蒼蠅身體平衡的導航儀。
科學家據此原理研製成一代新型導航儀——振動陀螺儀,大大改進了飛機的飛行性能,可使飛機自動停止危險的滾翻飛行,在機體強烈傾斜時還能自動恢復平衡,即使是飛機在最複雜的急轉彎時也萬無一失。蒼蠅的複眼包含4000個可獨立成像的單眼,能看清幾乎360°範圍內的物體。
在蠅眼的啓示下,人們製成了由1329塊小透鏡組成的一次可拍1329張高分辨率照片的蠅眼照相機,在軍事、醫學、航空、航天上被廣泛應用。
蒼蠅的嗅覺特別靈敏並能對數十種氣味進行快速分析且可立即作出反應。科學家根據蒼蠅嗅覺器官的結構,把各種化學反應轉變成電脈衝的方式,製成了十分靈敏的小型氣體分析儀,已廣泛應用於宇宙飛船、潛艇和礦井等場所來檢測氣體成分,使科研、生產的安全係數更為準確、可靠。

仿生學青蛙與仿生學

仿生學家經過多次的試驗,發現了青蛙眼睛的奧秘,原來,蛙眼視網膜的神經細胞分成五類,一類只對顏色起反應,另外四類只對運動目標的某個特徵起反應,並能把分解出的特徵信號輸送到大腦視覺中樞——視頂蓋。因此,青蛙的眼睛對活動的東西非常敏鋭,對靜止的東西卻“視而不見”。仿生學家模仿青蛙的眼睛,發明了電子蛙眼,使機場的指揮人員能更加準確地指揮飛機降落。

仿生學蜂類與仿生

蜂巢由一個個排列整齊的六稜柱形小蜂房組成,每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成,這些結構與近代數學家精確計算出來的——菱形鈍角109°28’,鋭角70°32’完全相同,是最節省材料的結構,且容量大、極堅固,令許多專家讚歎不止。
人們仿其構造用各種材料製成蜂巢式夾層結構板,強度大、重量輕、不易傳導聲和熱,是建築及製造航天飛機、宇宙飛船、人造衞星等的理想材料。
蜜蜂複眼的每個單眼中相鄰地排列着對偏振光方向十分敏感的偏振片,可利用太陽準確定位。科學家據此原理研製成功了偏振光導航儀,早已廣泛用於航海事業中。

仿生學其它仿生

跳蚤的跳躍本領十分高強,航空專家對此進行了研究。
生物學家通過對蛛絲的研究製造出高級絲線,抗撕斷裂降落傘與臨時吊橋用的高強度纜索。船和潛艇來自人們對魚類和海豚的模仿。
響尾蛇導彈等就是科學家模仿蛇的“熱眼”功能和其舌上排列着一種似照相機裝置的天然紅外線感知能力的原理,研製開發出來的現代化武器。
火箭升空利用的是水母、墨魚反衝原理。
科研人員通過研究變色龍的變色本領,為部隊研製出了不少軍事偽裝裝備。
科學家研究青蛙的眼睛,發明了電子蛙眼
白蟻不僅使用膠粘劑建築它們的土堆,還可以通過頭部的小管向敵人噴射膠粘劑。於是人們按照同樣的原理製造了工作的武器——幹膠炮彈。
美國空軍通過毒蛇的“熱眼”功能,研究開發出了微型熱傳感器。
我國紡織科技人員利用仿生學原理,借鑑陸地動物的皮毛結構,設計出一種KEG保温面料,並具有防風和導濕的功能。
根據響尾蛇的頰窩能感覺到0.001℃的温度變化的原理,人類發明了跟蹤追擊的響尾蛇導彈。人類還利用蛙跳的原理設計了蛤蟆夯。人類模仿警犬的高靈敏嗅覺製成了用於偵緝的“電子警犬”。科學家根據野豬的鼻子測毒的奇特本領製成了世界上第一批防毒面具。
仿生學是人類一直使用的方法,如模仿海豚皮而構造的“海豚皮游泳衣”、科學家研究鯨魚的皮膚時,發現其上有溝漕的結構,於是有個科學家就依照鯨魚皮構造,造成一個薄膜蒙在飛機的表面,據實驗可節約能源3%,若全國的飛機都蒙上這樣的表面,每年可節約幾十億。又如有科學家研究蜘蛛,發現蜘蛛的腿上沒有肌肉,有腳的動物會走,主要是靠肌肉的收縮,蜘蛛沒有肌肉為什麼會走路?經研究蜘蛛不是靠肌肉的收縮進行走路的,而是靠其中的“液壓”的結構進行走路,據此人們發明了液壓步行機……總之,從自然界得到啓迪,模仿其結構進行發明創造,這就是仿生學。這是我們向自然界學習的一個方面。

仿生學仿生學現象簡表

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電子蛙眼還廣泛應用在機場及交通要道上。在機場,它能監視飛機的起飛與降落,若發現飛機將要發生碰撞,能及時發出警報。在交通要道,它能指揮車輛的行駛,防止車輛碰撞事故的發生。
仿生學最新發展
1994年中科院(CAS)曾邦哲(曾傑)提出系統生物工程(systems bio-engineering)與系統遺傳學的概念與原理,探討細胞仿生工程,並於德國2002年提出細胞通訊的生物計算機(Automatic Cell and Bionic Computer)模型。
仿生學與遺傳學的整合是系統生物工程的理念,也就是發展遺傳工程的仿生學。人工基因重組轉基因技術是自然重組、基因轉移的模仿,還天然藥物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生,人工神經元、神經網絡細胞自動機是細胞系統水平的仿生,跟隨單基因遺傳學單基因轉移發展到多基因系統調控研究的系統遺傳學(system genetics)、多基因轉基因的合成生物學(synthetic biology),以及納米生物技術(nano-biotechnology)、生物計算(bio - computation、DNA計算機技術的系統生物工程發展,仿生學已經全面發展到一個從分子、細胞到器官的人工生物系統(artificial biosystem)開發的時代。

仿生學研究範圍

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仿生學力學仿生

是研究並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境中運動的動力學性質。例如,建築上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建築,模仿股骨結構建造的立柱,既消除應力特別集中的區域,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,可減少航行湍流,提高航速;

仿生學分子仿生

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後,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;

仿生學能量仿生

是研究與模仿生物電器官生物發光、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;
模擬感覺器官 模擬感覺器官

仿生學信息與控制仿生

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製成的“自相關測速儀”可測定飛機着陸速度。根據鱟複眼視網膜側抑制網絡的工作原理,研製成功可增強圖像輪廓、提高反差、從而有助於模糊目標檢測的—些裝置。已建立的神經元模型達100種以上,並在此基礎上構造出新型計算機。
模仿人類學習過程,製造出一種稱為“感知機”的機器,它可以通過訓練,改變元件之間聯繫的權重來進行學習,從而能實現模式識別。此外,它還研究與模擬體內穩態,運動控制、動物的定向與導航等生物系統中的控制機制,以及人-機系統的仿生學方面。
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。
仿生學的範圍很廣,信息與控制仿生是一個主要領域。一方面由於自動化向智能控制發展的需要,另一方面是由於生物科學已發展到這樣一個階段,使研究大腦已成為對神經科學最大的挑戰。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係密切。兩者都研究生物系統中的控制和信息過程,都運用生物系統的模型。但前者的目的主要是構造實用人造硬件系統;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,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。其目的不在於直接複製每一個細節,而是要理解生物系統的工作原理,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,後者是目的,而數學模型則是兩者之間必不可少的橋樑。
由於生物系統的複雜性,搞清某種生物系統的機制需要相當長的研究週期,而且解決實際問題需要多學科長時間的密切協作,這是限制仿生學發展速度的主要原因。
細胞仿生學
細胞仿生學也在水過濾領域初露崢嶸,科學家們希望借用人體與植物體內存在的一種薄膜(只讓水進出微生物的細胞),將海水變成飲用水。在這一思路的指導下,他們研製出了一種“水通道”濾水設備,這款配備了“內部水通道(Aquaporin Inside)”技術的纖細薄膜,有望將海水變成飲用水,讓髒水變成乾淨水。 [1] 
與此同時,光合作用過程也正被科學家們用於能源的捕獲和存儲領域。美國康奈爾大學薩賓設計實驗室的科學家們正在研製名為“電子皮膚(eSkin)”的適應性建築外層,這一外層利用了肺部細胞的特性,讓建築可與周圍環境有效地相互作用。 [1] 
很多能源問題解決方案都在採用這一原則,包括生物電池的研製等。據報道,美國猶他大學的研究人員根據人體的新陳代謝過程——幾乎所有的活體微生物都用葡萄糖來製造能量,研製出了一種生物電池,這款電池用糖做燃料,用天生擁有能量轉化屬性的酶做催化劑。 [1] 

仿生學研究方法

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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誌: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的優異能力及產生的原理,並把它模式化,然後應用這些原理去設計和製造新的技術設備。
仿生學的主要研究方法就是提出模型進行模擬
仿生學中的生物模型 仿生學中的生物模型
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,並使其內在的聯繫抽象化,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
最後根據數學模型製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新。經過實踐——認識——再實踐的多次重複,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,在某些方面甚至超過生物原型的能力。例如現代的飛機在許多方面都超過了鳥類的飛行能力,電子計算機在複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境進行聯繫和控制的複雜系統。它的任務就是研究複雜系統內各部分之間的相互關係以及整個系統的行為和狀態。生物最基本的特徵就是生物的自我更新和自我複製,它們與外界的聯繫是密不可分的。生物從環境中獲得物質和能量,才能進行生長和繁殖;生物從環境中接受信息,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一,局部與整體的協調與統一。仿生學要研究生物體與外界刺激(輸入信息)之間的定量關係,即着重於數量關係的統一性,才能進行模擬。為達到此目的,採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着重於整體。
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着成千上萬的種類,它們具有各種優異的結構和功能供各行業來研究。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展,且取得了很大的成果。就其研究範圍可包括電子仿生、機械仿生、建築仿生、化學仿生等。隨着現代工程技術的發展,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;工程建築對生物力學的模擬;無線電技術部門對於人神經細胞、感覺器官和神經網絡的模擬;計算機技術對於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表的比較典型的課題有:“人造神經元有什麼特點”、“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、神經系統的整體作用。以後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於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生了根本的轉變;在內容上也從描述和分析的水平向着精確和定量的方向深化。生物科學的發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,加速科學的發展。因此,仿生學的科研顯示出無窮的生命力,它的發展和成就將為促進世界整體科學技術的發展做出巨大的貢獻。
參考資料