1、由令人討厭的蒼蠅,仿制成功一種十分奇特的小型氣體分析儀.已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里,用來檢測艙內(nèi)氣體的成分.
2、從螢火蟲到人工冷光；
3、電魚與伏特電池；
4、水母的順風耳,仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能,設(shè)計了水母耳風暴預測儀,能提前15小時對風暴作出預報,對航海和漁業(yè)的安全都有重要意義.
5、人們根據(jù)蛙眼的視覺原理,已研制成功一種電子蛙眼.這種電子蛙眼能像真的蛙眼那樣,準確無誤地識別出特定形狀的物體.把電子蛙眼裝入雷達系統(tǒng)后,雷達抗干擾能力大大提高.這種雷達系統(tǒng)能快速而準確地識別出特定形狀的飛機、艦船和導彈等.特別是能夠區(qū)別真假導彈,防止以假亂真.
電子蛙眼還廣泛應用在機場及交通要道上.在機場,它能監(jiān)視飛機的起飛與降落,若發(fā)現(xiàn)飛機將要發(fā)生碰撞,能及時發(fā)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(fā)生.
6、根據(jù)蝙蝠超聲定位器的原理,人們還仿制了盲人用的“探路儀”.這種探路儀內(nèi)裝一個超聲波發(fā)射器,盲人帶著它可以發(fā)現(xiàn)電桿、臺階、橋上的人等.如今,有類似作用的“超聲眼鏡”也已制成.
7、模擬藍藻的不完全光合器,將設(shè)計出仿生光解水的裝置,從而可獲得大量的氫氣.
8、根據(jù)對人體骨胳肌肉系統(tǒng)和生物電控制的研究,已仿制了人力增強器——步行機.
9、現(xiàn)代起重機的掛鉤起源于許多動物的爪子.
10、屋頂瓦楞模仿動物的鱗甲.
11、船槳模仿的是魚的鰭.
12、鋸子學的是螳螂臂,或鋸齒草.
13、蒼耳屬植物獲取靈感發(fā)明了尼龍搭扣.
14、嗅覺靈敏的龍蝦為人們制造氣味探測儀提供了思路.
15、壁虎腳趾對制造能反復使用的粘性錄音帶提供了令人鼓舞的前景.
16、貝用它的蛋白質(zhì)生成的膠體非常牢固,這樣一種膠體可應用在從外科手術(shù)的縫合到補船等一切事情上.
17、船和潛艇來自人們對魚類和海豚的模仿.
18、科學家根據(jù)野豬的鼻子測毒的奇特本領(lǐng)制成了世界上第一批防毒面具.
19、火箭升空利用的是水母、墨魚反沖原理.
20、科研人員通過研究變色龍的變色本領(lǐng),為部隊研制出了不少軍事偽裝裝備.
21、美國空軍通過毒蛇的“熱眼”功能,研究開發(fā)出了微型熱傳感器.
22、人類還利用蛙跳的原理設(shè)計了蛤蟆夯(hang).
23、人類模仿警犬的高靈敏嗅覺制成了用于偵緝的“電子警犬”.
魯班發(fā)明鋸的故事
相傳有一年,魯班接受了一項建筑一座巨大宮殿的任務.這座宮殿需要很多木料,魯班就讓徒弟們上山砍伐樹木.由于當時還沒有鋸子,他的徒弟們只好用斧頭砍伐,但這樣做效率非常低,工匠們每天起早貪黑拚命去干.累得精疲力盡,也砍伐不了多少樹木,遠遠不能滿足工程的需要,使工程進度一拖再拖,眼看著工程期限越來越近,這可急壞了魯班.為此,他決定親自上山察看砍伐樹木的情況.上山的時候,由于他不小心,無意中抓了一把山上長的一種野草,卻一下子將手劃破了.魯班很奇怪,一根小草為什么這樣鋒利?于是他摘下了一片葉子來細心觀察,發(fā)現(xiàn)葉子兩邊長著許多小細齒,用手輕輕一摸,這些小細齒非常鋒利.他明白了,他的手就是被這些小細齒劃破的.后來,魯班又看到一條大蝗蟲在一株草上啃吃葉子,兩顆大板牙非常鋒利,一開一合,很快就吃下一大片.這同樣引起了魯班的好奇心,他抓住一只蝗蟲,仔細觀察蝗蟲牙齒的結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)蝗蟲的兩顆大板牙上同樣排列著許多小細齒,蝗蟲正是靠這些小細齒來咬斷草葉的.這兩件事給魯班留下了極其深刻的印象,也使他受到很大啟發(fā),陷入了深深的思考.他想,如果把砍伐木頭的工具做成鋸齒狀,不是同樣會很鋒利嗎?砍伐樹木也就容易多了.于是他就用大毛竹做成一條帶有許多小鋸齒的竹片,然后到小樹上去做試驗,結(jié)果果然不錯,幾下子就把樹皮拉破了,再用力拉幾下,小樹桿就劃出一道深溝,魯班非常高興.但是由于竹片比較軟,強度比較差,不能長久使用,拉了一會兒,小鋸齒就有的斷了,有的變鈍了,需要更換竹片.這樣就影響了砍伐樹木的速度,使用竹片太多也是一個很大的浪費.看來竹片不宜作為制做鋸齒的材料,應該尋找一種強度、硬度都比較高的材料來代替它,這時魯班想到了鐵片.于是他們立即下山,清鐵匠們幫助制作帶有小鋸齒的鐵片,然后到山上繼續(xù)實踐.魯班和徒弟各拉一端,在一棵樹上拉了起來,只見他倆一來一往,不一會兒就把樹鋸斷了,又快又省力,鋸就這樣發(fā)明了.
在魯班之前,肯定會有不少人碰到手被野莫劃破的類似情況,為什么單單只有魯班從中受到啟發(fā),發(fā)明了鋸,這無疑值得我們思考.大多數(shù)人只是認為這是一件生活小事,不值得大驚小怪,他們往往在治好傷口以后就把這件事忘掉了.而魯班卻有比較強烈的好奇心和正確的想法,很注意對生活當中一些微小事件的觀察、思考和鉆研,從中找到解決問題的方法和思路,甚至獲得某些創(chuàng)造性發(fā)明.這告訴我們一個道理,留意生活中許多不起眼的小事,勤干思考,會增長許多智慧.
蒼蠅,是細菌的傳播者,誰都討厭它.可是蒼蠅的楫翅（又叫平衡棒）是“天然導航儀”,人們模仿它制成了“振動陀螺儀”.這種儀器目前已經(jīng)應用在火箭和高速飛機上,實現(xiàn)了自動駕駛.蒼蠅的眼睛是一種“復眼”,由30O0多只小眼組成,人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”.“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”,一次就能照出千百張相同的相片.這種照相機已經(jīng)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(zhì)量.“蠅眼透鏡”是一種新型光學元件,它的用途很多.
自然界形形色色的生物,都有著怎樣的奇異本領(lǐng)?它們的種種本領(lǐng),給了人類哪些啟發(fā)?模仿這些本領(lǐng),人類又可以造出什么樣的機器?這里要介紹的一門新興科學——仿生學.
仿生學是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學,它是在本世紀中期才出現(xiàn)的一門新的邊緣科學.仿生學研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理,并將這些原理移植于工程技術(shù)之中,發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機器,創(chuàng)造新技術(shù).從仿生學的誕生、發(fā)展,到現(xiàn)在短短幾十年的時間內(nèi),它的研究成果已經(jīng)非?？捎^.仿生學的問世開辟了獨特的技術(shù)發(fā)展道路,也就是向生物界索取藍圖的道路,它大大開闊了人們的眼界,顯示了極強的生命力.
【人類仿生由來已久】
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(chǎn)實踐中,促進了神經(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(shè)計能力模仿生物,通過創(chuàng)造性的勞動增加自己的本領(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(zhuǎn)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(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.早在四百多年前,意大利人利奧那多·達·芬奇和他的助手對鳥類進行仔細的解剖,研究鳥的身體結(jié)構(gòu)并認真觀察鳥類的飛行.設(shè)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(gòu)造和功能的發(fā)明與嘗試,可以認為是人類仿生的先驅(qū),也是仿生學的萌芽.
【發(fā)人深省的對比】
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(shè)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(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(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(shù)人員在設(shè)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(jīng)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(shè)放氣閥,下面設(shè)注水閥,當水艙灌滿海水時,艇身重量增加使可它潛入水中.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(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,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)越的機械裝置實現(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),對于潛艇設(shè)計師的啟發(fā)和幫助已經(jīng)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(shù)的享受,工程技術(shù)人員還把聲學系統(tǒng)應用在工業(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(xiàn)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(xiàn)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(zhì)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(jù)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@嘆不已.豈不知遠在地球上出現(xiàn)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.意大利人斯帕蘭贊尼很早以前就發(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,但是堵塞蝙蝠的雙耳后,它們在黑暗中就寸步難行了.面對這些事實,帕蘭贊尼提出了一個使人們難以接受的結(jié)論：蝙蝠能用耳朵“看東西”.第一次世界大戰(zhàn)結(jié)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(shù)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(jīng)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(jīng)過長期反復的實踐,終于在1903年發(fā)明了飛機,使人類實現(xiàn)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(shè)計師又碰到了一個難題,就是氣體動力學中的顫振現(xiàn)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(shè)計師們?yōu)榇嘶ㄙM了巨大的精力研究消除有害的顫振現(xiàn)象,經(jīng)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(jīng)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(xiàn)在每個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.實驗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)計師高超的發(fā)明何等相似.假如設(shè)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(shè)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(shè)計師大有相見恨晚之感!
以上這三個事例發(fā)人深省,也使人們受到了很大啟發(fā).早在地球上出現(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娑窢幍拈L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(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.
【連接生物與技術(shù)的橋梁】
自從瓦特（James Watt,1736～1819）在1782年發(fā)明蒸汽機以后,人們在生產(chǎn)斗爭中獲得了強大的動力.在工業(yè)技術(shù)方面基本上解決了能量的轉(zhuǎn)換、控制和利用等問題,從而引起了第一次工業(yè)革命,各式各樣的機器如雨后春筍般的出現(xiàn),工業(yè)技術(shù)的發(fā)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脫出來.隨著技術(shù)的發(fā)展,人們在蒸汽機以后又經(jīng)歷了電氣時代并向自動化時代邁進.
20世紀40年代電子計算機的問世,更是給人類科學技術(shù)的寶庫增添了可貴的財富,它以可靠和高效的本領(lǐng)處理著人們手頭上數(shù)以萬計的各種信息,使人們從汪洋大海般的數(shù)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(chǎn)工序面前變得輕松省力,它們準確地調(diào)整、控制著生產(chǎn)程序,使產(chǎn)品規(guī)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局限性.自動裝置對外界缺乏分析和進行靈活反應的能力,如果發(fā)生任何意外的情況,自動裝置就要停止工作,甚至發(fā)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(huán)境之間能夠“通訊”,也就是使自動控制裝置具有適應內(nèi)外環(huán)境變化的能力.要解決這一難題,在工程技術(shù)中就要解決如何接受、轉(zhuǎn)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(yè)技術(shù)發(fā)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啟示.
人類要從生物系統(tǒng)中獲得啟示,首先需要研究生物和技術(shù)裝置是否存在著共同的特性.1940年出現(xiàn)的調(diào)節(jié)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(jīng)明確了機器和生物體內(nèi)的通訊、自動控制與統(tǒng)計力學等一系列的問題上都是一致的.在這樣的認識基礎(chǔ)上,1947年,一個新的學科——控制論產(chǎn)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(chuàng)始人之一維納（Norbef Wiener,1894～1964)給予控制論的定義是“關(guān)于在動物和機器中控制和通訊”的科學.雖然這個定義過于簡單,僅僅是維納關(guān)于控制論經(jīng)典著作的副題,但它直截了當?shù)匕讶藗儗ι锖蜋C器的認識聯(lián)系在了一起.
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(tǒng)內(nèi)有某些共同的規(guī)律.根據(jù)控制論研究表明,各種控制系統(tǒng)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(tǒng)工作的正常,取決于信息運 行過程的正常.所謂控制系統(tǒng)是指由被控制的對象及各種控制元件、部件、線路有機地結(jié)合成有一定控制功能的整體.從信息的觀點來看,控制系統(tǒng)就是一部信息通道的網(wǎng)絡或體系.機器與生物體內(nèi)的控制系統(tǒng)有許多共同之處,于是人們對生物自動系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的興趣,并且采用物理學的、數(shù)學的甚至是技術(shù)的模型對生物系統(tǒng)開展進一步的研究.因此,控制理論成為聯(lián)系生物學與工程技術(shù)的理論基礎(chǔ).成為溝通生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)的橋梁.
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(xiàn)在對生物體研究的不同水平上.由簡單的單細胞到復雜的器官系統(tǒng)（如神經(jīng)系統(tǒng)）都存在著各種調(diào)節(jié)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于生物體還有適應外界環(huán)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著力學的定律；它的各種結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)地進行工作；它們能對一定的信號和刺激作出定量的反應,而且能像自動控制一樣,借助于專門的反饋聯(lián)系組織以自我控制的方式進行自我調(diào)節(jié).例如我們身體內(nèi)恒定的體溫、正常的血壓、正常的血糖濃度等都是肌體內(nèi)復雜的自控制系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)的結(jié)果.控制論的產(chǎn)生和發(fā)展,為生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)的連接架起了橋梁,使許多工程人員自覺地向生物系統(tǒng)去尋求新的設(shè)計思想和原理.于是出現(xiàn)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(shù)領(lǐng)域中獲得成果,就主動學習生物科學知識.