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?它們的種種本領,給了人類哪些啟發(fā)?模仿這些本領,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之中,發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機器,創(chuàng)造新技術.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計能力模仿生物,通過創(chuàng)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,在水艙的上部設放氣閥,下面設注水閥,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的享受,工程技術人員還把聲學系統(tǒng)應用在工業(yè)生產(chǎn)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(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,這與設計師高超的發(fā)明何等相似.假如設計師們先向昆蟲學習翼眼的功用,獲得有益于解決顫振的設計思想,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.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的寶庫增添了可貴的財富,它以可靠和高效的本領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的理論基礎.成為溝通生物系統(tǒng)與技術系統(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領域中獲得成果,就主動學習生物科學知識.
仿生學的誕生
隨著生產(chǎn)的需要和科學技術的發(fā)展,從50年代以來,人們已經(jīng)認識到生物系統(tǒng)是開辟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(chuàng)造發(fā)明的源泉.人們用化學、物理學、數(shù)學以及技術模型對生物系統(tǒng)開展著深入的研究,促進了生物學的極大發(fā)展,對生物體內(nèi)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(chuàng)造新的工程技術設備.生物學開始跨入各行各業(yè)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.于是生物學和工程技術學科結(jié)合在一起,互相滲透孕育出一門新生的科學——仿生學.
仿生學作為一門獨立的學科,于1960年9月正式誕生.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(tǒng)所得到的概念能夠用到人工制造的信息加工系統(tǒng)的設計上去嗎?”斯梯爾為新興的科學命名為“Bionics”,希臘文的意思代表著研究生命系統(tǒng)功能的科學,1963年我國將“Bionics”譯為“仿生學”.斯梯爾把仿生學定義為“模仿生物原理來建造技術系統(tǒng),或者使人造技術系統(tǒng)具有或類似于生物特征的科學”.簡言之,仿生學就是模仿生物的科學.確切地說,仿生學是研究生物系統(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,并把它們應用到技術系統(tǒng),改善已有的技術工程設備,并創(chuàng)造出新的工藝過程、建筑構(gòu)型、自動化裝置等技術系統(tǒng)的綜合性科學.從生物學的角度來說,仿生學屬于“應用生物學”的一個分支；從工程技術方面來看,仿生學根據(jù)對生物系統(tǒng)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(jīng)濟的接近于生物系統(tǒng)的技術系統(tǒng),為人類造福.
仿生學的研究方法與內(nèi)容
仿生學是生物學、數(shù)學和工程技術學相互滲透而結(jié)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志：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(tǒng)的優(yōu)異能力及產(chǎn)生的原理,并把它模式化,然后應用這些原理去設計和制造新的技術設備.
仿生學的主要研究方法就是提出模型,進行模擬.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(jù)生產(chǎn)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(nèi)容,取消與生產(chǎn)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(shù)學分析,并使其內(nèi)在的聯(lián)系抽象化,用數(shù)學的語言把生物模型“翻譯”成具有一定意義的數(shù)學模型；最后數(shù)學模型制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(chuàng)新.經(jīng)過實踐——認識——再實踐的多次重復,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,使最終建成的機器設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.例如今天的飛機在許多方面都超過了鳥類的飛行能力,電子計算機在復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(xiàn)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(nèi)外環(huán)境進行聯(lián)系和控制的復雜系統(tǒng).它的任務就是研究復雜系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的相互關系以及整個系統(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,才能進行生長和繁殖；生物從環(huán)境中接受信息,不斷地調(diào)整和綜合,才能適應和進化.長期的進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.仿生學要研究生物體與外界刺激（輸入信息）之間的定量關系,即著重于數(shù)量關系的統(tǒng)一性,才能進行模擬.為達到此目的,采用任何局部的方法都不能獲得滿意的效果.因此,仿生學的研究方法必須著重于整體.
仿生學的研究內(nèi)容是極其豐富多彩的,因為生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.自從仿生學問世以來的二十幾年內(nèi),仿生學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、機械仿生、建筑仿生、化學仿生等.隨著現(xiàn)代工程技術的發(fā)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；工程建筑對生物力學的模擬；無線電技術部門對于人神經(jīng)細胞、感覺器宮和神經(jīng)網(wǎng)絡的模擬；計算機技術對于腦的模擬似及人工智能的研究等.在第一屆仿生學會議上發(fā)表的比較典型的課題有：“人造神經(jīng)元有什么特點”、“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(jīng)元、神經(jīng)系統(tǒng)的整體作用.以后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(xiàn)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(nèi)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(nèi)容.而當今的科學技術正是處于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(jié)合起來,同時對生物學的發(fā)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(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.生物科學的發(fā)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(yǎng),加速科學的發(fā)展.閃此,仿生學的科研顯示出無窮的生命力,它的發(fā)展和成就將為促進世界整體科學技術的發(fā)展做出巨大的貢獻.