學(xué)
仿生學(xué)（bionics）在具有生命之意的希臘語bion上,加上有工程技術(shù)涵義的ics而組成的詞.大約從1960年才開始使用.生物具有的功能迄今比任何人工制造的機(jī)械都優(yōu)越得多,仿生學(xué)就是要在工程上實(shí)現(xiàn)并有效地應(yīng)用生物功能的一門學(xué)科.例如關(guān)于信息接受（感覺功能）、信息傳遞（神經(jīng)功能）、自動(dòng)控制系統(tǒng)等,這種生物體的結(jié)構(gòu)與功能在機(jī)械設(shè)計(jì)方面給了很大啟發(fā).可舉出的仿生學(xué)例子,如將海豚的體形或皮膚結(jié)構(gòu)（游泳時(shí)能使身體表面不產(chǎn)生紊流）應(yīng)用到潛艇設(shè)計(jì)原理上.仿生學(xué)也被認(rèn)為是與控制論有密切關(guān)系的一門學(xué)科,而控制論主要是將生命現(xiàn)象和機(jī)械原理加以比較,進(jìn)行研究和解釋的一門學(xué)科.
蒼蠅,是細(xì)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(dǎo)航儀”,人們模仿它制成了“振動(dòng)陀螺儀”.這種儀器目前已經(jīng)應(yīng)用在火箭和高速飛機(jī)上,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛.蒼蠅的眼睛是一種“復(fù)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(jī)”,一次就能照出千百張相同的相片.這種照相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版和大量復(fù)制電子計(jì)算機(jī)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(xué)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(jī)器?這里要介紹的一門新興科學(xué)——仿生學(xué).
仿生學(xué)是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學(xué),它是在本世紀(jì)中期才出現(xiàn)的一門新的邊緣科學(xué).仿生學(xué)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(jī)器,創(chuàng)造新技術(shù).從仿生學(xué)的誕生、發(fā)展,到現(xiàn)在短短幾十年的時(shí)間內(nèi),它的研究成果已經(jīng)非?？捎^.仿生學(xué)的問世開辟了獨(dú)特的技術(shù)發(fā)展道路,也就是向生物界索取藍(lán)圖的道路,它大大開闊了人們的眼界,顯示了極強(qiáng)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(jìn)化過程,使它們能適應(yīng)環(huán)境的變化,從而得到生存和發(fā)展.勞動(dòng)創(chuàng)造了人類.人類以自己直立的身軀、能勞動(dòng)的雙手、交流情感和思想的語言,在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中,促進(jìn)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過生物界的所有類群.人類通過勞動(dòng)運(yùn)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(rèn)識(shí)生物界上,而且還運(yùn)用人類所獨(dú)有的思維和設(shè)計(jì)能力模仿生物,通過創(chuàng)造性的勞動(dòng)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(shí)期,我國古代勞動(dòng)人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎,他們就在船尾上架置木槳.通過反復(fù)的觀察、模仿和實(shí)踐,逐漸改成櫓和舵,增加了船的動(dòng)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(dá)·芬奇和他的助手對(duì)鳥類進(jìn)行仔細(xì)的解剖,研究鳥的身體結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥類的飛行.設(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī),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(rèn)為是人類仿生的先驅(qū),也是仿生學(xué)的萌芽.
【發(fā)人深省的對(duì)比】
人類仿生的行為雖然早有雛型,但是在20世紀(jì)40年代以前,人們并沒有自覺地把生物作為設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)造發(fā)明的源泉.科學(xué)家對(duì)于生物學(xué)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(jìn)行著人工發(fā)明.他們很少有意識(shí)的向生物界學(xué)習(xí).但是,以下幾個(gè)事實(shí)可以說明：人們?cè)诩夹g(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(jìn)化過程中就已解決了,然而人類卻沒有從生物界得到應(yīng)有的啟示.
在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)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(dāng)工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)原始的潛艇時(shí),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(jìn),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(dāng)水艙灌滿海水時(shí),艇身重量增加使可它潛入水中.需要緊急下潛時(shí),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(shí),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(jī)械裝置實(shí)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(jìn)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(duì)于潛艇設(shè)計(jì)師的啟發(fā)和幫助已經(jīng)為時(shí)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(xué)系統(tǒng)應(yīng)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(zhǔn)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(duì)雙方的斗爭采用了各種手段.海軍工程師們也利用聲學(xué)系統(tǒng)作為一個(gè)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(jī)器與螺旋槳推進(jìn)器便發(fā)出噪聲,通過水聽器就能聽到,能及時(shí)發(fā)現(xiàn)敵人.但那時(shí)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(dòng).不久,法國科學(xué)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(gè)超聲波發(fā)生器,向水中發(fā)出超聲波后,如果遇到目標(biāo)便反射回來,由接收器收到.根據(jù)接收回波的時(shí)間間隔和方位,便可測出目標(biāo)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(yuǎn)在地球上出現(xiàn)人類之前,蝙蝠、海豚早已對(duì)“回聲定位”聲納系統(tǒng)應(yīng)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?cè)诤诎抵芯痛绮诫y行了.面對(duì)這些事實(shí),帕蘭贊尼提出了一個(gè)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(tái)認(rèn)為蝙蝠發(fā)出聲音信號(hào)的頻率超出人耳的聽覺范圍.并提出蝙蝠對(duì)目標(biāo)的定位方法與第一次世界大戰(zhàn)時(shí)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(tái)的提示并未引起人們的重視,而工程師們對(duì)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(shí)蝙蝠就是以發(fā)出超聲波來定位的.但是這對(duì)于早期雷達(dá)和聲納的發(fā)明已經(jīng)不能有所幫助了.
另一個(gè)事例是人們對(duì)于昆蟲行為為時(shí)過晚的研究.在利奧那多·達(dá)·芬奇研究鳥類飛行造出第一個(gè)飛行器400年之后,人們經(jīng)過長期反復(fù)的實(shí)踐,終于在1903年發(fā)明了飛機(jī),使人類實(shí)現(xiàn)了飛上天空的夢想.由于不斷改進(jìn),30年后人們的飛機(jī)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(jī)時(shí),設(shè)計(jì)師又碰到了一個(gè)難題,就是氣體動(dòng)力學(xué)中的顫振現(xiàn)象.當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí),機(jī)翼發(fā)生有害的振動(dòng),飛行越快,機(jī)翼的顫振越強(qiáng)烈,甚至使機(jī)翼折斷,造成飛機(jī)墜落,許多試飛的飛行員因而喪生.飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?yōu)榇嘶ㄙM(fèi)了巨大的精力研究消除有害的顫振現(xiàn)象,經(jīng)過長時(shí)間的努力才找到解決這一難題的方法.就在機(jī)翼前緣的遠(yuǎn)端上安放一個(gè)加重裝置,這樣就把有害的振動(dòng)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(jìn)化,昆蟲早已成功地獲得防止顫振的方法.生物學(xué)家在研究蜻蜓翅膀時(shí),發(fā)現(xiàn)在每個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jì)師高超的發(fā)明何等相似.假如設(shè)計(jì)師們先向昆蟲學(xué)習(xí)翼眼的功用,獲得有益于解決顫振的設(shè)計(jì)思想,就可似避免長期的探索和人員的犧牲了.面對(duì)蜻蜓翅膀的翼眼,飛機(jī)設(shè)計(jì)師大有相見恨晚之感!
以上這三個(gè)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(jìn)化中,獲得了與大自然相適應(yīng)的能力.生物學(xué)的研究可以說明,生物在進(jìn)化過程中形成的極其精確和完善的機(jī)制,使它們具備了適應(yīng)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(duì)外界的識(shí)別、導(dǎo)航、定向計(jì)算和綜合等,顯示出許多機(jī)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(shí)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(jī)以后,人們?cè)谏a(chǎn)斗爭中獲得了強(qiáng)大的動(dòng)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(jī)器如雨后春筍般的出現(xiàn),工業(yè)技術(shù)的發(fā)展極大地?cái)U(kuò)大和增強(qiáng)了人的體能,使人們從繁重的體力勞動(dòng)解脫出來.隨著技術(shù)的發(fā)展,人們?cè)谡羝麢C(jī)以后又經(jīng)歷了電氣時(shí)代并向自動(dòng)化時(shí)代邁進(jìn).
20世紀(jì)40年代電子計(jì)算機(jī)的問世,更是給人類科學(xué)技術(shù)的寶庫增添了可貴的財(cái)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(jì)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(jì)算機(jī)和自動(dòng)裝置可以使人們?cè)诜彪s的生產(chǎn)工序面前變得輕松省力,它們準(zhǔn)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(dòng)控制裝置是按人們制定的固定程序進(jìn)行工作的,這就使它的控制能力具有很大的局限性.自動(dòng)裝置對(duì)外界缺乏分析和進(jìn)行靈活反應(yīng)的能力,如果發(fā)生任何意外的情況,自動(dòng)裝置就要停止工作,甚至發(fā)生意外事故,這就是自動(dòng)裝置本身所具有的嚴(yán)重缺點(diǎn).要克服這種缺點(diǎn),無非是使機(jī)器各部件之間,機(jī)器與環(huán)境之間能夠“通訊”,也就是使自動(dòng)控制裝置具有適應(yīng)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(gè)主要矛盾.如何解決這個(gè)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(jī)器在一般意義上進(jìn)行對(duì)比.到1944年,一些科學(xué)家已經(jīng)明確了機(jī)器和生物體內(nèi)的通訊、自動(dòng)控制與統(tǒng)計(jì)力學(xué)等一系列的問題上都是一致的.在這樣的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上,1947年,一個(gè)新的學(xué)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(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊”的科學(xué).雖然這個(gè)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(dāng)?shù)匕讶藗儗?duì)生物和機(jī)器的認(rèn)識(shí)聯(lián)系在了一起.
控制論的基本觀點(diǎn)認(rèn)為,動(dòng)物（尤其是人）與機(jī)器（包括各種通訊、控制、計(jì)算的自動(dòng)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(yùn) 行過程的正常.所謂控制系統(tǒng)是指由被控制的對(duì)象及各種控制元件、部件、線路有機(jī)地結(jié)合成有一定控制功能的整體.從信息的觀點(diǎn)來看,控制系統(tǒng)就是一部信息通道的網(wǎng)絡(luò)或體系.機(jī)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(duì)生物自動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的興趣,并且采用物理學(xué)的、數(shù)學(xué)的甚至是技術(shù)的模型對(duì)生物系統(tǒng)開展進(jìn)一步的研究.因此,控制理論成為聯(lián)系生物學(xué)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(jī)器之間確實(shí)有很明顯的相似之處,這些相似之處可以表現(xiàn)在對(duì)生物體研究的不同水平上.由簡單的單細(xì)胞到復(fù)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(dòng)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(jī)器,和其它機(jī)器的不同就在于生物體還有適應(yīng)外界環(huán)境和自我繁殖的能力.也可以把生物體比作一個(gè)自動(dòng)化的工廠,它的各項(xiàng)功能都遵循著力學(xué)的定律；它的各種結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作；它們能對(duì)一定的信號(hào)和刺激作出定量的反應(yīng),而且能像自動(dòng)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(jìn)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(fù)雜的自控制系統(tǒng)進(jìn)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(jì)思想和原理.于是出現(xiàn)了這樣一個(gè)趨勢,工程師為了和生物學(xué)家在共同合作的工程技術(shù)領(lǐng)域中獲得成果,就主動(dòng)學(xué)習(xí)生物科學(xué)知識(shí).
【仿生學(xué)的誕生】
隨著生產(chǎn)的需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,從50年代以來,人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到生物系統(tǒng)是開辟新技術(shù)的主要途徑之一,自覺地把生物界作為各種技術(shù)思想、設(shè)計(jì)原理和創(chuàng)造發(fā)明的源泉.人們用化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)以及技術(shù)模型對(duì)生物系統(tǒng)開展著深入的研究,促進(jìn)了生物學(xué)的極大發(fā)展,對(duì)生物體內(nèi)功能機(jī)理的研究也取得了迅速的進(jìn)展.此時(shí)模擬生物不再是引人入勝的幻想,而成了可以做到的事實(shí).生物學(xué)家和工程師們積極合作,開始將從生物界獲得的知識(shí)用來改善舊的或創(chuàng)造新的工程技術(shù)設(shè)備.生物學(xué)開始跨入各行各業(yè)技術(shù)革新和技術(shù)革命的行列,而且首先在自動(dòng)控制、航空、航海等軍事部門取得了成功.于是生物學(xué)和工程技術(shù)學(xué)科結(jié)合在一起,互相滲透孕育出一門新生的科學(xué)——仿生學(xué).
仿生學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)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(xué)會(huì)議.會(huì)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(shè)計(jì)上去嗎?”斯梯爾為新興的科學(xué)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(xué),1963年我國將“Bionics”譯為“仿生學(xué)”.斯梯爾把仿生學(xué)定義為“模仿生物原理來建造技術(shù)系統(tǒng),或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或類似于生物特征的科學(xué)”.簡言之,仿生學(xué)就是模仿生物的科學(xué).確切地說,仿生學(xué)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(yīng)用到技術(shù)系統(tǒng),改善已有的技術(shù)工程設(shè)備,并創(chuàng)造出新的工藝過程、建筑構(gòu)型、自動(dòng)化裝置等技術(shù)系統(tǒng)的綜合性科學(xué).從生物學(xué)的角度來說,仿生學(xué)屬于“應(yīng)用生物學(xué)”的一個(gè)分支；從工程技術(shù)方面來看,仿生學(xué)根據(jù)對(duì)生物系統(tǒng)的研究,為設(shè)計(jì)和建造新的技術(shù)設(shè)備提供了新原理、新方法和新途徑.仿生學(xué)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(jì)的接近于生物系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng),為人類造福.
【仿生學(xué)的研究方法與內(nèi)容】
仿生學(xué)是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)學(xué)相互滲透而結(jié)合成的一門新興的邊緣科學(xué).第一屆仿生學(xué)會(huì)議為仿生學(xué)確定了一個(gè)有趣而形象的標(biāo)志：一個(gè)巨大的積分符號(hào),把解剖刀和電烙鐵“積分”在一起.這個(gè)符號(hào)的含義不僅顯示出仿生學(xué)的組成,而且也概括表達(dá)了仿生學(xué)的研究途徑.
仿生學(xué)的任務(wù)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(yīng)用這些原理去設(shè)計(jì)和制造新的技術(shù)設(shè)備.
仿生學(xué)的主要研究方法就是提出模型,進(jìn)行模擬.其研究程序大致有以下三個(gè)階段：
首先是對(duì)生物原型的研究.根據(jù)生產(chǎn)實(shí)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(duì)技術(shù)要求有益的內(nèi)容,取消與生產(chǎn)技術(shù)要求無關(guān)的因素,得到一個(gè)生物模型；第二階段是將生物模型提供的資料進(jìn)行數(shù)學(xué)分析,并使其內(nèi)在的聯(lián)系抽象化,用數(shù)學(xué)的語言把生物模型“翻譯”成具有一定意義的數(shù)學(xué)模型；最后數(shù)學(xué)模型制造出可在工程技術(shù)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)物模型.當(dāng)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(shí)踐——認(rèn)識(shí)——再實(shí)踐的多次重復(fù),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(jī)器設(shè)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(jī)在許多方面都超過了鳥類的飛行能力,電子計(jì)算機(jī)在復(fù)雜的計(jì)算中要比人的計(jì)算能力迅速而可靠.
仿生學(xué)的基本研究方法使它在生物學(xué)的研究中表現(xiàn)出一個(gè)突出的特點(diǎn),就是整體性.從仿生學(xué)的整體來看,它把生物看成是一個(gè)能與內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行聯(lián)系和控制的復(fù)雜系統(tǒng).它的任務(wù)就是研究復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的相互關(guān)系以及整個(gè)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(fù)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(jìn)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(yīng)和進(jìn)化.長期的進(jìn)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(xué)要研究生物體與外界刺激（輸入信息）之間的定量關(guān)系,即著重于數(shù)量關(guān)系的統(tǒng)一性,才能進(jìn)行模擬.為達(dá)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(xué)的研究方法必須著重于整體.
仿生學(xué)的研究內(nèi)容是極其豐富多彩的,因?yàn)樯锝绫旧砭桶汕先f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(xué)問世以來的二十幾年內(nèi),仿生學(xué)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(jī)械仿生、建筑仿生、化學(xué)仿生等.隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展,學(xué)科分支繁多,在仿生學(xué)中相應(yīng)地開展對(duì)口的技術(shù)仿生研究.例如：航海部門對(duì)水生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的流體力學(xué)的研究；航空部門對(duì)鳥類、昆蟲飛行的模擬、動(dòng)物的定位與導(dǎo)航；工程建筑對(duì)生物力學(xué)的模擬；無線電技術(shù)部門對(duì)于人神經(jīng)細(xì)胞、感覺器宮和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬；計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)于腦的模擬似及人工智能的研究等.在第一屆仿生學(xué)會(huì)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(diǎn)”、“設(shè)計(jì)生物計(jì)算機(jī)中的問題”、“用機(jī)器識(shí)別圖像”、“學(xué)習(xí)的機(jī)器”等.從中可以看出以電子仿生的研究比較廣泛.仿生學(xué)的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究,即動(dòng)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(jī)械仿生和化學(xué)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(xué)、分子仿生學(xué)和宇宙仿生學(xué)等.
總之,仿生學(xué)的研究內(nèi)容,從模擬微觀世界的分子仿生學(xué)到宏觀的宇宙仿生學(xué)包括了更為廣泛的內(nèi)容.而當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)正是處于一個(gè)各種自然科學(xué)高度綜合和互相交叉、滲透的新時(shí)代,仿生學(xué)通過模擬的方法把對(duì)生命的研究和實(shí)踐結(jié)合起來,同時(shí)對(duì)生物學(xué)的發(fā)展也起了極大的促進(jìn)作用.在其它學(xué)科的滲透和影響下,使生物科學(xué)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(xué)的發(fā)展又是以仿生學(xué)為渠道向各種自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)輸送寶貴的資料和豐富的營養(yǎng),加速科學(xué)的發(fā)展.閃此,仿生學(xué)的科研顯示出無窮的生命力,它的發(fā)展和成就將為促進(jìn)世界整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn).
【仿生學(xué)的研究范圍】
仿生學(xué)的研究范圍主要包括：力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等.
◇力學(xué)仿生,是研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì),以及生物體各組成部分在體內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和生物體在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì).例如,建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑,模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱,既消除應(yīng)力特別集中的區(qū)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(jié)構(gòu),把人工海豚皮包敷在船艦外殼上,可減少航行揣流,提高航速；
◇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(xué)結(jié)構(gòu)后,合成了一種類似有機(jī)化合物,在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克,便可誘殺雄蟲；
◇能量仿生,是研究與模仿生物電器官生物發(fā)光、肌肉直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能等生物體中的能量轉(zhuǎn)換過程；
◇信息與控制仿生,是研究與模擬感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及高級(jí)中樞的智能活動(dòng)等方面生物體中的信息處理過程.例如,根據(jù)象鼻蟲視動(dòng)反應(yīng)制成的“自相關(guān)測速儀”可測定飛機(jī)著陸速度.根據(jù)鱟復(fù)眼視網(wǎng)膜側(cè)抑制網(wǎng)絡(luò)的工作原理,研制成功可增強(qiáng)圖像輪廓、提高反差、從而有助于模糊目標(biāo)檢測的—些裝置.已建立的神經(jīng)元模型達(dá)100種以上,并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出新型計(jì)算機(jī).
模仿人類學(xué)習(xí)過程,制造出一種稱為“感知機(jī)”的機(jī)器,它可以通過訓(xùn)練,改變?cè)g聯(lián)系的權(quán)重來進(jìn)行學(xué)習(xí),從而能實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別.此外,它還研究與模擬體內(nèi)穩(wěn)態(tài),運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)物的定向與導(dǎo)航等生物系統(tǒng)中的控制機(jī)制,以及人-機(jī)系統(tǒng)的仿生學(xué)方面.
某些文獻(xiàn)中,把分子仿生與能量仿生的部分內(nèi)容稱為化學(xué)仿生,而把信息和控制仿生的部分內(nèi)容稱為神經(jīng)仿生.
仿生學(xué)的范圍很廣,信息與控制仿生是一個(gè)主要領(lǐng)域.一方面由于自動(dòng)化向智能控制發(fā)展的需要,另一方面是由于生物科學(xué)已發(fā)展到這樣一個(gè)階段,使研究大腦已成為對(duì)神經(jīng)科學(xué)最大的挑戰(zhàn).人工智能和智能機(jī)器人研究的仿生學(xué)方面——生物模式識(shí)別的研究,大腦學(xué)習(xí)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(xié)調(diào)問題等——是仿生學(xué)研究的主攻方面.
控制與信息仿生和生物控制論關(guān)系密切.兩者都研究生物系統(tǒng)中的控制和信息過程,都運(yùn)用生物系統(tǒng)的模型.但前者的目的主要是構(gòu)造實(shí)用人造硬件系統(tǒng)；而生物控制論則從控制論的一般原理,從技術(shù)科學(xué)的理論出發(fā),為生物行為尋求解釋.
最廣泛地運(yùn)用類比、模擬和模型方法是仿生學(xué)研究方法的突出特點(diǎn).其目的不在于直接復(fù)制每一個(gè)細(xì)節(jié),而是要理解生物系統(tǒng)的工作原理,以實(shí)現(xiàn)特定功能為中心目的.—般認(rèn)為,在仿生學(xué)研究中存在下列三個(gè)相關(guān)的方面：生物原型、數(shù)學(xué)模型和硬件模型.前者是基礎(chǔ),后者是目的,而數(shù)學(xué)模型則是兩者之間必不可少的橋梁.
由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性,搞清某種生物系統(tǒng)的機(jī)制需要相當(dāng)長的研究周期,而且解決實(shí)際問題需要多學(xué)科長時(shí)間的密切協(xié)作,這是限制仿生學(xué)發(fā)展速度的主要原因.