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仿生学
仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语bion上,加上有工程技术涵义的ics而组成的词.大约从1960年才开始使用.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产生紊流）应用到潜艇设计原理上.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.
苍蝇,是细菌的传播者,谁都讨厌它.可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”,人们模仿它制成了“振动陀螺仪”.这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上,实现了自动驾驶.苍蝇的眼睛是一种“复眼”,由30O0多只小眼组成,人们模仿它制成了“蝇眼透镜”.“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.“蝇眼透镜”是一种新型光学元件,它的用途很多.
自然界形形色色的生物,都有着怎样的奇异本领?它们的种种本领,给了人类哪些启发?模仿这些本领,人类又可以造出什么样的机器?这里要介绍的一门新兴科学——仿生学.
仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学,它是在本世纪中期才出现的一门新的边缘科学.仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理,并将这些原理移植于工程技术之中,发明性能优越的仪器、装置和机器,创造新技术.从仿生学的诞生、发展,到现在短短几十年的时间内,它的研究成果已经非常可观.仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路,也就是向生物界索取蓝图的道路,它大大开阔了人们的眼界,显示了极强的生命力.
【人类仿生由来已久】
自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉.种类繁多的生物界经过长期的进化过程,使它们能适应环境的变化,从而得到生存和发展.劳动创造了人类.人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言,在长期的生产实践中,促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展.因此,人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群.人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具,从而在自然界里获得更大自由.人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上,而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物,通过创造性的劳动增加自己的本领.鱼儿在水中有自由来去的本领,人们就模仿鱼类的形体造船,以木桨仿鳍.相传早在大禹时期,我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯,他们就在船尾上架置木桨.通过反复的观察、模仿和实践,逐渐改成橹和舵,增加了船的动力,掌握了使船转弯的手段.这样,即使在波涛滚滚的江河中,人们也能让船只航行自如.
鸟儿展翅可在空中自由飞翔.据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之,三日不下”.然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中.早在四百多年前,意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖,研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行.设计和制造了一架扑翼机,这是世界上第一架人造飞行器.
以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试,可以认为是人类仿生的先驱,也是仿生学的萌芽.
【发人深省的对比】
人类仿生的行为虽然早有雏型,但是在20世纪40年代以前,人们并没有自觉地把生物作为设计思想和创造发明的源泉.科学家对于生物学的研究也只停留在描述生物体精巧的结构和完美的功能上.而工程技术人员更多的依赖于他们卓越的智慧,辛辛苦苦的努力,进行着人工发明.他们很少有意识的向生物界学习.但是,以下几个事实可以说明：人们在技术上遇到的某些难题,生物界早在千百万年前就曾出现,而且在进化过程中就已解决了,然而人类却没有从生物界得到应有的启示.
在第一次世界大战时期,出于军事上的需要,为使舰艇在水下隐蔽航行而制造出潜水艇.当工程技术人员在设计原始的潜艇时,是先用石块或铅块装在潜艇上使它下沉,如果需要升至水面,就将携带的石块或铅块扔掉,使艇身回到水面来.以后经过改进,在潜艇上采用浮箱交替充水和排水的方法来改变潜艇的重量.以后又改成压载水舱,在水舱的上部设放气阀,下面设注水阀,当水舱灌满海水时,艇身重量增加使可它潜入水中.需要紧急下潜时,还有速潜水舱,待艇身潜入水中后,再把速潜水舱内的海水排出.如果一部分压载水舱充水,另一部分空着,潜水艇可处于半潜状态.潜艇要起浮时,将压缩空气通入水舱排出海水,艇内海水重量减轻后潜艇就可以上浮.如此优越的机械装置实现了潜艇的自由沉浮.但是后来发现鱼类的沉浮系统比人们的发明要简单得多,鱼的沉浮系统仅仅是充气的鱼鳔.鳔内不受肌肉的控制,而是依靠分泌氧气进入鳔内或是重新吸收鳔内一部分氧气来调节鱼鳔中气体含量,促使鱼体自由沉浮.然而鱼类如此巧妙的沉浮系统,对于潜艇设计师的启发和帮助已经为时过迟了.
声音是人们生活中不可缺少的要素.通过语言,人们交流思想和感情,优美的音乐使人们获得艺术的享受,工程技术人员还把声学系统应用在工业生产和军事技术中,成为颇为重要的信息之一.自从潜水艇问世以来,随之而来的就是水面的舰船如何发现潜艇的位置以防偷袭；而潜艇沉入水中后,也须准确测定敌船方位和距离以利攻击.因此,在第一次世界大战期间,在海洋上,水面与水中敌对双方的斗争采用了各种手段.海军工程师们也利用声学系统作为一个重要的侦察手段.首先采用的是水听器,也称噪声测向仪,通过听测敌舰航行中所发出的噪声来发现敌舰.只要周围水域中有敌舰在航行,机器与螺旋桨推进器便发出噪声,通过水听器就能听到,能及时发现敌人.但那时的水听器很不完善,一般只能收到本身舰只的噪声,要侦听敌舰,必须减慢舰只航行速度甚至完全停车才能分辨潜艇的噪音,这样很不利于战斗行动.不久,法国科学家郎之万（1872～1946）研究成功利用超声波反射的性质来探测水下舰艇.用一个超声波发生器,向水中发出超声波后,如果遇到目标便反射回来,由接收器收到.根据接收回波的时间间隔和方位,便可测出目标的方位和距离,这就是所谓的声纳系统.人造声纳系统的发明及在侦察敌方潜水艇方面获得的突出成果,曾使人们为之惊叹不已.岂不知远在地球上出现人类之前,蝙蝠、海豚早已对“回声定位”声纳系统应用自如了.
生物在漫长的年代里就是生活在被声音包围的自然界中,它们利用声音寻食,逃避敌害和求偶繁殖.因此,声音是生物赖以生存的一种重要信息.意大利人斯帕兰赞尼很早以前就发现蝙蝠能在完全黑暗中任意飞行,既能躲避障碍物也能捕食在飞行中的昆虫,但是堵塞蝙蝠的双耳后,它们在黑暗中就寸步难行了.面对这些事实,帕兰赞尼提出了一个使人们难以接受的结论：蝙蝠能用耳朵“看东西”.第一次世界大战结束后,1920年哈台认为蝙蝠发出声音信号的频率超出人耳的听觉范围.并提出蝙蝠对目标的定位方法与第一次世界大战时郎之万发明的用超声波回波定位的方法相同.遗憾的是,哈台的提示并未引起人们的重视,而工程师们对于蝙蝠具有“回声定位”的技术是难以相信的.直到1983年采用了电子测量器,才完完全全证实蝙蝠就是以发出超声波来定位的.但是这对于早期雷达和声纳的发明已经不能有所帮助了.
另一个事例是人们对于昆虫行为为时过晚的研究.在利奥那多·达·芬奇研究鸟类飞行造出第一个飞行器400年之后,人们经过长期反复的实践,终于在1903年发明了飞机,使人类实现了飞上天空的梦想.由于不断改进,30年后人们的飞机不论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类,显示了人类的智慧和才能.但是在继续研制飞行更快更高的飞机时,设计师又碰到了一个难题,就是气体动力学中的颤振现象.当飞机飞行时,机翼发生有害的振动,飞行越快,机翼的颤振越强烈,甚至使机翼折断,造成飞机坠落,许多试飞的飞行员因而丧生.飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究消除有害的颤振现象,经过长时间的努力才找到解决这一难题的方法.就在机翼前缘的远端上安放一个加重装置,这样就把有害的振动消除了.可是,昆虫早在三亿年以前就飞翔在空中了,它们也毫不例外地受到颤振的危害,经过长期的进化,昆虫早已成功地获得防止颤振的方法.生物学家在研究蜻蜓翅膀时,发现在每个翅膀前缘的上方都有一块深色的角质加厚区——翼眼或称翅痣.如果把翼眼去掉,飞行就变得荡来荡去.实验证明正是翼眼的角质组织使蜻蜓飞行的翅膀消除了颤振的危害,这与设计师高超的发明何等相似.假如设计师们先向昆虫学习翼眼的功用,获得有益于解决颤振的设计思想,就可似避免长期的探索和人员的牺牲了.面对蜻蜓翅膀的翼眼,飞机设计师大有相见恨晚之感!
以上这三个事例发人深省,也使人们受到了很大启发.早在地球上出现人类之前,各种生物已在大自然中生活了亿万年,在它们为生存而斗争的长期进化中,获得了与大自然相适应的能力.生物学的研究可以说明,生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制,使它们具备了适应内外环境变化的能力.生物界具有许多卓有成效的本领.如体内的生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等,显示出许多机器所不可比拟的优越之处.生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠和抗干扰性实在令人惊叹不已.
【仿生学的现象】
苍蝇与宇宙飞船
令人讨厌的苍蝇,与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及,但仿生学却把它们紧密地联系起来了.
苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”,凡是腥臭污秽的地方,都有它们的踪迹.苍蝇的嗅觉特别灵敏,远在几千米外的气味也能嗅到.但是苍蝇并没有“鼻子”,它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来,苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上.
每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通,内含上百个嗅觉神经细胞.若有气味进入“鼻孔”,这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲,送往大脑.大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同,就可区别出不同气味的物质.因此,苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪.
仿生学家由此得到启发,根据苍蝇嗅觉器的结构和功能,仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪.这种仪器的“探头”不是金属,而是活的苍蝇.就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上,将引导出来的神经电信号经电子线路放大后,送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号,便能发出警报.这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里,用来检测舱内气体的成分.
这种小型气体分析仪,也可测量潜水艇和矿井里的有害气体.利用这种原理,还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中.
从萤火虫到人工冷光
自从人类发明了电灯,生活变得方便、丰富多了.但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光,其余大部分都以热能的形式浪费掉了,而且电灯的热射线有害于人眼.那么,有没有只发光不发热的光源呢? 人类又把目光投向了大自然.
在自然界中,有许多生物都能发光,如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等,而且这些动物发出的光都不产生热,所以又被称为“冷光”.
在众多的发光动物中,萤火虫是其中的一类.萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色,光的亮度也各不相同.萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率,而且发出的冷光一般都很柔和,很适合人类的眼睛,光的强度也比较高.因此,生物光是一种人类理想的光.
科学家研究发现,萤火虫的发光器位于腹部.这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成.发光层拥有几千个发光细胞,它们都含有荧光素和荧光酶两种物质.在荧光酶的作用下,荧光素在细胞内水分的参与下,与氧化合便发出荧光.萤火虫的发光,实质上是把化学能转变成光能的过程.
早在40年代,人们根据对萤火虫的研究,创造了日光灯,使人类的照明光源发生了很大变化.近年来,科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素,后来又分离出了荧光酶,接着,又用化学方法人工合成了荧光素.由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯.由于这种光没有电源,不会产生磁场,因而可以在生物光源的照明下,做清除磁性水雷等工作.
现在,人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光,作为安全照明用.
电鱼与伏特电池
自然界中有许多生物都能产生电,仅仅是鱼类就有500余种 .人们将这些能放电的鱼,统称为“电鱼”.
各种电鱼放电的本领各不相同.放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗.中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压,有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压,称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动物.
电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究, 终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官.这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的.由于电鱼的种类不同,所以发电器的形状、位置、电板数都不一样.电鳗的发电器呈棱形,位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的发电器形似扁平的肾脏,排列在身体中线两侧,共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体,位于皮肤与肌肉之间,约有500万块电板.单个电板产生的电压很微弱,但由于电板很多,产生的电压就很大了.
电鱼这种非凡的本领,引起了人们极大的兴趣.19世纪初,意大利物理学家伏特,以电鱼发电器官为模型,设计出世界上最早的伏打电池.因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”.对电鱼的研究,还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官,那么,船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决.
水母的顺风耳
“燕子低飞行将雨,蝉鸣雨中天放晴.”生物的行为与天气的变化有一定关系.沿海渔民都知道,生活在沿岸的鱼和水母成批地游向大海,就预示着风暴即将来临.
水母,又叫海蜇,是一种古老的腔肠动物,早在5亿年前,它就漂浮在海洋里了.这种低等动物有预测风暴的本能,每当风暴来临前,它就游向大海避难去了.
原来,在蓝色的海洋上,由空气和波浪摩擦而产生的次声波 (频率为每秒8—13次),总是风暴来临的前奏曲.这种次声波人耳无法听到,小小的水母却很敏感.仿生学家发现,水母的耳朵的共振腔里长着一个细柄,柄上有个小球,球内有块小小的听石,当风暴前的次声波冲击水母耳中的听石时,听石就刺激球壁上的神经感受器,于是水母就听到了正在来临的风暴的隆隆声.
仿生学家仿照水母耳朵的结构和功能,设计了水母耳风暴预测仪,相当精确地模拟了水母感受次声波的器官.把这种仪器安装在舰船的前甲板上,当接受到风暴的次声波时,可令旋转360°的喇叭自行停止旋转,它所指的方向,就是风暴前进的方向；指示器上的读数即可告知风暴的强度.这种预测仪能提前15小时对风暴作出预报,对航海和渔业的安全都有重要意义.
-- 结构构件
对于构件,在截面面积相同的情况下,把材料尽可能放到远离中和轴的位置上,是有效的截面形状.有趣的是,在自然界许多动植物的组织中也体现了这个结论.例如：“疾风知劲草”,许多能承受狂风的植物的茎部是维管状结构,其截面是空心的.支持人承重和运动的骨骼,其截面上密实的骨质分布在四周,而柔软的骨髓充满内腔.在建筑结构中常被采用的空心楼板、箱形大梁、工形截面钣梁以及折板结构、空间薄壁结构等都是根据这条结论得来的.
-- 斑马
斑马生活在非洲大陆,外形与一般的马没有什么两样,它们身上的条纹是为适应生存环境而衍化出来的保护色.在所有斑马中,细斑马长得最大最美.它的肩高140-160厘米,耳朵又圆又大,条纹细密且多.斑马常与草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及鸵鸟等共外,以抵御天敌.人类将斑马条纹应用到到军事上是一个是很成功仿生学例子.
补充-- 最新发展：
仿生学与遗传学的整合是系统生物工程（systems bio-engineering）的理念,也就是发展遗传工程的仿生学.人工基因重组、转基因技术是自然重组、基因转移的模仿,还天然药物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生,人工神经元、神经网络、细胞自动机是细胞系统水平的仿生,跟随单基因遗传学、单基因转移发展到多基因系统调控研究的系统遗传学（system genetics）、多基因转基因的合成生物学（synthetic biology）,以及纳米生物技术（nano-biotechnology）、生物计算（bio - computation、DNA计算机技术的系统生物工程发展,仿生学已经全面发展到一个从分子、细胞到器官的人工生物系统（artificial biosystem）开发的时代.