仿生学资料

动物仿生学

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动物仿生学

【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

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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

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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.

【连接生物与技术的桥梁】

自从瓦特(JamesWatt,1736～1819)在1782年发明蒸汽机以

后,人们在生产斗争中获得了强大的动力.在工业技术方面

基本上解决了能量的转换、控制和利用等问题,从而引起了

第一次工业革命,各式各样的机器如雨后春笋般的出现,工

业技术的发展极大地扩大和增强了人的体能,使人们从繁重

的体力劳动解脱出来.随着技术的发展,人们在蒸汽机以后

又经历了电气时代并向自动化时代迈进.

20世纪40年代电子计算机的问世,更是给人类科学技术的

宝库增添了可贵的财富,它以可靠和高效的本领处理着人们

手头上数以万计的各种信息,使人们从汪洋大海般的数字、

信息中解放出来,使用计算机和自动装置可以使人们在繁杂

的生产工序面前变得轻松省力,它们准确地调整、控制着生

产程序,使产品规格精确.但是,自动控制装置是按人们制定

的固定程序进行工作的,这就使它的控制能力具有很大的局

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限性.自动装置对外界缺乏分析和进行灵活反应的能力,如

果发生任何意外的情况,自动装置就要停止工作,甚至发生

意外事故,这就是自动装置本身所具有的严重缺点.要克服

这种缺点,无非是使机器各部件之间,机器与环境之间能够

“通讯”,也就是使自动控制装置具有适应内外环境变化的

能力.要解决这一难题,在工程技术中就要解决如何接受、转

换.利用和控制信息的问题.因此,信息的利用和控制就成为

工业技术发展的一个主要矛盾.如何解决这个矛盾呢?生物

界给人类提供了有益的启示.

人类要从生物系统中获得启示,首先需要研究生物和技术装

置是否存在着共同的特性.1940年出现的调节理论,将生物

与机器在一般意义上进行对比.到1944年,一些科学家已经

明确了机器和生物体内的通讯、自动控制与统计力学等一系

列的问题上都是一致的.在这样的认识基础上,1947年,一个

新的学科——控制论产生了.

控制论(Cybernetics)是从希腊文而来,原意是“掌舵人”.

按照控制论的创始人之一维纳(NorbefWiener,1894～1964)

给予控制论的定义是“关于在动物和机器中控制和通讯”

的科学.虽然这个定义过于简单,仅仅是维纳关于控制论经

典著作的副题,但它直截了当地把人们对生物和机器的认识

联系在了一起.

控制论的基本观点认为,动物(尤其是人)与机器(包括各种

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通讯、控制、计算的自动化装置)之间有一定的共体,也就是

在它们具备的控制系统内有某些共同的规律.根据控制论研

究表明,各种控制系统的控制过程都包含有信息的传递、变

换与加工过程.控制系统工作的正常,取决于信息运行过程

的正常.所谓控制系统是指由被控制的对象及各种控制元

件、部件、线路有机地结合成有一定控制功能的整体.从信

息的观点来看,控制系统就是一部信息通道的网络或体系.

机器与生物体内的控制系统有许多共同之处,于是人们对生

物自动系统产生了极大的兴趣,并且采用物理学的、数学的

甚至是技术的模型对生物系统开展进一步的研究.因此,控

制理论成为联系生物学与工程技术的理论基础.成为沟通生

物系统与技术系统的桥梁.

生物体和机器之间确实有很明显的相似之处,这些相似之处

可以表现在对生物体研究的不同水平上.由简单的单细胞到

复杂的器官系统(如神经系统)都存在着各种调节和自动控

制的生理过程.我们可以把生物体看成是一种具有特殊能力

的机器,和其它机器的不同就在于生物体还有适应外界环境

和自我繁殖的能力.也可以把生物体比作一个自动化的工厂,

它的各项功能都遵循着力学的定律;它的各种结构协调地进

行工作;它们能对一定的信号和刺激作出定量的反应,而且

能像自动控制一样,借助于专门的反馈联系组织以自我控制

的方式进行自我调节.例如我们身体内恒定的体温、正常的

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血压、正常的血糖浓度等都是肌体内复杂的自控制系统进行

调节的结果.控制论的产生和发展,为生物系统与技术系统

的连接架起了桥梁,使许多工程人员自觉地向生物系统去寻

求新的设计思想和原理.于是出现了这样一个趋势,工程师

为了和生物学家在共同合作的工程技术领域中获得成果,就

主动学习生物科学知识.

【仿生学的诞生】

随着生产的需要和科学技术的发展,从50年代以来,人们已

经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一,自觉地把

生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉.人

们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深

入的研究,促进了生物学的极大发展,对生物体内功能机理

的研究也取得了迅速的进展.此时模拟生物不再是引人入胜

的幻想,而成了可以做到的事实.生物学家和工程师们积极

合作,开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的

工程技术设备.生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革

命的行列,而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取

得了成功.于是生物学和工程技术学科结合在一起,互相渗

透孕育出一门新生的科学——仿生学.

仿生学作为一门独立的学科,于1960年9月正式诞生.由美

国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿

生学会议.会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的

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概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗?”斯

梯尔为新兴的科学命名为“Bionics”,希腊文的意思代表

着研究生命系统功能的科学,1963年我国将“Bionics”译

为“仿生学”.斯梯尔把仿生学定义为“模仿生物原理来建

造技术系统,或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的

科学”.简言之,仿生学就是模仿生物的科学.确切地说,仿

生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息

控制等各种优异的特征,并把它们应用到技术系统,改善已

有的技术工程设备,并创造出新的工艺过程、建筑构型、自

动化装置等技术系统的综合性科学.从生物学的角度来说,

仿生学属于“应用生物学”的一个分支;从工程技术方面来

看,仿生学根据对生物系统的研究,为设计和建造新的技术

设备提供了新原理、新方法和新途径.仿生学的光荣使命就

是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生

物系统的技术系统,为人类造福.

【仿生学的研究方法与内容】

仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一

门新兴的边缘科学.第一届仿生学会议为仿生学确定了一个

有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号,把解剖刀和电烙

铁“积分”在一起.这个符号的含义不仅显示出仿生学的组

成,而且也概括表达了仿生学的研究途径.

仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原

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理,并把它模式化,然后应用这些原理去设计和制造新的技

术设备.

仿生学的主要研究方法就是提出模型,进行模拟.其研究程

序大致有以下三个阶段：

首先是对生物原型的研究.根据生产实际提出的具体课题,

将研究所得的生物资料予以简化,吸收对技术要求有益的内

容,取消与生产技术要求无关的因素,得到一个生物模型;第

二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析,并使其内在

的联系抽象化,用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一

定意义的数学模型;最后数学模型制造出可在工程技术上进

行实验的实物模型.当然在生物的模拟过程中,不仅仅是简

单的仿生,更重要的是在仿生中有创新.经过实践——认识

——再实践的多次重复,才能使模拟出来的东西越来越符合

生产的需要.这样模拟的结果,使最终建成的机器设备将与

生物原型不同,在某些方面甚上超过生物原型的能力.例如

今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力,电子计算

机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠.

仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个

突出的特点,就是整体性.从仿生学的整体来看,它把生物看

成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统.它的任

务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系

统的行为和状态.生物最基本的特征就是生物的自我更新和

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自我复制,它们与外界的联系是密不可分的.生物从环境中

获得物质和能量,才能进行生长和繁殖;生物从环境中接受

信息,不断地调整和综合,才能适应和进化.长期的进化过程

使生物获得结构和功能的统一,局部与整体的协调与统一.

仿生学要研究生物体与外界刺激(输入信息)之间的定量关

系,即着重于数量关系的统一性,才能进行模拟.为达到此目

的,采用任何局部的方法都不能获得满意的效果.因此,仿生

学的研究方法必须着重于整体.

仿生学的研究内容是极其丰富多彩的,因为生物界本身就包

含着成千上万的种类,它们具有各种优异的结构和功能供各

行业来研究.自从仿生学问世以来的二十几年内,仿生学的

研究得到迅速的发展,且取得了很大的成果.就其研究范围

可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等.随着

现代工程技术的发展,学科分支繁多,在仿生学中相应地开

展对口的技术仿生研究.例如：航海部门对水生动物运动的

流体力学的研究;航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物

的定位与导航;工程建筑对生物力学的模拟;无线电技术部

门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟;计算机技

术对于脑的模拟似及人工智能的研究等.在第一届仿生学会

议上发表的比较典型的课题有：“人造神经元有什么特

点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、

“学习的机器”等.从中可以看出以电子仿生的研究比较广

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泛.仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究,

即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用.以后在

机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来,近些年又

出现新的分支,如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学

等.

总之,仿生学的研究内容,从模拟微观世界的分子仿生学到

宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容.而当今的科学技

术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的

新时代,仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合

起来,同时对生物学的发展也起了极大的促进作用.在其它

学科的渗透和影响下,使生物科学的研究在方法上发生了根

本的转变;在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量

的方向深化.生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自

然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养,加速科学

的发展.闪此,仿生学的科研显示出无穷的生命力,它的发展

和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献.

【仿生学的研究范围】

仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿

生、信息与控制仿生等.

◇力学仿生,是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静

力学性质,以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体

在环境中运动的动力学性质.例如,建筑上模仿贝壳修造的

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大跨度薄壳建筑,模仿股骨结构建造的立柱,既消除应力特

别集中的区域,又可用最少的建材承受最大的载荷.军事上

模仿海豚皮肤的沟槽结构,把人工海豚皮包敷在船舰外壳上,

可减少航行揣流,提高航速;

◇分子仿生,是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜

的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等.

例如,在搞清森林害虫舞毒蛾性激素的化学结构后,合

成了一种类似有机化合物,在田间捕虫笼中用千万分之一微

克,便可诱杀雄虫;

◇能量仿生,是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接

把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程;

◇信息与控制仿生,是研究与模拟感觉器官、神经元与神经

网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理

过程.例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”

可测定飞机着陆速度.根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作

原理,研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模

糊目标检测的—些装置.已建立的神经元模型达100种以上,

并在此基础上构造出新型计算机.

模仿人类学习过程,制造出一种称为“感知机”的机器,它

可以通过训练,改变元件之间联系的权重来进行学习,从而

能实现模式识别.此外,它还研究与模拟体内稳态,运动控

制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制,以及人-机

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系统的仿生学方面.

某些文献中,把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿

生,而把信息和控制仿生的部分内容称为神经仿生.

仿生学的范围很广,信息与控制仿生是一个主要领域.一方

面由于自动化向智能控制发展的需要,另一方面是由于生物

科学已发展到这样一个阶段,使研究大脑已成为对神经科学

最大的挑战.人工智能和智能机器人研究的仿生学方面——

生物模式识别的研究,大脑学习记忆和思维过程的研究与模

拟,生物体中控制的可靠性和协调问题等——是仿生学研究

的主攻方面.

控制与信息仿生和生物控制论关系密切.两者都研究生物系

统中的控制和信息过程,都运用生物系统的模型.但前者的

目的主要是构造实用人造硬件系统;而生物控制论则从控制

论的一般原理,从技术科学的理论出发,为生物行为寻求解

释.

最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突

出特点.其目的不在于直接复制每一个细节,而是要理解生

物系统的工作原理,以实现特定功能为中心目的.—般认为,

在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数学

模型和硬件模型.前者是基础,后者是目的,而数学模型则是

两者之间必不可少的桥梁.

由于生物系统的复杂性,搞清某种生物系统的机制需要相当

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长的研究周期,而且解决实际问题需要多学科长时间的密切

协作,这是限制仿生学发展速度的主要原因.

【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

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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.