动物仿生学Word格式.docx

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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&

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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.

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&

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.

【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自我复制,它们与外界的