仿生

仿生

仿生在具有生命之意的希臘語bion上,加上有工程技術涵義的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製造的機械都優越得多,仿生學就是要在工程上實現並有效地套用生物功能的一門學科。例如關于信息接收、信息傳遞、自動控製系統等,這種生物體的結構與功能在機械設計方面給了很大啓發。可舉出的仿生學例子,如將海豚的體形或皮膚結構套用到潛艇設計原理上。仿生學也被認為是與控製論有密切關系的一門學科,而控製論主要是將生命現象和機械原理加以比較,進行研究和解釋的一門學科。

仿生是模仿生物系統的功能和行為,來建造技術系統的一種科學方法。它打破了生物和機器的界限,將各種不同的系統溝通起來。

運用仿生方法可創製新的機械,發明現代化識辨儀器,改進通信系統,設計新穎的工藝和研製人工髒器等。如現代的飛機、極地越野汽車、雷達系統的電子蛙眼、航海的聲納系統、航空建造工程的蜂窩結構、人工腎及人工心髒等,都是仿生的結晶。

  • 中文名稱
    仿生
  • 外文名稱
    bionic
  • 源于
    希臘文“Bio”
  • 定義
    模仿生物的特殊本領的一門科學

概括

仿生學是發展起來的生物學和技術學相結合的交叉學科。仿生的英文名字是Bionics。

仿生椅子仿生椅子

人們發現,一些關于植物和動物的相類似的功能,實際上是超越了人類自身在此方面的技術設計方案的。植物和動物在幾百萬年的自然進化當中不僅完全適應自然而且其程度接近完美。仿生學嘗試在技術方面模仿動物和植物在自然中的功能。這個思想在生物學和技術之間架起了一座橋梁,並且對解決技術難題提供了幫助。通過再現生物學的原理,人類不僅找到了技術上的解決方案,而且同時該方案也完全適應了自然的需要。

仿生學的目的就是分析生物過程和結構以及它們的分析用于未來的設計。仿生學的思想是建立在自然進化和共同進化的基礎上的。人類所從事的技術就是使得達到最最佳化和互相間的協調。而模擬生物適應環境的功能無疑是一個好機會。

在我們人類的技術世界中模擬自然中的東西並不是一個新鮮的思想,自從傳說中的Ikarus帶著用鳥的羽毛做成的翅膀飛向空中,而最後因為太陽的熱度掉到地上起,人類一直就沉迷于此。

那麽仿生學的確切定義是什麽呢?

仿生學是研究生物系統的結構和性質以為工程技術提供新的設計思想及工作原理的科學。屬于生物科學與技術科學之間的邊緣學科。它涉及生物學、生物物理學、生物化學、物理學、控製論、工程學等學科領域。仿生技術通過對各種生物系統所具有的功能原理和作用機理作為生物模型進行研究,最後實現新的技術設計並製造出更好的新型儀器、機械等。

發展歷史

仿生學(Bionics)是模仿生物特殊本領的一門科學。仿生學借以了解生物的結構和功能原理,來研製新的機械和新技術,或解決機械技術的難題,1960年由美國的J.E.Steele首先提出。

仿生學這個名詞來源于希臘文"Bio",意思是"生命",字尾"nic"有"具有……的性質"的意思。他認為"仿生學是研究以模仿生物系統的方式、或是以具有生物系統特征的方式、或是以類似于生物系統方式工作的系統的科學"。

仿生學主要是觀察、研究和模擬自然界生物各種各樣的特殊本領,包括生物本身結構、原理、行為、各種器官功能、體內的物理和化學過程、能量的供給、記憶與傳遞等。從而為科學技術中利用這些原理,提供新的設計思想、工作原理和系統架構的技術科學。

研究範圍

仿生學的研究範圍主要包括:力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控製仿生等。

◇力學仿生,是研究並模仿生物體大體結構與精細結構的靜力學性質,以及生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環境中運動的動力學性質。例如,建築上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建築,模仿股骨結構建造的立柱,既消除應力特別集中的區域,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構,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結構後,合成了一種類似有機化合物,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光、肌肉直接把化學能轉換成機械能等生物體中的能量轉換過程;

◇信息與控製仿生,是研究與模擬感覺器官、神經元與神經網路、以及高級中樞的智慧型活動等方面生物體中的信息處理過程。例如,根據象鼻蟲視動反應製成的"自相關測速儀"可測定飛機著陸速度。根據鱟復眼視網膜側抑製網路的工作原理,研製成功可增強圖像輪廓、提高反差、從而有助于模糊目標檢測的-些裝置。已建立的神經元模型達100種以上,並在此基礎上構造出新型電腦。

模仿人類學習過程,製造出一種稱為"感知機"的機器,它可以通過訓練,改變元件之間聯系的權重來進行學習,從而能實現模式識別。此外,它還研究與模擬體內穩態,運動控製、動物的定向與導航等生物系統中的控製機製,以及人-機系統的仿生學方面。

某些文獻中,把分子仿生與能量仿生的部分內容稱為化學仿生,而把信息和控製仿生的部分內容稱為神經仿生。

仿生學的範圍很廣,信息與控製仿生是一個主要領域。一方面由于自動化向智慧型控製發展的需要,另一方面是由于生物科學已發展到這樣一個階段,使研究大腦已成為對神經科學最大的挑戰。人工智慧和智慧型機器人研究的仿生學方面--生物模式識別的研究,大腦學習記憶和思維過程的研究與模擬,生物體中控製的可靠性和協調問題等--是仿生學研究的主攻方面。

控製與信息仿生和生物控製論關系密切。兩者都研究生物系統中的控製和信息過程,都運用生物系統的模型。但前者的目的主要是構造實用人造硬體系統;而生物控製論則從控製論的一般原理,從技術科學的理論出發,為生物行為尋求解釋。

最廣泛地運用類比、模擬和模型方法是仿生學研究方法的突出特點。其目的不在于直接復製每一個細節,而是要理解生物系統的工作原理,以實現特定功能為中心目的。-般認為,在仿生學研究中存在下列三個相關的方面:生物原型、數學模型和硬體模型。前者是基礎,後者是目的,而數學模型則是兩者之間必不可少的橋梁。

由于生物系統的復雜性,搞清某種生物系統的機製需要相當長的研究周期,而且解決實際問題需要多學科長時間的密切協作,這是限製仿生學發展速度的主要原因。

人類仿生

自古以來,自然界就是人類各種技術思想、工程原理及重大發明的源泉。

種類繁多的生物界經過長期的進化過程,使它們能適應環境的變化,從而得到生存和發展。勞動創造了人類。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,在長期的生產實踐中,促進了神經系統尤其是大腦獲得了高度發展。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製造工具,從而在自然界裏獲得更大自由。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,通過創造性的勞動增加自己的本領。魚兒在水中有自由地遊來遊去的本領,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遊動、轉彎,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,掌握了使船轉彎的手段。這樣,即使在波濤滾滾的江河中,人們也能讓船隻航行自如。

古代船古代船

鳥兒展翅可在空中自由飛翔。據《韓非子》記載魯班用竹木作鳥"成而飛之,三日不下"。然而人們更希望仿製鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中。早在四百多年前,義大利人列奧納多·達·芬奇和他的助手對鳥類進行仔細的解剖,研究鳥的身體結構並認真觀察鳥類的飛行。設計和製造了一架撲翼機,這是世界上第一架人造飛行器。

以上這些模仿生物構造和功能的發明與嘗試,可以認為是人類仿生的先驅,也是仿生學的萌芽。

目的

仿生的目的就是分析生物過程和結構以及它們的分析用于未來的設計。仿生的思想是建立在自然進化和共同進化的基礎上的。

事例

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",人們模仿它製成了"振動陀螺儀"。這種儀器已經套用在火箭和高速飛機上,實現了自動駕駛。蒼蠅的眼睛是一種"復眼",由3000多隻小眼組成,人們模仿它製成了"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,用它作鏡頭可以製成"蠅眼照相機",一次就能照出千百張相同的相片。這種照相機已經用于印刷製版和大量復製電子電腦的微小電路,大大提高了工效和質量。"蠅眼透鏡"是一種新型光學元件,它的用途很多。

仿生仿生

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,給了人類哪些啓發?模仿這些本領,人類又可以造出什麽樣的機器?這裏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,它是在上世紀中期才出現的一門新的邊緣科學。仿生學研究生物體的結構、功能和工作原理,並將這些原理移植于工程技術之中,發明性能優越的儀器、裝置和機器,創造新技術。從仿生學的誕生、發展,在短短幾十年的時間內,它的研究成果已經非常可觀。仿生學的問世開闢了獨特的技術發展道路,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。

現象

仿生學現象簡表:

1.從令人討厭的蒼蠅身上,仿製成功一種十分奇特的小型氣體分析儀。已經被安裝在宇宙飛船的座艙裏,用來檢測艙內氣體的成分。

2.從螢火蟲到人工冷光;

3.電魚與伏特電池;

仿生

4.水母的順風耳,仿照水母耳朵的結構和功能,設計了水母耳風暴預測儀,能提前15小時對風暴作出預報,對航海和漁業的安全都有重要意義。

5.人們根據蛙眼的視覺原理,已研製成功一種電子蛙眼。這種電子蛙眼能像真的蛙眼那樣,準確無誤地識別出特定形狀的物體。把電子蛙眼裝入雷達系統後,雷達抗幹擾能力大大提高。這種雷達系統能快速而準確地識別出特定形狀的飛機、艦船和飛彈等。特別是能夠區別真假飛彈,防止以假亂真。電子蛙眼還廣泛套用在機場及交通要道上。在機場,它能監視飛機的起飛與降落,若發現飛機將要發生碰撞,能及時發出警報。在交通要道,它能指揮車輛的行駛,防止車輛碰撞事故的發生。

6.根據蝙蝠超聲定位器的原理,人們還仿製了盲人用的"探路儀"。這種探路儀內裝一個超音波發射器,盲人帶著它可以發現電桿、台階、橋上的人等。如今,有類似作用的"超聲眼鏡"也已製成。

7.模擬藍藻的不完全光合器,將設計出仿生光解水的裝置,從而可獲得大量的氫氣。

8.根據對人體骨胳肌肉系統和生物電控製的研究,已仿製了人力增強器--步行機。

9.現代起重機的掛鉤起源于許多動物的爪子。

10.頂瓦楞模仿動物的鱗甲。

11.船槳模仿的是鴨的蹼。

12.鋸子學的是螳螂臂,或鋸齒草。

13.蒼耳屬植物獲取靈感發明了尼龍搭扣。

14.嗅覺靈敏的龍蝦為人們製造氣味探測儀提供了思路。

15.壁虎腳趾對製造能反復使用的粘性錄音帶提供了令人鼓舞的前景。

16.貝用它的蛋白質生成的膠體非常牢固,這樣一種膠體可套用在從外科手術的縫合到補船等一切事情上。

17.樹葉的排列和雪梨大劇院的建設。

18.潛水艇和魚的沉浮。

19.響尾蛇和空對空響尾蛇飛彈。

20.人們根據花枝發明煙霧彈。

21.根據蛋殼發現拱形的承受力量。

22.飛機飛行時產生的劇烈抖動是根據蜻蜓改善的。

23.變色衣服是學習蝴蝶上的鱗片。

24.防水衣服是仿荷葉造的。

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