仿生学

仿生学的发展历程

摘要：

自古以来，勤劳的人类就在不断地适应和改变这个环境，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。劳动创造了人类，人类也通过劳动创造了美好的现在，不断地劳动促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展，这也使得人类的能力和智慧远远超过生物界的其他类群。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，由此诞生了仿生学。仿生产品已经运用到了人类生活的各个方面，极大促进了社会发展。

关键词：仿生，观察，思考，模仿

（一）仿生学的历史由来

地球上存在的亿万种生物，经过千百万年的进化、发展而来，这使得生物体的某些部位具有最可靠、最灵活、最高效、最经济的能力，为人类的效仿提供了无穷尽的资源。其实仿生一直伴随着人类，早在几千年以前勤劳的炎黄子孙就开始了观察，模仿自然界其他生物来制造工具为人类服务。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浆，效仿鱼类，极大改进了船只的效能。春秋战国时代(公元前450～500年),鲁班上山伐木,途中手指被茅草划破,他仔细观察叶片上的毛刺，从中得到启发,经反复试验,终于制成了人类史上第一把锯……但是这些模仿在人

类历史上也只是星星点点，运气占很大成分，限于时代科学技术的落后，使得人类无法了解身边生物的形态构造和生理机能，以至于无法形成一门独立的学科。而真正意义上的现代仿生学诞生的标志是1960 年美国人斯蒂尔根据拉丁文构成Bionics一词，同年在美国俄亥俄州达顿城(Dayton)的一个空军基地召开了全美第一届仿生学讨论会。美国军医Jack Ellwood Steel博士,给这门新兴的学科起了一个名字叫做bionics(仿生学)，并给它下了这样一定义:“仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统,或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学”,即仿生学就是“模仿生物的科学”[1]。现代仿生学是将通过观察、分析、研究掌握的自然界生物所具有的各种各样的特殊本领模拟、移植到各个工程技术领域中去,为促进人类社会进步发展所用。仿生学需要生命科学、物质科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学等许多学科的交叉是一门很难划清边界的大学科[2]。

（二）仿生学的现状

仿生学是一门交叉性的学科，涉及物理学，数学，化学，电子学，生物物理学，生理学，心理学，以及通信，计算技术，建筑工程，航天，航海工程及系统科学等。近几十年来，人类的自然科学突飞猛进，尤其在生命、机械、材料和信息等科学快速发展的今天，各种先进的物理试验仪器发明创造出来，为人们更加系统的研究生物的形态性能，生理功能提供了基础。它不仅给人类的带来创新的理念与方法,也使人类从一个全新的角度观察世界,发现前人未发现的事物,实现科

学技术的原始创新。现如今，蓬勃发展的仿生学在生产生活，军事，航空航天，航海中随处可见。比如：人类通过研究生物眼的模型和视觉机理，如人眼、蛙眼、猫眼、鹰眼、蟹眼等，研制出了人工视网膜、文学读取装置、盲人假眼及应用于机器人的人工眼[3]。根据野猪的鼻子具有对毒的敏感性制成了世界上第一批防毒面具。船和潜艇的创造思路则来自人们对鱼类和海豚的模仿。人类模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的“电子警犬”。工程师模仿鲸的极为理想的“流线体”改进了潜艇的设计，大大提高了潜艇的速度。根据抗原抗体杂交原理设计的分子导弹，能把药物直接运送到病变部位，提高了药物作用效果，降低了药物的副作用。科学家模仿蝙蝠探路的方法，发明了雷达，为军事、天文、气象、航海、航空提奠定了坚实基础。美国的海军武器研究中心利用响尾蛇的能探测周围环境中温度变化的红外线感受器这一原理，研制出能精确定位的“响尾蛇导弹”。当然还有我们北京奥运的产物鸟巢，水立方等。最近的中国科学技术大学的机器人“佳佳”，已初步具备人机对话理解、面部微表情、口型及躯体动作匹配、大范围环境自主定位导航和云服务等多种功能。现如今，社会空前繁荣，科技迅猛发展而又能源短缺，环境恶化的状况迫使着人们去寻求更加高效，经济，绿色的方式来应对现今不容乐观的发展状况。仿生学就是最好的方式之一，各种生物经过上亿年的进化，拥有了大自然赋予的最杰出的生存工具，可谓是取之不尽，用之不竭。许多国家都在仿生学研究上作精心长期的计划准备，美国，德国，英，日本，俄罗斯以及韩国等国都有相应的中长期计划,在仿生学领域开展基础性

研究。为适应我国科学和技术发展创新的需要,我国科学家提出了“仿生科学与技术”系统性基础研究的方向和优先发展的前沿领域和基本发展战略[4]。随着越来越多国家的参与，仿生学的全球性竞争定会愈演愈烈，同时也会促进仿生学的发展与进步。由于仿生学具有交叉性，这势必影响其他学科的发展。

（三）仿生学的未来

回顾那些改变人类的伟大发现，不难发现其中许多都得益于仿生学。飞机，轮船，潜艇，雷达，导弹……不胜枚举，仿生学的发展早已渗透到人类社会的多个领域,远远超出了当时人们为仿生学所界定的范畴，其极大的生命力促使着它不断地向前发展。仿生学具有源头创新性，在21世纪的今天许多尚未解决的难题或许可以在仿生学中得到启迪。模仿人和动物神经系统的能适应各种恶劣环境的智能化机器人，与人体亲和性极好的不会造成排斥人造器官，能够精确定位癌细胞并直接杀死它的纳米机器人等都可以在将来从仿生学方面取得突破性进展，尤其是智能化机器人。现如今的机器人虽然在很多方面接近人的外在表现特征，但是不能称之为智能机器人，它们只不过是具有一般编程能力和操作功能的机器人。最近大红大紫的谷歌人工智能阿尔法狗多次战胜韩国的围棋九段高手李世石，其程序的编辑的先进程度达到当今世界的顶峰，并且前所未有的为其植入学习能力的功能，它可以通过练习和学习积累更多经验，摆脱最初的监督式学习，完全进入自我发挥的学习模式，总结以往失败的教训，但是仍然未达到人们的期望值。人类追求的终极智能机器人是仿生机器人，修改程