什么是力學仿生有什么東西是仿生學

盼一舊2022-08-15 09:10:212182

什么叫仿生學？仿生學的資料？？緊急?。。【o急?。?，仿生學造出了什么東西？

本文導航

世界還有哪些仿生學
仿生學的原理
有什么東西是仿生學

世界還有哪些仿生學

仿生學一詞是1960年由美國斯蒂爾根據拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾“nlc”(“具有……的性質”的意思)構成的。他認為“仿生學是研究以模仿生物系統(tǒng)的方式、或是以具有生物系統(tǒng)特征的方式、或是以類似于生物系統(tǒng)方式工作的系統(tǒng)的科學”。盡管人類在文明進化中不斷從生物界受到新的啟示，但仿生學的誕生，一般以1960年全美第一屆仿生學討論會的召開為標志。

仿生學的研究范圍主要包括：力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。

力學仿生，是研究并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(huán)境中運動的動力學性質。例如，建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區(qū)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后，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(fā)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；

信息與控制仿生，是研究與模擬感覺器官、神經元與神經網絡、以及高級中樞的智能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制成的“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制網絡的工作原理，研制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，并在此基礎上構造出新型計算機。

模仿人類學習過程，制造出一種稱為“感知機”的機器，它可以通過訓練，改變元件之間聯(lián)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(wěn)態(tài)，運動控制、動物的定向與導航等生物系統(tǒng)中的控制機制，以及人-機系統(tǒng)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，而把信息和控制仿生的部分內容稱為神經仿生。

仿生學的范圍很廣，信息與控制仿生是一個主要領域。一方面由于自動化向智能控制發(fā)展的需要，另一方面是由于生物科學已發(fā)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(zhàn)。人工智能和智能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，生物體中控制的可靠性和協(xié)調問題等——是仿生學研究的主攻方面。

控制與信息仿生和生物控制論關系密切。兩者都研究生物系統(tǒng)中的控制和信息過程，都運用生物系統(tǒng)的模型。但前者的目的主要是構造實用人造硬件系統(tǒng)；而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術科學的理論出發(fā)，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制每一個細節(jié)，而是要理解生物系統(tǒng)的工作原理，以實現特定功能為中心目的?！阏J為，在仿生學研究中存在下列三個相關的方面：生物原型、數學模型和硬件模型。前者是基礎，后者是目的，而數學模型則是兩者之間必不可少的橋梁。

由于生物系統(tǒng)的復雜性，搞清某種生物系統(tǒng)的機制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(xié)作，這是限制仿生學發(fā)展速度的主要原因。

仿生學的原理

仿生學

蒼蠅，是細菌的傳播者，誰都討厭它?？墒巧n蠅的楫翅（又叫平衡棒）是“天然導航儀”，人們模仿它制成了“振動陀螺儀”。這種儀器目前已經應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30O0多只小眼組成，人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”?！跋壯弁哥R”是用幾百或者幾千塊小透鏡整齊排列組合而成的，用它作鏡頭可以制成“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制版和大量復制電子計算機的微小電路，大大提高了工效和質量?！跋壯弁哥R”是一種新型光學元件，它的用途很多。

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，給了人類哪些啟發(fā)？模仿這些本領，人類又可以造出什么樣的機器？這里要介紹的一門新興科學——仿生學。

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”。然而人們更希望仿制鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奧那多·達·芬奇和他的助手對鳥類進行仔細的解剖，研究鳥的身體結構并認真觀察鳥類的飛行。設計和制造了一架撲翼機，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(fā)明與嘗試，可以認為是人類仿生的先驅，也是仿生學的萌芽。

【發(fā)人深省的對比】

人類仿生的行為雖然早有雛型，但是在20世紀40年代以前，人們并沒有自覺地把生物作為設計思想和創(chuàng)造發(fā)明的源泉?？茖W家對于生物學的研究也只停留在描述生物體精巧的結構和完美的功能上。而工程技術人員更多的依賴于他們卓越的智慧，辛辛苦苦的努力，進行著人工發(fā)明。他們很少有意識的向生物界學習。但是，以下幾個事實可以說明：人們在技術上遇到的某些難題，生物界早在千百萬年前就曾出現，而且在進化過程中就已解決了，然而人類卻沒有從生物界得到應有的啟示。

首先是對生物原型的研究。根據生產實際提出的具體課題，將研究所得的生物資料予以簡化，吸收對技術要求有益的內容，取消與生產技術要求無關的因素，得到一個生物模型；第二階段是將生物模型提供的資料進行數學分析，并使其內在的聯(lián)系抽象化，用數學的語言把生物模型“翻譯”成具有一定意義的數學模型；最后數學模型制造出可在工程技術上進行實驗的實物模型。當然在生物的模擬過程中，不僅僅是簡單的仿生，更重要的是在仿生中有創(chuàng)新。經過實踐——認識——再實踐的多次重復，才能使模擬出來的東西越來越符合生產的需要。這樣模擬的結果，使最終建成的機器設備將與生物原型不同，在某些方面甚上超過生物原型的能力。例如今天的飛機在許多方面都超過了鳥類的飛行能力，電子計算機在復雜的計算中要比人的計算能力迅速而可靠。

仿生學的基本研究方法使它在生物學的研究中表現出一個突出的特點，就是整體性。從仿生學的整體來看，它把生物看成是一個能與內外環(huán)境進行聯(lián)系和控制的復雜系統(tǒng)。它的任務就是研究復雜系統(tǒng)內各部分之間的相互關系以及整個系統(tǒng)的行為和狀態(tài)。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我復制，它們與外界的聯(lián)系是密不可分的。生物從環(huán)境中獲得物質和能量，才能進行生長和繁殖；生物從環(huán)境中接受信息，不斷地調整和綜合，才能適應和進化。長期的進化過程使生物獲得結構和功能的統(tǒng)一，局部與整體的協(xié)調與統(tǒng)一。仿生學要研究生物體與外界刺激（輸入信息）之間的定量關系，即著重于數量關系的統(tǒng)一性，才能進行模擬。為達到此目的，采用任何局部的方法都不能獲得滿意的效果。因此，仿生學的研究方法必須著重于整體。

仿生學的研究內容是極其豐富多彩的，因為生物界本身就包含著成千上萬的種類，它們具有各種優(yōu)異的結構和功能供各行業(yè)來研究。自從仿生學問世以來的二十幾年內，仿生學的研究得到迅速的發(fā)展，且取得了很大的成果。就其研究范圍可包括電子仿生、機械仿生、建筑仿生、化學仿生等。隨著現代工程技術的發(fā)展，學科分支繁多，在仿生學中相應地開展對口的技術仿生研究。例如：航海部門對水生動物運動的流體力學的研究；航空部門對鳥類、昆蟲飛行的模擬、動物的定位與導航；工程建筑對生物力學的模擬；無線電技術部門對于人神經細胞、感覺器宮和神經網絡的模擬；計算機技術對于腦的模擬似及人工智能的研究等。在第一屆仿生學會議上發(fā)表的比較典型的課題有：“人造神經元有什么特點”、“設計生物計算機中的問題”、“用機器識別圖像”、“學習的機器”等。從中可以看出以電子仿生的研究比較廣泛。仿生學的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究，即動物的感覺器官、神經元、神經系統(tǒng)的整體作用。以后在機械仿生和化學仿生方面的研究也隨之開展起來，近些年又出現新的分支，如人體的仿生學、分子仿生學和宇宙仿生學等。

總之，仿生學的研究內容，從模擬微觀世界的分子仿生學到宏觀的宇宙仿生學包括了更為廣泛的內容。而當今的科學技術正是處于一個各種自然科學高度綜合和互相交叉、滲透的新時代，仿生學通過模擬的方法把對生命的研究和實踐結合起來，同時對生物學的發(fā)展也起了極大的促進作用。在其它學科的滲透和影響下，使生物科學的研究在方法上發(fā)生了根本的轉變；在內容上也從描述和分析的水平向著精確和定量的方向深化。生物科學的發(fā)展又是以仿生學為渠道向各種自然科學和技術科學輸送寶貴的資料和豐富的營養(yǎng)，加速科學的發(fā)展。閃此，仿生學的科研顯示出無窮的生命力，它的發(fā)展和成就將為促進世界整體科學技術的發(fā)展做出巨大的貢獻。

【仿生學的研究范圍】

仿生學的研究范圍主要包括：力學仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。

◇力學仿生，是研究并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(huán)境中運動的動力學性質。例如，建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區(qū)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后，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(fā)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；

◇信息與控制仿生，是研究與模擬感覺器官、神經元與神經網絡、以及高級中樞的智能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制成的“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制網絡的工作原理，研制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，并在此基礎上構造出新型計算機。

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，而把信息和控制仿生的部分內容稱為神經仿生。

【仿生學的現象】

蒼蠅與宇宙飛船

令人討厭的蒼蠅，與宏偉的航天事業(yè)似乎風馬牛不相及，但仿生學卻把它們緊密地聯(lián)系起來了。

蒼蠅是聲名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污穢的地方，都有它們的蹤跡。蒼蠅的嗅覺特別靈敏，遠在幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅并沒有“鼻子”，它靠什么來充當嗅覺的呢? 原來，蒼蠅的“鼻子”——嗅覺感受器分布在頭部的一對觸角上。

每個“鼻子”只有一個“鼻孔”與外界相通，內含上百個嗅覺神經細胞。若有氣味進入“鼻孔”，這些神經立即把氣味刺激轉變成神經電脈沖，送往大腦。大腦根據不同氣味物質所產生的神經電脈沖的不同，就可區(qū)別出不同氣味的物質。因此，蒼蠅的觸角像是一臺靈敏的氣體分析儀。

仿生學家由此得到啟發(fā)，根據蒼蠅嗅覺器的結構和功能，仿制成功一種十分奇特的小型氣體分析儀。這種儀器的“探頭”不是金屬，而是活的蒼蠅。就是把非常纖細的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經上，將引導出來的神經電信號經電子線路放大后，送給分析器；分析器一經發(fā)現氣味物質的信號，便能發(fā)出警報。這種儀器已經被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內氣體的成分。

這種小型氣體分析儀，也可測量潛水艇和礦井里的有害氣體。利用這種原理，還可用來改進計算機的輸入裝置和有關氣體色層分析儀的結構原理中。

從螢火蟲到人工冷光

自從人類發(fā)明了電燈，生活變得方便、豐富多了。但電燈只能將電能的很少一部分轉變成可見光，其余大部分都以熱能的形式浪費掉了，而且電燈的熱射線有害于人眼。那么，有沒有只發(fā)光不發(fā)熱的光源呢? 人類又把目光投向了大自然。

在自然界中，有許多生物都能發(fā)光，如細菌、真菌、蠕蟲、軟體動物、甲殼動物、昆蟲和魚類等，而且這些動物發(fā)出的光都不產生熱，所以又被稱為“冷光”。

在眾多的發(fā)光動物中，螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1 500種,它們發(fā)出的冷光的顏色有黃綠色、橙色，光的亮度也各不相同。螢火蟲發(fā)出冷光不僅具有很高的發(fā)光效率，而且發(fā)出的冷光一般都很柔和，很適合人類的眼睛，光的強度也比較高。因此，生物光是一種人類理想的光。

科學家研究發(fā)現，螢火蟲的發(fā)光器位于腹部。這個發(fā)光器由發(fā)光層、透明層和反射層三部分組成。發(fā)光層擁有幾千個發(fā)光細胞，它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質。在熒光酶的作用下，熒光素在細胞內水分的參與下，與氧化合便發(fā)出熒光。螢火蟲的發(fā)光，實質上是把化學能轉變成光能的過程。

早在40年代，人們根據對螢火蟲的研究，創(chuàng)造了日光燈，使人類的照明光源發(fā)生了很大變化。近年來，科學家先是從螢火蟲的發(fā)光器中分離出了純熒光素，后來又分離出了熒光酶，接著，又用化學方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當閃光燈。由于這種光沒有電源，不會產生磁場，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。

現在，人們已能用摻和某些化學物質的方法得到類似生物光的冷光，作為安全照明用。

電魚與伏特電池

自然界中有許多生物都能產生電，僅僅是魚類就有500余種。人們將這些能放電的魚，統(tǒng)稱為“電魚”。

各種電魚放電的本領各不相同。放電能力最強的是電鰩、電鯰和電鰻。中等大小的電鰩能產生70伏左右的電壓,而非洲電鰩能產生的電壓高達220伏；非洲電鯰能產生350伏的電壓；電鰻能產生500伏的電壓，有一種南美洲電鰻竟能產生高達880伏的電壓，稱得上電擊冠軍,據說它能擊斃像馬那樣的大動物。

電魚放電的奧秘究竟在哪里?經過對電魚的解剖研究，終于發(fā)現在電魚體內有一種奇特的發(fā)電器官。這些發(fā)電器是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細胞構成的。由于電魚的種類不同，所以發(fā)電器的形狀、位置、電板數都不一樣。電鰻的發(fā)電器呈棱形，位于尾部脊椎兩側的肌肉中；電鰩的發(fā)電器形似扁平的腎臟，排列在身體中線兩側，共有200萬塊電板;電鯰的發(fā)電器起源于某種腺體，位于皮膚與肌肉之間,約有500萬塊電板。單個電板產生的電壓很微弱，但由于電板很多，產生的電壓就很大了。

電魚這種非凡的本領，引起了人們極大的興趣。19世紀初，意大利物理學家伏特，以電魚發(fā)電器官為模型，設計出世界上最早的伏打電池。因為這種電池是根據電魚的天然發(fā)電器設計的,所以把它叫做“人造電器官”。對電魚的研究，還給人們這樣的啟示：如果能成功地模仿電魚的發(fā)電器官，那么，船舶和潛水艇等的動力問題便能得到很好的解決。

水母的順風耳

“燕子低飛行將雨，蟬鳴雨中天放晴?！鄙锏男袨榕c天氣的變化有一定關系。沿海漁民都知道，生活在沿岸的魚和水母成批地游向大海，就預示著風暴即將來臨。

水母，又叫海蜇，是一種古老的腔腸動物，早在5億年前,它就漂浮在海洋里了。這種低等動物有預測風暴的本能，每當風暴來臨前，它就游向大海避難去了。

原來，在藍色的海洋上，由空氣和波浪摩擦而產生的次聲波 (頻率為每秒8—13次)，總是風暴來臨的前奏曲。這種次聲波人耳無法聽到，小小的水母卻很敏感。仿生學家發(fā)現，水母的耳朵的共振腔里長著一個細柄，柄上有個小球，球內有塊小小的聽石，當風暴前的次聲波沖擊水母耳中的聽石時，聽石就剌激球壁上的神經感受器，于是水母就聽到了正在來臨的風暴的隆隆聲。

仿生學家仿照水母耳朵的結構和功能，設計了水母耳風暴預測儀，相當精確地模擬了水母感受次聲波的器官。把這種儀器安裝在艦船的前甲板上，當接受到風暴的次聲波時，可令旋轉360°的喇叭自行停止旋轉,它所指的方向，就是風暴前進的方向；指示器上的讀數即可告知風暴的強度。這種預測儀能提前15小時對風暴作出預報，對航海和漁業(yè)的安全都有重要意義。

開放分類：

生物、自然科學、自然、仿生學、學科