仿生学的发展及应用(7页).doc

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1、-仿生学的发展及应用-第 - 6 - 页仿生学的发展及应用摘 要：仿生学科的出现发展已经有将近60年的历史，在这期间仿生学得到了快速的发展，并对人类生活产生了各方面的影响。本文介绍了从古到今仿生学的发展历程及今后仿真学的发展趋势。并对不同领域内仿真学的应用做了简要的介绍和举例，从而更好的了解认识仿真学。关键词：仿真学；发展；应用 引 言地球上的生物在经历了漫漫的进化之后，到现在人类已知的已经有170多万个物种，科学家推测世界上的物种大约在500-1000万种之间甚至更多。生物为了求得生存和发展，在进化中逐渐形成了各自适合自身的形态结构及生命系统等。不同的物种都各自有着自身的特点，人类在进化发展

2、的过程中，对这些特点的应用就是仿生学最初的起源。自古以来，自然界就是人类各种科学技术原理、重大发明的源泉。在500万年的进化中，人类不断模仿自然，提升生产能力，才有现在人类社会的发展程度。而这种行为，在现代社会催生出了一门科学仿生学。仿生学是一门综合性的，由生命科学和工程技术相互结合而产生的新技术，在现代社会广泛应用于军事、医疗、工业和日常生活等多个领域。了解仿生学的发展过程，清楚仿生学在各个领域的具体应用，对于研究仿生技术，进一步促进仿生学的发展有着重要的意义。仿生学诞生前的发展及应用仿生学的发展可以追溯到人类文明的早期，人类文明的形成过程中不自觉的对仿生学的应用，这些应用仍旧停留在比较原始

3、的阶段，由于环境的恶劣，人类不得不从自然界的其它生物及自然现象中学习从而保证自己的生存。因此，从远古时代起，人们实际上已经就已在从事仿生学的工作1。例如，人类现在仍在使用的工具：锯子，相传是中国古代的春秋战国时代，鲁班上山伐木途中，手指为锯齿草划破，从而受到启发，经反复实践，终于制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯2。古代人类就有着想要利用工具飞翔的期望，自古以来就有很多人模仿鸟类制作出许多“飞行器”，但是由于科学发展的程度不够，都没有成功。直到1903年12月17日，美国人莱特兄弟发明并成功试飞了人类历史上的第一台飞机。以上两个例子都是人类发展中仿生学的应用，然而这些发明等都只是科学史上各自

4、独立的发展成果，并未联系起来成为一门真正独立的学科。因此，虽然仿生学的应用很早就已经出现，但是仿生学真正意义上的被发现，被定义在20世纪40年代以前都没有出现过。图1 锯齿草和莱特兄弟飞机仿生学的建立及发展20世纪40年代，科学技术的发展和新理论的提出，人们开始机器和生物联系到一起，认识到两者之间存在着某种关系。紧接着一些科学家们明确的指出了生物和工程技术在某种程度上的联系统一，但是仿生学的清晰概念仍旧没有出现。直到1960年，在美国召开了有史以来第一届仿生讨论会，在20世纪50年代已成为一门独立学科的“仿生学”，在这次会议上被正式命名，会上J.E 斯蒂尔少校将这门学科正式定名为“仿生学”，仿

5、生学的概念由此出现。斯蒂尔博士给它下了这样一个定义：“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”，简单一句话，仿生学就是“模仿生物的科学”3。随着现代科学技术的不断发展，仿生学的概念也被不断完善和更改，逐渐形成现在的仿生学体系。实质上看，仿生学的诞生带给人类的是创新的理念与方法，即向生命系统学习的理念，模拟生命系统的方法。使人类从一个崭新的视角透视世界，发现前人未发现的事物，实现科学技术的原始创新，这是其他科学无法比拟的优势。从仿生学诞生到20世纪70年代初期，美、俄(前苏联)等许多国家都曾对仿生学知识进行过广泛宣传，大量的知识性文章和书籍相

6、继出版。仿生学方面的学术论文，纷纷在各学科的学报和杂志上发表，每开过一次仿生学学术会议，立即就有篇幅很大的会议录问世。所有这一切工作，都为人们深入了解这门新兴的边缘学科做出了积极的贡献。20世纪90年代初，各国都在为发展仿生学这门交叉学科的基础研究作精心长期的计划准备。从90年代至今，人们借助仿生学的研究理念与方法，在自然科学与社会科学领域内取得了丰硕的研究成果。仿生学的现状及发展趋势当前，仿生学的研究和应用在国内外都得到了极大的关注，得到了蓬勃的发展。科学家们正带着自动控制、能量转换、信息处理、力学模式和材料构成等大量技术难题，到生物系统中去寻找启迪。机器人技术的发展很好地体现了仿生应用的理

7、念。早期的机器人主要是模拟人的重复性劳动，替代人完成重复的运动和力学行为，如汽车安装机器人。这类在常规环境下工作的机器人已经成熟。仿生机器人的研制始于上世纪90年代，只有十多年的历史，然而进展迅速，特别是美国、日本等发达国家的研究工作走在了世界前列，非常规环境下工作的仿生机器人已成为机器人技术领域的重要发展方向4。图2 仿生机器人仿生学的发展对各行各业都有着重要的意义，同时对于各科学领域都有着不同程度的相互促进作用。近年来生命科学的发展拓宽和加深了仿生领域，极大地促进了仿生学的发展。反之仿生学的发展也促进生物科学的发展。例如：动物运动的人工诱导和神经工程学的建立。仿生学问题很多来自于工程和技术

8、的难题和需要，人类对自然的仿生不是简单意义上的模仿，而是根据人类的认知和工程与技术需要对自然主动同化和建构。仿生学和工程技术相互融合，相互影响，互相促进，使一些梦想成真。控制论(Cybernetics)提出者维纳认为，“在已经建立起的科学部门间的无人的空白区上，最容易取得丰硕的成果”5。交叉学科的仿生学最容易取得丰硕的研究成果。仿生学随着科技与经济的发展而发展，也必将极大地推动未来学科和经济的发展。未来仿生学的发展应该是会聚着多种技术于一体的，如纳米技术、生物技术、信息技术和认知技术等。同时，仿真学将不仅仅是限于工学方面的技术学科，在经济学领域、社会学领域等也都有着重要的借鉴意义。仿生学的应用

9、前文已经说过仿生学涉及生活中的方方面面，如前文中的锯子、飞机、汽车安装机器人和仿生机器人等等。下面就仿生学的应用在不同领域内举一些较为典型的应用。医学上的应用：随着科学技术的发展，人类在面对以前束手无策的各种疾病时，不再是毫无办法的。现代医学中，仿生技术的应用解决了许多的医学难题。例如科学家们研制出的直径2mm的微芯片，可以植入人眼的视网膜内，从而极大的改善视觉残疾患者的视力。还有目前使用广泛的人工耳蜗，人工耳蜗可以使听觉障碍的患者不再受病情的影响，人造的电子声音感受器替代损伤的毛细胞，按音调定位的被植入内耳的耳蜗上。同时还有现在经常被使用的心脏支架等仿生技术都极大的改善了人们的生活。可以想象

10、，当仿生技术发展到一定程度之后，甚至可以仿制人体身上的各种器官，称之为医学界的革命都不为过。图3 人工耳蜗建筑学的应用：在建筑学上，仿生学有着专门的名称建筑仿真学。建筑仿生学，顾名思义，它与生态理念有着紧密的联系。它是仿生学的一个分支，它从仿生学的角度出发来研究建筑，模拟其活动、感知、调整、控制过程然后开发相应的建筑技术，从而致力于解决建筑和城市规划方面的某些问题，协调建筑和环境的关系，创造出与自然融为一体的生态建筑，以保持生态平衡。建筑学中仿生的应用比如可控式遮阳技术，通过在建筑表面安装传感器来感知温度变化，模仿人的皮肤对于外界温度的变化而最初的反映来调节建筑内部的温度。同时，仿生学为建筑结

11、构带来智能性和技术美，突破了传统意义上结构坚固、不可移动性。圣地亚哥 卡拉特拉瓦的建筑正是运用用仿生学，将自然界的有机生物体成为他的创作源泉。其作品通过部分结构构件的可活动性，达到建筑形态的动态效果，发掘建筑潜在的机械潜质。军事上的应用：仿生学的出现，对军事领域产生了极大的影响。用仿生技术也随之渗透到军事各个领域，由盲目、被动模仿发展到自觉、自主的仿生，由单个模仿发展到系统仿生，从局部仿生发展到了全面仿生。对军事作战产生重大影响。例如，通过研究鲨鱼的非光滑减阻表皮，研制出了一种和杀于远行高度一致的材料，这种材料的应用实现了表面减阻能力的大幅提升，为有效提高战斗机等武器装备航程、航速提供了技术支

12、持。在军事中应用较广泛的雷达系统，其原理就是超声波的传播，而这就是通过生物比如蝙蝠的能力而研制出来的。生物材料、生物结构的多尺度微纳结构特征是导致其优异功能的主要因素，往往会产生出军事领域所需要的新效应、新效能，如蝴蝶翅膀鳞粉光子效应可用于隐身；荷叶疏水的多级微纳结构可用于减阻自洁。为获得与生物材料、生物结构一样的新效应、新效能，发展仿生材料制造技术。满足多尺度复杂微纳结构成形制造要求，就成为仿生材料发展的核心关键。图4 蝙蝠和雷达其它应用：现代仿生学已经延伸到很多领域9机器人学是其主要的结合和应用领域之一9这方面的研究引起各国相关研究人员和专家的极大兴趣和关注9取得了大量可喜成果和积极进展9

13、可归纳为机器人的结构仿生、材料仿生、功能仿生、控制仿生以及群体仿生五个方面。例如蛇形机器人，由于蛇类的身体特点，使其能够在各种复杂环境下自由穿行，因此，蛇形机器人在灾后救援等情形中有着重要的作用；仿生生物的特性研制出新型的材料，如北京奥运会游泳项目中使用的泳衣就是仿生鲨鱼表皮研制的新材料，并且由于这种泳衣的使用，北京奥运会上打破了多项记录；人的四肢是由骨骼、肌肉、关节以及韧带组成的多关节弹性结构。这种结构确保人体能够灵活运动完成复杂动作，对人体的仿生以及拟人机器人的研究是仿生机器人领域的最高目标。结语21世纪,人类的科学技术将高度发展，要解决许多复杂生物的仿真这样的科学难题，必须向自然界学习，

14、从自然界为人类提供的丰富多彩的实例中寻求解决问题的途径。通过对自然界更完美的学习、模仿、复制和再造。发现和发展相关的理论和技术方法，,这正是机器人仿生学的研究任务和发展趋势。综上所述，透视仿生学的发展轨迹，可以清晰地看出，仿生学的发展趋势已渗透到人类社会的多个领域，远远超出了仿生学诞生时所界定的范畴，这也反映了该门科学的强大生命力。仿生学的重大贡献表现在源头创新的研究理念与方法。可以预测：仿生学的研究理念与方法能在未来多项领域得到应用并取得突破性的研究成果。参考文献：1 刘福林. 仿生学发展过程的分析M.安徽农业科学，2007,35(15)：4404-4405.2 方胜仿生学简介J生物化学与生

15、物物理进展，1977(3)：48.3 王谷岩视觉与仿生学M上海：知识出版社，1985：15-20.4 戴振东，张昊，张明，代良全，孙久荣非连续约束变结构机器人运动机构的仿生：(1)概念及模型科学通报，2007，52(2)：236-239.5 孙久荣，戴振东. 仿生学的现状和未来M. 生物物理学报，2007,23(15)：109-115.6 路甬祥仿生学的科学意义与前沿科学中国人，2004，4：22-34.7 郭策，戴振东，孙久荣生物机器人的研究现状及其未来发展机器人，2005，27(2):187-192.8 温媛媛建筑节能中的仿生学研究J. 建筑节能.2009,(10):57-60.9 李保峰仿生学的启示 J. 建筑学报 .2002,(9):24-26.10 杜家纬.仿生梦幻(M).郑州:河南科学技术出版社,2OOO(3),第一版,1-22:35-37.-581.