【汇旺担保】 仿生学

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[拼音]:fangshengxue

[外文]:bionics

研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。仿生学一词是1960年由美国J.E.斯蒂尔根据拉丁字“bios”(“生命方式”的意思)和字尾“nic”(“具有……的性质”的意思) 构成的。他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。尽管人类在文明进化中不断从生物界受到新的启示,但仿生学的诞生,一般以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志。

仿生学的研究范围主要包括:

(1)力学仿生,研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质,以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如,建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑,模仿股骨结构建造的立柱,既消除应力特别集中的区域,又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚面板的沟槽结构,把人工海豚皮包敷在船舰外壳上,可减少航行湍流,提高航速。

(2)分子仿生,研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如,在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后,合成了一种类似有机化合物,在田间捕虫笼中用千万分之一微克,便可诱杀雄虫。

(3)能量仿生,研究与模仿生物电器官、生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程。

(4)资讯与控制仿生,研究与模拟感觉器官、神经元与神经网路、以及高阶中枢的智慧活动等方面生物体中的资讯处理过程。例如根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机著陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网路(在一个神经网路中,如果其中每一个单元,当其周围单元兴奋时,会受到这些单元的抑制性作用时,就称这种神经网路为侧抑制网路)的工作原理,研制成功可增强影象轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的一些装置。已建立的神经元模型达100种以上,并在此基础上构造出新型计算机。模仿人类学习过程,制造出一种称为“感知机”的机器,它可以通过训练,改变元件之间联络的权重来进行学习,从而能实现模式识别。此外,它还研究与模拟体内稳态,运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制机制,以及人-机系统的仿生学方面。

某些文献中,把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿生,而把资讯和控制仿生的部分内容称为神经仿生。

仿生学的范围很广,资讯与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智慧控制发展的需要,另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶段,使研究大脑已成为对神经科学最大的挑战。人工智慧和智慧机器人研究的仿生学方面──生物模式识别的研究,大脑学习、记忆和思维过程的研究与模拟,生物体中控制的可靠性和协调问题等──是仿生学研究的主攻方面。

控制与资讯仿生和生物控制论关系密切。两者都研究生物系统中的控制和资讯过程,都运用生物系统的模型。但前者的目的主要是构造实用人造硬体系统;而生物控制论则从控制论的一般原理,从技术科学的理论出发,为生物行为寻求解释。

最广泛地运用类比。模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。其目的不在于直接复制每一个细节,而是要理解生物系统的工作原理,以实现特定功能为中心目的。一般认为,在仿生学研究中存在下列3个相关的方面:生物原型、数学模型和硬体模型。前者是基础,后者是目的,而数学模型则是两者之间必不可少的桥樑。

由于生物系统的复杂性,搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期,而且解决实际问题需要多学科长时间的密切协作,这是限制仿生学发展速度的主要原因。

参考书目

王书荣:《自然的启示》(第2版),上海科学技术出版社,1978。

山东海洋学院生物系译:《仿生学》,科学出版社,北京,1975。

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