仿生學(xué)的知識(shí)
仿生學(xué)的知識(shí)
仿生學(xué)是指人類模仿生物功能，來(lái)發(fā)明創(chuàng)造的科學(xué)。它是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一門新型邊緣學(xué)科。那么你對(duì)仿生學(xué)的知識(shí)了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于仿生學(xué)的知識(shí)的內(nèi)容，提供給大家參考和了解，希望大家喜歡!
仿生學(xué)的簡(jiǎn)介
仿生學(xué)是一門模仿生物的特殊本領(lǐng)，利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來(lái)研制機(jī)械或各種新技術(shù)的科學(xué)技術(shù)。
仿生學(xué)一詞是1960年由 美國(guó) 斯蒂爾根據(jù) 拉丁文“ bios(生命方式的意思)”和字尾“ nlc(‘具有……的性質(zhì)’的意思)”構(gòu)成的。這個(gè)詞語(yǔ)大約從1961年才開始使用。某些生物具有的功能迄今比任何人工制造的機(jī)械都優(yōu)越得多，仿生學(xué)就是要在工程上實(shí)現(xiàn)并有效地應(yīng)用生物功能的一門學(xué)科。例如關(guān)于信息接受( 感覺(jué)功能)、 信息傳遞(神經(jīng)功能)、 自動(dòng)控制系統(tǒng)等，這種 生物體的結(jié)構(gòu)與功能在機(jī)械設(shè)計(jì)方面給了很大啟發(fā)?？膳e出的仿生學(xué)例子，如將 海豚的體形或皮膚結(jié)構(gòu)( 游泳時(shí)能使身體表面不產(chǎn)生 紊流)應(yīng)用到 潛艇設(shè)計(jì)原理上。
又比如，蒼蠅是 細(xì)菌的傳播者，一般歸類為害蟲，可是蒼蠅的楫翅是天然 導(dǎo)航儀。而且，它的眼睛是一種“ 復(fù)眼”，由3000多只小眼組成，人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”。“蠅眼透鏡”是一種新型 光學(xué)元件，它的用途很多。“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 鏡頭可以制成“ 蠅眼照相機(jī)”，一次就能照出千百?gòu)埾嗤南嗥?。這種 照相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版和大量復(fù)制 電子計(jì)算機(jī)的微小電路，大大提高了工效和質(zhì)量。
仿生學(xué)也被認(rèn)為是與 控制論有密切關(guān)系的一門學(xué)科，而控制論主要是將 生命現(xiàn)象和機(jī)械原理加以比較，進(jìn)行研究和解釋的一門 學(xué)科。
仿生學(xué)的歷史沿革
仿生學(xué)是連接生物與技術(shù)的橋梁
自從 瓦特(James Watt，1736～1819)在1782年發(fā)明 蒸汽機(jī)以后，人們?cè)谏a(chǎn)斗爭(zhēng)中獲得了強(qiáng)大的動(dòng)力。在工業(yè)技術(shù)方面基本上解決了能量的轉(zhuǎn)換、控制和利用等問(wèn)題，從而引起了 第一次工業(yè)革命，各式各樣的機(jī)器如雨后春筍般的出現(xiàn)，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展極大地?cái)U(kuò)大和增強(qiáng)了人的體能，使人們從繁重的體力勞動(dòng)解脫出來(lái)。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谡羝麢C(jī)以后又經(jīng)歷了電氣時(shí)代并向自動(dòng)化時(shí)代邁進(jìn)。
20世紀(jì)40年代 電子計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，更是給人類 科學(xué)技術(shù)的寶庫(kù)增添了可貴的財(cái)富，它以可靠和高效的本領(lǐng)處理著人們手頭上數(shù)以萬(wàn)計(jì)的各種信息，使人們從汪洋大海般的數(shù)字、信息中解放出來(lái)，使用計(jì)算機(jī)和自動(dòng)裝置可以使人們?cè)诜彪s的生產(chǎn)工序面前變得輕松省力，它們準(zhǔn)確地調(diào)整、控制著生產(chǎn)程序，使產(chǎn)品規(guī)格精確。但是， 自動(dòng)控制裝置是按人們制定的固定程序進(jìn)行工作的，這就使它的控制能力具有很大的局限性。自動(dòng)裝置對(duì)外界缺乏分析和進(jìn)行靈活反應(yīng)的能力，如果發(fā)生任何意外的情況，自動(dòng)裝置就要停止工作，甚至發(fā)生意外事故，這就是自動(dòng)裝置本身所具有的嚴(yán)重缺點(diǎn)。要克服這種缺點(diǎn)，無(wú)非是使機(jī)器各部件之間，機(jī)器與環(huán)境之間能夠“通訊”，也就是使自動(dòng)控制裝置具有適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力。要解決這一難題，在工程技術(shù)中就要解決如何接受、轉(zhuǎn)換。利用和控制信息的問(wèn)題。因此，信息的利用和控制就成為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要矛盾。如何解決這個(gè)矛盾呢?生物界給人類提供了有益的啟示。
人類要從 生物系統(tǒng)中獲得啟示，首先需要研究生物和技術(shù)裝置是否存在著共同的特性。1940年出現(xiàn)的調(diào)節(jié)理論，將生物與機(jī)器在一般意義上進(jìn)行對(duì)比。到1944年，一些科學(xué)家已經(jīng)明確了機(jī)器和生物體內(nèi)的通訊、自動(dòng)控制與統(tǒng)計(jì)力學(xué)等一系列的問(wèn)題上都是一致的。在這樣的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，1947年，一個(gè)新的學(xué)科——控制論產(chǎn)生了。
控制論(Cybernetics)是從 希臘文而來(lái)，原意是“掌舵人”。按照控制論的創(chuàng)始人之一 維納(Norbef Wiener,1894～1964)給予控制論的 定義是“關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊”的科學(xué)。雖然這個(gè)定義過(guò)于簡(jiǎn)單，僅僅是維納關(guān)于控制論經(jīng)典著作的副題，但它直截了當(dāng)?shù)匕讶藗儗?duì)生物和機(jī)器的認(rèn)識(shí)聯(lián)系在了一起。
控制論的基本觀點(diǎn)認(rèn)為，動(dòng)物(尤其是人)與機(jī)器(包括各種 通訊、控制、計(jì)算的自動(dòng)化裝置)之間有一定的共體，也就是在它們具備的控制系統(tǒng)內(nèi)有某些共同的 規(guī)律。根據(jù)控制論研究表明，各種控制系統(tǒng)的控制過(guò)程都包含有信息的傳遞、變換與加工過(guò)程?？刂葡到y(tǒng)工作的正常，取決于信息運(yùn) 行過(guò)程的正常。所謂控制系統(tǒng)是指由被控制的 對(duì)象及各種控制元件、部件、線路有機(jī)地結(jié)合成有一定控制功能的整體。從信息的觀點(diǎn)來(lái)看，控制系統(tǒng)就是一部信息通道的網(wǎng)絡(luò)或體系。機(jī)器與生物體內(nèi)的控制系統(tǒng)有許多共同之處，于是人 們對(duì)生物自動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的興趣，并且采用 物理學(xué)的、數(shù)學(xué)的甚至是技術(shù)的 模型對(duì)生物系統(tǒng)開展進(jìn)一步的研究。因此，控制理論成為聯(lián)系生物學(xué)與工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。成為溝通生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)的橋梁。
生物體和機(jī)器之間確實(shí)有很明顯的相似之處，這些相似之處可以表現(xiàn)在對(duì)生物體研究的不同水平上。由簡(jiǎn)單的單細(xì)胞到復(fù)雜的 器官系統(tǒng)(如神經(jīng)系統(tǒng))都存在著各種調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制的生理過(guò)程。我們可以把生物體看成是一種具有特殊能力的機(jī)器，和其它機(jī)器的不同就在于生物體還有適應(yīng)外界環(huán)境和自我繁殖的能力。也可以把生物體比作一個(gè)自動(dòng)化的工廠，它的各項(xiàng)功能都遵循著力學(xué)的 定律;它的各種結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作;它們能對(duì)一定的信號(hào)和刺激作出定量的反應(yīng)，而且能像自動(dòng)控制一樣，借助于專門的反饋聯(lián)系組織以自我控制的方式進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。例如我們身體內(nèi)恒定的 體溫、正常的 血壓、正常的血糖濃度等都是肌體內(nèi)復(fù)雜的自控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的結(jié)果。控制論的產(chǎn)生和發(fā)展，為生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)的連接架起了橋梁，使許多工程人員自覺(jué)地向生物系統(tǒng)去尋求新的設(shè)計(jì)思想和原理。于是出現(xiàn)了這樣一個(gè)趨勢(shì)，工程師為了和生物學(xué)家在共同合作的工程技術(shù)領(lǐng)域中獲得成果，就主動(dòng)學(xué)習(xí)生物科學(xué)知識(shí)。
仿生學(xué)的研究方法
仿生學(xué)是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)學(xué)互相滲透而結(jié)合成的一門新興的 邊緣科學(xué)。第一屆仿生學(xué)會(huì)議為仿生學(xué)確定了一個(gè)有趣而形象的標(biāo)志：一個(gè)巨大的積分 符號(hào)，把解剖刀和電烙鐵“積分”在一起。這個(gè)符號(hào)的含義不僅顯示出仿生學(xué)的組成，而且也概括表達(dá)了仿生學(xué)的研究途徑。
仿生學(xué)的任務(wù)就是要研究生物系統(tǒng)的優(yōu)異能力及產(chǎn)生的原理，并把它模式化，然后應(yīng)用這些原理去設(shè)計(jì)和制造新的技術(shù)設(shè)備。
仿生學(xué)的主要 研究方法就是提出模型， 進(jìn)行模擬。其研究程序大致有以下三個(gè)階段：
首先是對(duì)生物原型的研究。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際提出的具體課題，將研究所得的生物資料予以簡(jiǎn)化，吸收對(duì)技術(shù)要求有益的內(nèi)容，取消與生產(chǎn)技術(shù)要求無(wú)關(guān)的因素，得到一個(gè) 生物模型;第二階段是將生物模型提供的資料進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并使其內(nèi)在的聯(lián)系抽象化，用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言把生物模型“翻譯”成具有一定意義的數(shù)學(xué)模型;最后數(shù)學(xué)模型制造出可在工程技術(shù)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的 實(shí)物模型。當(dāng)然在生物的模擬過(guò)程中，不僅僅是簡(jiǎn)單的仿生，更重要的是在仿生中有創(chuàng)新。經(jīng)過(guò)實(shí)踐——認(rèn)識(shí)——再實(shí)踐的多次重復(fù)，才能使模擬出來(lái)的東西越來(lái)越符合生產(chǎn)的需要。這樣模擬的結(jié)果，使最終建成的機(jī)器設(shè)備將與生物原型不同，在某些方面甚上超過(guò)生物原型的能力。例如今天的飛機(jī)在許多方面都超過(guò)了鳥類的飛行能力，電子計(jì)算機(jī)在復(fù)雜的計(jì)算中要比人的計(jì)算能力迅速而可靠。
仿生學(xué)的基本研究方法使它在生物學(xué)的研究中表現(xiàn)出一個(gè)突出的特點(diǎn)，就是整體性。從仿生學(xué)的整體來(lái)看，它把生物看成是一個(gè)能與內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行聯(lián)系和控制的 復(fù)雜系統(tǒng)。它的任務(wù)就是研究復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)各 部分之間的相互關(guān)系以及整個(gè)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(fù)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(zhì)和 能量，才能進(jìn)行生長(zhǎng)和繁殖;生物從環(huán)境中接受信息，不斷地調(diào)整和綜合，才能適應(yīng)和進(jìn)化。長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程使生物獲得結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一，局部與整體的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。仿生學(xué)要研究生物體與外界刺激(輸入信息)之間的 定量關(guān)系，即著重于數(shù)量關(guān)系的統(tǒng)一性，才能進(jìn)行模擬。為達(dá)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(xué)的研究方法必須著重于整體。
仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容是極其豐富多彩的，因?yàn)樯锝绫旧砭桶汕先f(wàn)的種類，它們具有各種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能供各行業(yè)來(lái)研究。自從仿生學(xué)問(wèn)世以來(lái)的二十幾年內(nèi)，仿生學(xué)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(jī)械仿生、建筑仿生、化學(xué)仿生等。隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，學(xué)科分支繁多，在仿生學(xué)中相應(yīng)地開展對(duì)口的技術(shù)仿生研究。例如：航海部門對(duì)水生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的 流體力學(xué)的研究;航空部門對(duì)鳥類、昆蟲飛行的模擬、動(dòng)物的定位與導(dǎo)航;工程建筑對(duì) 生物力學(xué)的模擬;無(wú)線電技術(shù)部門對(duì)于人 神經(jīng)細(xì)胞、感覺(jué)器宮和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬;計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)于腦的模擬以及 人工智能的研究等。在第一屆仿生學(xué)會(huì)議上發(fā)表的比較典型的課題有：“人造神經(jīng)元有什么特點(diǎn)”、“設(shè)計(jì)生物計(jì)算機(jī)中的問(wèn)題”、“用機(jī)器識(shí)別圖像”、“學(xué)習(xí)的機(jī)器”等。從中可以看出以電子仿生的研究比較廣泛。仿生學(xué)的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究，即動(dòng)物的感覺(jué)器官、神經(jīng)元、神經(jīng)系統(tǒng)的整體作用。以后在機(jī)械仿生和化學(xué)仿生方面的研究也隨之開展起來(lái)，近些年又出現(xiàn)新的分支，如人體的仿生學(xué)、分子仿生學(xué)和宇宙仿生學(xué)等。
總之，仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容，從模擬微觀 世界的分子仿生學(xué)到 宏觀的宇宙仿生學(xué)包括了更為廣泛的內(nèi)容。而當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)正是處于一個(gè)各種 自然科學(xué)高度綜合和互相交叉、滲透的新時(shí)代，仿生學(xué)通過(guò)模擬的方法把對(duì)生命的研究和實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，同時(shí)對(duì)生物學(xué)的發(fā)展也起了極大的促進(jìn)作用。在其它學(xué)科的滲透和影響下，使 生物科學(xué)的研究在方法上發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變;在內(nèi)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(xué)的發(fā)展又是以仿生學(xué)為渠道向各種自然科學(xué)和 技術(shù)科學(xué)輸送寶貴的資料和豐富的營(yíng)養(yǎng)，加速科學(xué)的發(fā)展。因此，仿生學(xué)的科研顯示出無(wú)窮的生命力，它的發(fā)展和成就將為促進(jìn)世界整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。
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