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仿生學 |
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科技名詞定義 中文名稱：仿生學 英文名稱：bionics 定義：涵蓋生物電子學、生物傳感器、生物仿真材料、生物物理學、生物電機和生物大分子的自裝配等的一門交叉學科。主要是研究和建立一類人工系統，使之具有生命系統的某些特性。應用學科： 生物化學與分子生物學（一級學科）；方法與技術（二級學科） 以上內容由全國科學技術名詞審定委員會審定公佈 仿生學是指模仿生物建造技術裝置的科學，它是在上世紀中期才出現的一門新的邊緣科學。仿生學研究生物體的結構、功能和工作原理，並將這些原理移植於工程技術之中，發明性能優越的儀器、裝置和機器，創造新技術。從仿生學的誕生、發展，到現在短短幾十年的時間內，它的研究成果已經非常可觀。仿生學的問世開闢了獨特的技術發展道路，也就是向生物界索取藍圖的道路，它大大開闊了人們的眼界，顯示了極強的生命力。 簡介 仿生學是一門模仿生物的特殊本領，利用生物的結構和功能原理來研製機械或各種新技術的科學技術。 仿生學（模仿鳥類） 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。 仿生學（bionics）在具有生命之意的希臘語言bion上，加上有工程技術涵義的ices而組成的詞語。大約從1961年才開始使用。生物具有的功能迄今比任何人工製造的機械都優越得多，仿生學就是要在工程上實現並有效地應用生物功能的一門學科。例如關於信息接受（感覺功能）、信息傳遞（神經功能）、自動控制系統等，這種生物體的結構與功能在機械設計方面給了很大啟發。可舉出的仿生學例子，如將海豚的體形或皮膚結構（游泳時能使身體表面不產生紊流）應用到潛艇設計原理上。仿生學也被認為是與控制論有密切關係的一門學科，而控制論主要是將生命現象和機械原理加以比較，進行研究和解釋的一門學科。 蒼蠅，是細菌的傳播者，誰都討厭它。可是蒼蠅的楫翅是天然導航儀，蒼蠅的眼睛是一種“複眼”，由3000多隻小眼組成，人們模仿它製成了“蠅眼透鏡”。 “蠅眼透鏡”是一種新型光學元件，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，用它作鏡頭可以製成“蠅眼照相機”，一次就能照出千百張相同的相片。這種照相機已經用於印刷製版和大量複製電子計算機的微小電路，大大提高了工效和質量。 自然生物，都有著怎樣的奇異本領？它們的種種本領，給了人類什麼啟發？模仿這些本領，人類又可以造出什麼樣的機器？這裡要介紹的一門新的科學——仿生學。 起源 自古以來，自然界就是人類各種技術思想、工程原理及重大發明的源泉。種類繁多的生物界經過長期的進化過程，使它們能適應環境的變化，從而得到生存和發展。勞動創造了人類。人類以自己直立的身軀、能勞動的雙手、交流情感和思想的語言，在長期的生產實踐中，促進了神經系統尤其是大腦獲得了高度發展。因此，人類無與倫比的能力和智慧遠遠超過生物界的所有類群。人類通過勞動運用聰明的才智和靈巧的雙手製造工具，從而在自然界裡獲得更大自由。人類的智慧不僅僅停留在觀察和認識生物界上，而且還運用人類所獨有的思維和設計能力模仿生物，通過創造性的勞動增加自己的本領。魚兒在水中有自由來去的本領，人們就模仿魚類的形體造船，以木槳仿鰭。相傳早在大禹時期，我國古代勞動人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動、轉彎，他們就在船尾上架置木槳。通過反复的觀察、模仿和實踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動力，掌握了使船轉彎的手段。這樣，即使在波濤滾滾的江河中，人們也能讓船隻航行自如。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”。然而人們更希望仿製鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中。設計和製造了一架撲翼機，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明與嘗試，可以認為是人類仿生學的先驅，也是仿生學的萌芽。 隨著生產的需要和科學技術的發展，從20世紀50年代以來，人們已經認識到生物系統是開闢新技術的主要途徑之一，自覺地把生物界作為各種技術思想、設計原理和創造發明的源泉。人們用化學、物理學、數學以及技術模型對生物系統開展著深入的研究，促進了生物學的極大發展，對生物體內功能機理的研究也取得了迅速的進展。此時模擬生物不再是引人入勝的幻想，而成了可以做到的事實。生物學家和工程師們積極合作，開始將從生物界獲得的知識用來改善舊的或創造新的工程技術設備。生物學開始跨入各行各業技術革新和技術革命的行列，而且首先在自動控制、航空、航海等軍事部門取得了成功。於是生物學和工程技術學科結合在一起，互相滲透孕育出一門新生的科學——仿生學。 仿生學是獨立的一門學科 作為一門獨立的學科，仿生學正式誕生於1960年9月。由美國空軍航空局在俄亥俄州的空軍基地戴通召開了第一次仿生學會議。會議討論的中心議題是“分析生物系統所得到的概念能夠用到人工製造的信息加工系統的設計上去嗎？”斯蒂爾為新興的科學命名為“Bionics”，希臘文的意思代表著研究生命系統功能的科學，1963年我國將“Bionics”譯為“仿生學”。斯蒂爾把仿生學定義為“模仿生物原理來建造技術系統，或者使人造技術系統具有或類似於生物特徵的科學”。簡言之，仿生學就是模仿生物的科學。確切地說，仿生學是研究生物系統的結構、特質、功能、能量轉換、信息控制等各種優異的特徵，並把它們應用到技術系統，改善已有的技術工程設備，並創造出新的工藝過程、建築構型、自動化裝置等技術系統的綜合性科學。從生物學的角度來說，仿生學屬於“應用生物學”的一個分支；從工程技術方面來看，仿生學根據對生物系統的研究，為設計和建造新的技術設備提供了新原理、新方法和新途徑。仿生學的光榮使命就是為人類提供最可靠、最靈活、最高效、最經濟的接近於生物系統的技術系統，為人類造福。 發展 人類仿生的做法 人類仿生的行為雖然早有雛型，但是在20世紀40年代以前，人們並沒有自覺地把生物作為設計思想和創造發明的源泉。科學家對於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於他們卓越的智慧，辛辛苦苦的努力，進行著人工發明。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。 在第一次世界大戰時期，出於軍事上的需要，為使艦艇在水下隱蔽航行而製造出潛水艇。當工程技術人員在設計原始的潛艇時，是先用石塊或鉛塊裝在潛艇上使它下沉，如果需要升至水面，就將攜帶的石塊或鉛塊扔掉，使艇身回到水面來。以後經過改進，在潛艇上採用浮箱交替充水和排水的方法來改變潛艇的重量。以後又改成壓載水艙，在水艙的上部設放氣閥，下面設注水閥，當水艙灌滿海水時，艇身重量增加使它潛入水中。需要緊急下潛時，還有速潛水艙，待艇身潛入水中後，再把速潛水艙內的海水排出。如果一部分壓載水艙充水，另一部分空著，潛水艇可處於半潛狀態。潛艇要起浮時，將壓縮空氣通入水艙排出海水，艇內海水重量減輕後潛艇就可以上浮。如此優越的機械裝置實現了潛艇的自由沉浮。但是後來發現魚類的沉浮系統比人們的發明要簡單得多，魚的沉浮系統僅僅是充氣的魚鰾。鰾內不受肌肉的控制，而是依靠分泌氧氣進入鰾內或是重新吸收鰾內一部分氧氣來調節魚鰾中氣體含量，促使魚體自由沉浮。然而魚類如此巧妙的沉浮系統，對於潛艇設計師的啟發和幫助已經為時過遲了。 聲音是人們生活中不可缺少的要素。通過語言，人們交流思想和感情，優美的音樂使人們獲得藝術的享受，工程技術人員還把聲學系統應用在工業生產和軍事技術中，成為頗為重要的信息之一。自從潛水艇問世以來，隨之而來的就是水面的艦船如何發現潛艇的位置以防偷襲；而潛艇沉入水中後，也須準確測定敵船方位和距離以利攻擊。因此，在第一次世界大戰期間，在海洋上，水面與水中敵對雙方的鬥爭採用了各種手段。海軍工程師們也利用聲學系統作為一個重要的偵察手段。首先採用的是水聽器，也稱噪聲測向儀，通過聽測敵艦航行中所發出的噪聲來發現敵艦。只要周圍水域中有敵艦在航行，機器與螺旋槳推進器便發出噪聲，通過水聽器就能聽到，能及時發現敵人。但那時的水聽器很不完善，一般只能收到本身艦隻的噪聲，要偵聽敵艦，必須減慢艦隻航行速度甚至完全停車才能分辨潛艇的噪音，這樣很不利於戰鬥行動。不久，法國科學家郎之萬（1872∼1946）研究成功利用超聲波反射的性質來探測水下艦艇。用一個超聲波發生器，向水中發出超聲波後，如果遇到目標便反射回來，由接收器收到。根據接收回波的時間間隔和方位，便可測出目標的方位和距離，這就是所謂的聲納系統。人造聲納系統的發明及在偵察敵方潛水艇方面獲得的突出成果，曾使人們為之驚嘆不已。豈不知遠在地球上出現人類之前，蝙蝠、海豚早已對“迴聲定位”聲納系統應用自如了。 蝙蝠能用耳朵與嘴“看東西” 生物在漫長的年代裡就是生活在被聲音包圍的自然界中，它們利用聲音尋食，逃避敵害和求偶繁殖。因此，聲音是生物賴以生存的一種重要信息。意大利科學家斯帕拉捷很早以前就發現蝙蝠能在完全黑暗中任意飛行，既能躲避障礙物也能捕食在飛行中的昆蟲，但是塞住蝙蝠的雙耳、封住它的嘴後，它們在黑暗中就寸步難行了。面對這些事實，斯帕拉捷提出了一個使人們難以接受的結論：蝙蝠能用耳朵與嘴“看東西”。它們能夠用嘴發出超聲波後，在超聲波接觸到障礙物反射回來時，用雙耳接收到。第一次世界大戰結束後，1920年，哈台認為蝙蝠發出聲音信號的頻率超出人耳的聽覺範圍。並提出蝙蝠對目標的定位方法與第一次世界大戰時郎之萬發明的用超聲波回波定位的方法相同。遺憾的是，哈台的提示並未引起人們的重視，而工程師們對於蝙蝠具有“迴聲定位”的技術是難以相信的。直到1983年採用了電子測量器，才完完全全證實蝙蝠就是以發出超聲波來定位的。但是這對於早期雷達和聲納的發明已經不能有所幫助了。 蜻蜓的翅膀對造飛機的啟示 另一個事例是人們對於昆蟲行為為時過晚的研究。在利奧那多·達·芬奇研究鳥類飛行造出第一個飛行器400年之後，人們經過長期反复的實踐，終於在1903年發明了飛機，使人類實現了飛上天空的夢想。由於不斷改進，30年後人們的飛機不論在速度、高度和飛行距離上都超過了鳥類，顯示了人類的智慧和才能。但是在繼續研製飛行更快更高的飛機時，設計師又碰到了一個難題，就是氣體動力學中的顫振現象。當飛機飛行時，機翼發生有害的振動，飛行越快，機翼的顫振越強烈，甚至使機翼折斷，造成飛機墜落，許多試飛的飛行員因而喪生。飛機設計師們為此花費了巨大的精力研究消除有害的顫振現象，經過長時間的努力才找到解決這一難題的方法。就在機翼前緣的遠端上安放一個加重裝置，這樣就把有害的振動消除了。可是，昆蟲早在三億年以前就飛翔在空中了，它們也毫不例外地受到顫振的危害，經過長期的進化，昆蟲早已成功地獲得防止顫振的方法。生物學家在研究蜻蜓翅膀時，發現在每個翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質加厚區——翼眼或稱翅痣。如果把翼眼去掉，飛行就變得盪來蕩去。實驗證明正是翼眼的角質組織使蜻蜓飛行的翅膀消除了顫振的危害，這與設計師高超的發明何等相似。假如設計師們先向昆蟲學習翼眼的功用，獲得有益於解決顫振的設計思想，就可似避免長期的探索和人員的犧牲了。面對蜻蜓翅膀的翼眼，飛機設計師大有相見恨晚之感！ 以上這四個事例發人深省，也使人們受到了很大啟發。早在地球上出現人類之前，各種生物已在大自然中生活了億萬年，在它們為生存而鬥爭的長期進化中，獲得了與大自然相適應的能力。生物學的研究可以說明，生物在進化過程中形成的極其精確和完善的機制，使它們具備了適應內外環境變化的能力。生物界具有許多卓有成效的本領。如體內的生物合成、能量轉換、信息的接受和傳遞、對外界的識別、導航、定向計算和綜合等，顯示出許多機器所不可比擬的優越之處。生物的小巧、靈敏、快速、高效、可靠和抗干擾性實在令人驚嘆不已。 |
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