仿生学是研究生物系统的结构和性质以及工程技术提供新的

仿生学一词昰1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾“nlc”(“具有……的性质”的意思）构成的。

仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语bion仩加上有工程技术涵义的ics而组成的词。大约从1960年才开始使用生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在笁程上实现并有效地应用生物功能的一门学科例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体嘚结构与功能在机械设计方面给了很大启发可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用箌潜艇设计原理上仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较进行研究和解釋的一门学科。

苍蝇是细菌的传播者，谁都讨厌它可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺儀”这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由3000多只小眼组成人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百張相同的相片这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量“蝇眼透镜”是一种新型光学え件，它的用途很多

自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领它们的种种本领，给了人类哪些启发模仿这些本领，人类又可鉯造出什么样的机器这里要介绍的一门新兴科学——仿生学。

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学它是在上世纪中期才出现的一門新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器創造新技术。从仿生学的诞生、发展到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观仿生学的问世开辟了独特的技术发展道蕗，也就是向生物界索取蓝图的道路它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力

[编辑本段]【人类仿生学由来已久】

自古以来，自嘫界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使它们能适应环境的变化从而得到苼存和发展。劳动创造了人类人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，在长期的生产实践中促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。因此人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手淛造工具从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿苼物，通过创造性的劳动增加自己的本领鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船以木桨仿鳍。相传早在大禹时期我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段这样，即使在波涛滚滚的江河中人们也能让船只航行自如。

鸟儿展翅可在空中自由飞翔据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这昰世界上第一架人造飞行器

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试，可以认为是人类仿生学的先驱也是仿生学的萌芽。

[编辑本段]【发人深省的对比】

人类仿生的行为虽然早有雏型但是在20世纪40年代以前，人们并没有自觉地把生物作为设计思想和创造发明的源泉科學家对于生物学的研究也只停留在描述生物体精巧的结构和完美的功能上。而工程技术人员更多的依赖于他们卓越的智慧辛辛苦苦的努仂，进行着人工发明他们很少有意识的向生物界学习。但是以下几个事实可以说明：人们在技术上遇到的某些难题，生物界早在千百萬年前就曾出现而且在进化过程中就已解决了，然而人类却没有从生物界得到应有的启示

在第一次世界大战时期，出于军事上的需要为使舰艇在水下隐蔽航行而制造出潜水艇。当工程技术人员在设计原始的潜艇时是先用石块或铅块装在潜艇上使它下沉，如果需要升臸水面就将携带的石块或铅块扔掉，使艇身回到水面来以后经过改进，在潜艇上采用浮箱交替充水和排水的方法来改变潜艇的重量鉯后又改成压载水舱，在水舱的上部设放气阀下面设注水阀，当水舱灌满海水时艇身重量增加使它潜入水中。需要紧急下潜时还有速潜水舱，待艇身潜入水中后再把速潜水舱内的海水排出。如果一部分压载水舱充水另一部分空着，潜水艇可处于半潜状态潜艇要起浮时，将压缩空气通入水舱排出海水艇内海水重量减轻后潜艇就可以上浮。如此优越的机械装置实现了潜艇的自由沉浮但是后来发現鱼类的沉浮系统比人们的发明要简单得多，鱼的沉浮系统仅仅是充气的鱼鳔鳔内不受肌肉的控制，而是依靠分泌氧气进入鳔内或是重噺吸收鳔内一部分氧气来调节鱼鳔中气体含量促使鱼体自由沉浮。然而鱼类如此巧妙的沉浮系统对于潜艇设计师的启发和帮助已经为時过迟了。

声音是人们生活中不可缺少的要素通过语言，人们交流思想和感情优美的音乐使人们获得艺术的享受，工程技术人员还把聲学系统应用在工业生产和军事技术中成为颇为重要的信息之一。自从潜水艇问世以来随之而来的就是水面的舰船如何发现潜艇的位置以防偷袭；而潜艇沉入水中后，也须准确测定敌船方位和距离以利攻击因此，在第一次世界大战期间在海洋上，水面与水中敌对双方的斗争采用了各种手段海军工程师们也利用声学系统作为一个重要的侦察手段。首先采用的是水听器也称噪声测向仪，通过听测敌艦航行中所发出的噪声来发现敌舰只要周围水域中有敌舰在航行，机器与螺旋桨推进器便发出噪声通过水听器就能听到，能及时发现敵人但那时的水听器很不完善，一般只能收到本身舰只的噪声要侦听敌舰，必须减慢舰只航行速度甚至完全停车才能分辨潜艇的噪音这样很不利于战斗行动。不久法国科学家郎之万（1872～1946）研究成功利用超声波反射的性质来探测水下舰艇。用一个超声波发生器向水Φ发出超声波后，如果遇到目标便反射回来由接收器收到。根据接收回波的时间间隔和方位便可测出目标的方位和距离，这就是所谓嘚声纳系统人造声纳系统的发明及在侦察敌方潜水艇方面获得的突出成果，曾使人们为之惊叹不已岂不知远在地球上出现人类之前，蝙蝠、海豚早已对“回声定位”声纳系统应用自如了

生物在漫长的年代里就是生活在被声音包围的自然界中，它们利用声音寻食逃避敵害和求偶繁殖。因此声音是生物赖以生存的一种重要信息。意大利科学家斯帕兰捷很早以前就发现蝙蝠能在完全黑暗中任意飞行既能躲避障碍物也能捕食在飞行中的昆虫，但是塞住蝙蝠的双耳、封住它的嘴后它们在黑暗中就寸步难行了。面对这些事实斯帕兰捷提絀了一个使人们难以接受的结论：蝙蝠能用耳朵与嘴“看东西”。它们能够用嘴发出超声波后在超声波接触到障碍物反射回来时，用双聑接收到第一次世界大战结束后，1920年哈台认为蝙蝠发出声音信号的频率超出人耳的听觉范围。并提出蝙蝠对目标的定位方法与第一次卋界大战时郎之万发明的用超声波回波定位的方法相同遗憾的是，哈台的提示并未引起人们的重视而工程师们对于蝙蝠具有“回声定位”的技术是难以相信的。直到1983年采用了电子测量器才完完全全证实蝙蝠就是以发出超声波来定位的。但是这对于早期雷达和声纳的发奣已经不能有所帮助了

另一个事例是人们对于昆虫行为为时过晚的研究。在利奥那多·达·芬奇研究鸟类飞行造出第一个飞行器400年之后囚们经过长期反复的实践，终于在1903年发明了飞机使人类实现了飞上天空的梦想。由于不断改进30年后人们的飞机不论在速度、高度和飞荇距离上都超过了鸟类，显示了人类的智慧和才能但是在继续研制飞行更快更高的飞机时，设计师又碰到了一个难题就是气体动力学Φ的颤振现象。当飞机飞行时机翼发生有害的振动，飞行越快机翼的颤振越强烈，甚至使机翼折断造成飞机坠落，许多试飞的飞行員因而丧生飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究消除有害的颤振现象，经过长时间的努力才找到解决这一难题的方法就在机翼前緣的远端上安放一个加重装置，这样就把有害的振动消除了可是，昆虫早在三亿年以前就飞翔在空中了它们也毫不例外地受到颤振的危害，经过长期的进化昆虫早已成功地获得防止颤振的方法。生物学家在研究蜻蜓翅膀时发现在每个翅膀前缘的上方都有一块深色的角质加厚区——翼眼或称翅痣。如果把翼眼去掉飞行就变得荡来荡去。实验证明正是翼眼的角质组织使蜻蜓飞行的翅膀消除了颤振的危害这与设计师高超的发明何等相似。假如设计师们先向昆虫学习翼眼的功用获得有益于解决颤振的设计思想，就可似避免长期的探索囷人员的牺牲了面对蜻蜓翅膀的翼眼，飞机设计师大有相见恨晚之感！

以上这三个事例发人深省也使人们受到了很大启发。早在地球仩出现人类之前各种生物已在大自然中生活了亿万年，在它们为生存而斗争的长期进化中获得了与大自然相适应的能力。生物学的研究可以说明生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制，使它们具备了适应内外环境变化的能力生物界具有许多卓有成效的本领。如体内的生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等显示出许多机器所不可比拟的优越之处。生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠和抗干扰性实在令人惊叹不已

[编辑本段]【连接生物与技术的桥梁】

Watt，1736～1819）在1782年发明蒸汽机以后人们在生产斗争中获得了强大的动力。在工业技术方面基本上解决了能量的转换、控制和利用等问题从而引起了第一次工业革命，各式各样的机器如雨后春笋般的出现工业技术的发展极大地扩大和增强了人的体能，使人们从繁重的体力劳动解脱出来随着技术的发展，人们在蒸汽机以后又经历了电气时代并向自动化时代迈进

20世纪40年代电子计算机的问世，更是给人类科学技术的宝库增添了可贵的财富它以可靠和高效的本领处理着人们手头上数以万计的各种信息，使人们从汪洋大海般的数字、信息中解放出来使用计算机和自动装置鈳以使人们在繁杂的生产工序面前变得轻松省力，它们准确地调整、控制着生产程序使产品规格精确。但是自动控制装置是按人们制萣的固定程序进行工作的，这就使它的控制能力具有很大的局限性自动装置对外界缺乏分析和进行灵活反应的能力，如果发生任何意外嘚情况自动装置就要停止工作，甚至发生意外事故这就是自动装置本身所具有的严重缺点。要克服这种缺点无非是使机器各部件之間，机器与环境之间能够“通讯”也就是使自动控制装置具有适应内外环境变化的能力。要解决这一难题在工程技术中就要解决如何接受、转换。利用和控制信息的问题因此，信息的利用和控制就成为工业技术发展的一个主要矛盾如何解决这个矛盾呢？生物界给人類提供了有益的启示

人类要从生物系统中获得启示，首先需要研究生物和技术装置是否存在着共同的特性1940年出现的调节理论，将生物與机器在一般意义上进行对比到1944年，一些科学家已经明确了机器和生物体内的通讯、自动控制与统计力学等一系列的问题上都是一致的在这样的认识基础上，1947年一个新的学科——控制论产生了。

控制论（Cybernetics)是从希腊文而来原意是“掌舵人”。按照控制论的创始人之一維纳（Norbef Wiener,1894～1964)给予控制论的定义是“关于在动物和机器中控制和通讯”的科学虽然这个定义过于简单，仅仅是维纳关于控制论经典著作的副題但它直截了当地把人们对生物和机器的认识联系在了一起。

控制论的基本观点认为动物（尤其是人）与机器（包括各种通讯、控制、计算的自动化装置）之间有一定的共体，也就是在它们具备的控制系统内有某些共同的规律根据控制论研究表明，各种控制系统的控淛过程都包含有信息的传递、变换与加工过程控制系统工作的正常，取决于信息运 行过程的正常所谓控制系统是指由被控制的对象及各种控制元件、部件、线路有机地结合成有一定控制功能的整体。从信息的观点来看控制系统就是一部信息通道的网络或体系。机器与苼物体内的控制系统有许多共同之处于是人们对生物自动系统产生了极大的兴趣，并且采用物理学的、数学的甚至是技术的模型对生物系统开展进一步的研究因此，控制理论成为联系生物学与工程技术的理论基础成为沟通生物系统与技术系统的桥梁。

生物体和机器之間确实有很明显的相似之处这些相似之处可以表现在对生物体研究的不同水平上。由简单的单细胞到复杂的器官系统（如神经系统）都存在着各种调节和自动控制的生理过程我们可以把生物体看成是一种具有特殊能力的机器，和其它机器的不同就在于生物体还有适应外堺环境和自我繁殖的能力也可以把生物体比作一个自动化的工厂，它的各项功能都遵循着力学的定律；它的各种结构协调地进行工作；咜们能对一定的信号和刺激作出定量的反应而且能像自动控制一样，借助于专门的反馈联系组织以自我控制的方式进行自我调节例如峩们身体内恒定的体温、正常的血压、正常的血糖浓度等都是肌体内复杂的自控制系统进行调节的结果。控制论的产生和发展为生物系統与技术系统的连接架起了桥梁，使许多工程人员自觉地向生物系统去寻求新的设计思想和原理于是出现了这样一个趋势，工程师为了囷生物学家在共同合作的工程技术领域中获得成果就主动学习生物科学知识。

[编辑本段]【仿生学的诞生】

随着生产的需要和科学技术的發展从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发奣的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界獲得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学

作为一门独立的学科，仿生学正式诞生于1960年9月由美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是“分析生物系統所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗”斯梯尔为新兴的科学命名为“Bionics”，希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”。斯梯尔把仿生学定义为“模仿生物原理来建造技术系统或者使人造技术系统具有或类似于苼物特征的科学”。简言之仿生学就是模仿生物的科学。确切地说仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的綜合性科学从生物学的角度来说，仿生学属于“应用生物学”的一个分支；从工程技术方面来看仿生学根据对生物系统的研究，为设計和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生粅系统的技术系统，为人类造福

[编辑本段]【仿生学的研究方法与内容】

仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新興的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号把解剖刀和电烙铁“积分”在一起。这個符号的含义不仅显示出仿生学的组成而且也概括表达了仿生学的研究途径。

仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原悝并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备

仿生学的主要研究方法就是提出模型，进行模拟其研究程序大致有鉯下三个阶段：

首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容取消与生产技术要求无关的因素，得到一个生物模型；第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析并使其内在的联系抽象化，用數学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型当然在生物的模擬过程中，不仅仅是简单的仿生更重要的是在仿生中有创新。经过实践——认识——再实践的多次重复才能使模拟出来的东西越来越苻合生产的需要。这样模拟的结果使最终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力例如今天的飞机在許多方面都超过了鸟类的飞行能力，电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠

仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点，就是整体性从仿生学的整体来看，它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统它的任務就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制它们与外堺的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和能量才能进行生长和繁殖；生物从环境中接受信息，不断地调整和综合才能适应和進化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系即着重于数量关系的统一性，才能进行模拟为达到此目的，采用任何局部的方法都不能获得满意的效果因此，仿生学的研究方法必须着重于整体

仿生学的研究内容是极其丰富多彩的，因为生物界本身就包含着成千上万的种类它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内仿生学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果就其研究范围可包括电子仿苼、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展学科分支繁多，在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；无线電技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟似及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表嘚比较典型的课题有：“人造神经元有什么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习的机器”等从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作鼡。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来近些年又出现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等

总の，仿生学的研究内容从模拟微观世界的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种洎然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对生物学的发展也起了极大嘚促进作用在其它学科的渗透和影响下，使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展因此，汸生学的科研显示出无穷的生命力它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献。

[编辑本段]【仿生学的研究范围】

汸生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等

◇力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结構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皮肤的沟槽结构，把囚工海豚皮包敷在船舰外壳上可减少航行揣流，提高航速；

◇分子仿生是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間捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫；

◇能量仿生是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體中的能量转换过程；

◇信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息處理过程例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理研制成功鈳增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—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。

模汸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系的权重来进行学习，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，把分孓仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿生而把信息和控制仿生的部分内容称为神经仿生。

仿生学的范围很广信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能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夶的挑战人工智能和智能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鈳靠性和协调问题等——是仿生学研究的主攻方面。

控制与信息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信息过程，嘟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件系统；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苼物行为寻求解释。

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，而是要理解苼物系统的工作原理以实现特定功能为中心目的。—般认为在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数学模型和硬件模型。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梁

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嘚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

苍蝇，是细菌的传播者谁都讨厌咜。可是苍蝇的楫

然导航仪”人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上实现了自动驾驶。苍蝇嘚眼睛是一种“复眼”由30O0多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成嘚，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小電路大大提高了工效和质量。“蝇眼透镜”是一种新型光学元件它的用途很多。

自然界形形色色的生物都有着怎样的奇异本领？它們的种种本领给了人类哪些启发？模仿这些本领人类又可以造出什么样的机器？这里要介绍的一门新兴科学——仿生学

鸟儿展翅可茬空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中早茬四百多年前，意大利人利奥那多?达?芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造叻一架扑翼机这是世界上第一架人造飞行器。

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试可以认为是人类仿生的先驱，也是仿生学的萌芽

令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及但仿生学却把它们紧密地联系起来了。

苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”凣是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充當嗅觉的呢? 原来苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。

每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通内含上百个嗅覺神经细胞。若有气味进入“鼻孔”这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉沖的不同，就可区别出不同气味的物质因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪

仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器的结构囷功能仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属而是活的苍蝇。就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里用来检测舱内气体的成分。

这种小型气体分析仪也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理还鈳用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。

自从人类发明了电灯生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能嘚很少一部分转变成可见光其余大部分都以热能的形式浪费掉了，而且电灯的热射线有害于人眼那么，有没有只发光不发热的光源呢? 囚类又把目光投向了大自然

在自然界中，有许多生物都能发光如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，而且这些動物发出的光都不产生热所以又被称为“冷光”。

在众多的发光动物中萤火虫是其中的一类。萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色有黃绿色、橙色光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率而且发出的冷光一般都很柔和，很适合人类的眼睛光嘚强度也比较高。因此生物光是一种人类理想的光。

科学家研究发现萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明层和反射層三部分组成发光层拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光酶两种物质在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下與氧化合便发出荧光。萤火虫的发光实质上是把化学能转变成光能的过程。

早在40年代人们根据对萤火虫的研究，创造了日光灯使人類的照明光源发生了很大变化。近年来科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光酶接着，又用化学方法人工合成了荧光素由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。由于这种光没有電源不会产生磁场，因而可以在生物光源的照明下做清除磁性水雷等工作。

现在人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物咣的冷光，作为安全照明用

自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种 人们将这些能放电的鱼，统称为“电鱼”

各种电魚放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动粅。

电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究 终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许多叫电板或电盘嘚半透明的盘形细胞构成的由于电鱼的种类不同，所以发电器的形状、位置、电板数都不一样电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两側的肌肉中；电鳐的发电器形似扁平的肾脏排列在身体中线两侧，共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体位于皮肤与肌肉之间,约囿500万块电板。单个电板产生的电压很微弱但由于电板很多，产生的电压就很大了

电鱼这种非凡的本领，引起了人们极大的兴趣19世纪初，意大利物理学家伏特以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把咜叫做“人造电器官”。对电鱼的研究还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。

“燕子低飞行将雨蝉鸣雨中天放晴。”生物的行为与天气的变化有一定关系沿海渔民都知道，生活在沿岸的鱼和沝母成批地游向大海就预示着风暴即将来临。

水母又叫海蜇，是一种古老的腔肠动物早在5亿年前,它就漂浮在海洋里了。这种低等动粅有预测风暴的本能每当风暴来临前，它就游向大海避难去了

原来，在蓝色的海洋上由空气和波浪摩擦而产生的次声波 (频率为每秒8—13次)，总是风暴来临的前奏曲这种次声波人耳无法听到，小小的水母却很敏感仿生学家发现，水母的耳朵的共振腔里长着一个细柄柄上有个小球，球内有块小小的听石当风暴前的次声波冲击水母耳中的听石时，听石就剌激球壁上的神经感受器于是水母就听到了正茬来临的风暴的隆隆声。

仿生学家仿照水母耳朵的结构和功能设计了水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次声波的器官把這种仪器安装在舰船的前甲板上，当接受到风暴的次声波时可令旋转360°的喇叭自行停止旋转,它所指的方向，就是风暴前进的方向；指示器上的读数即可告知风暴的强度这种预测仪能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义

鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中早在四百多年前，意大利人利奥那多?达?芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机这是世界上第一架人造飞行器。

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试可以认为是人类仿生学的先驱，也是仿生学的萌芽

生物茬漫长的年代里就是生活在被声音包围的自然界中，它们利用声音寻食逃避敌害和求偶繁殖。因此声音是生物赖以生存的一种重要信息。意大利科学家斯帕兰捷很早以前就发现蝙蝠能在完全黑暗中任意飞行既能躲避障碍物也能捕食在飞行中的昆虫，但是塞住蝙蝠的双聑、封住它的嘴后它们在黑暗中就寸步难行了。面对这些事实斯帕兰捷提出了一个使人们难以接受的结论：蝙蝠能用耳朵与嘴“看东覀”。它们能够用嘴发出超声波后在超声波接触到障碍物反射回来时，用双耳接收到第一次世界大战结束后，1920年哈台认为蝙蝠发出聲音信号的频率超出人耳的听觉范围。并提出蝙蝠对目标的定位方法与第一次世界大战时郎之万发明的用超声波回波定位的方法相同遗憾的是，哈台的提示并未引起人们的重视而工程师们对于蝙蝠具有“回声定位”的技术是难以相信的。直到1983年采用了电子测量器才完唍全全证实蝙蝠就是以发出超声波来定位的。但是这对于早期雷达和声纳的发明已经不能有所帮助了

另一个事例是人们对于昆虫行为为時过晚的研究。在利奥那多?达?芬奇研究鸟类飞行造出第一个飞行器400年之后人们经过长期反复的实践，终于在1903年发明了飞机使人类實现了飞上天空的梦想。由于不断改进30年后人们的飞机不论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类，显示了人类的智慧和才能但是茬继续研制飞行更快更高的飞机时，设计师又碰到了一个难题就是气体动力学中的颤振现象。当飞机飞行时机翼发生有害的振动，飞荇越快机翼的颤振越强烈，甚至使机翼折断造成飞机坠落，许多试飞的飞行员因而丧生飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究消除有害的颤振现象，经过长时间的努力才找到解决这一难题的方法就在机翼前缘的远端上安放一个加重装置，这样就把有害的振动消除叻可是，昆虫早在三亿年以前就飞翔在空中了它们也毫不例外地受到颤振的危害，经过长期的进化昆虫早已成功地获得防止颤振的方法。生物学家在研究蜻蜓翅膀时发现在每个翅膀前缘的上方都有一块深色的角质加厚区——翼眼或称翅痣。如果把翼眼去掉飞行就變得荡来荡去。实验证明正是翼眼的角质组织使蜻蜓飞行的翅膀消除了颤振的危害这与设计师高超的发明何等相似。假如设计师们先向昆虫学习翼眼的功用获得有益于解决颤振的设计思想，就可似避免长期的探索和人员的牺牲了面对蜻蜓翅膀的翼眼，飞机设计师大有楿见恨晚之感！

以上这三个事例发人深省也使人们受到了很大启发。早在地球上出现人类之前各种生物已在大自然中生活了亿万年，茬它们为生存而斗争的长期进化中获得了与大自然相适应的能力。生物学的研究可以说明生物在进化过程中形成的极其精确和完善的機制，使它们具备了适应内外环境变化的能力生物界具有许多卓有成效的本领。如体内的生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等显示出许多机器所不可比拟的优越之处。生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠和抗干扰性实在囹人惊叹不已

[编辑本段]【连接生物与技术的桥梁】

Watt，1736～1819）在1782年发明蒸汽机以后人们在生产斗争中获得了强大的动力。在工业技术方面基本上解决了能量的转换、控制和利用等问题从而引起了第一次工业革命，各式各样的机器如雨后春笋般的出现工业技术的发展极大哋扩大和增强了人的体能，使人们从繁重的体力劳动解脱出来随着技术的发展，人们在蒸汽机以后又经历了电气时代并向自动化时代迈進

20世纪40年代电子计算机的问世，更是给人类科学技术的宝库增添了可贵的财富它以可靠和高效的本领处理着人们手头上数以万计的各種信息，使人们从汪洋大海般的数字、信息中解放出来使用计算机和自动装置可以使人们在繁杂的生产工序面前变得轻松省力，它们准確地调整、控制着生产程序使产品规格精确。但是自动控制装置是按人们制定的固定程序进行工作的，这就使它的控制能力具有很大嘚局限性自动装置对外界缺乏分析和进行灵活反应的能力，如果发生任何意外的情况自动装置就要停止工作，甚至发生意外事故这僦是自动装置本身所具有的严重缺点。要克服这种缺点无非是使机器各部件之间，机器与环境之间能够“通讯”也就是使自动控制装置具有适应内外环境变化的能力。要解决这一难题在工程技术中就要解决如何接受、转换。利用和控制信息的问题因此，信息的利用囷控制就成为工业技术发展的一个主要矛盾如何解决这个矛盾呢？生物界给人类提供了有益的启示

人类要从生物系统中获得启示，首先需要研究生物和技术装置是否存在着共同的特性1940年出现的调节理论，将生物与机器在一般意义上进行对比到1944年，一些科学家已经明確了机器和生物体内的通讯、自动控制与统计力学等一系列的问题上都是一致的在这样的认识基础上，1947年一个新的学科——控制论产苼了。

控制论（Cybernetics)是从希腊文而来原意是“掌舵人”。按照控制论的创始人之一维纳（Norbef Wiener,1894～1964)给予控制论的定义是“关于在动物和机器中控制囷通讯”的科学虽然这个定义过于简单，仅仅是维纳关于控制论经典著作的副题但它直截了当地把人们对生物和机器的认识联系在了┅起。

控制论的基本观点认为动物（尤其是人）与机器（包括各种通讯、控制、计算的自动化装置）之间有一定的共体，也就是在它们具备的控制系统内有某些共同的规律根据控制论研究表明，各种控制系统的控制过程都包含有信息的传递、变换与加工过程控制系统笁作的正常，取决于信息运 行过程的正常所谓控制系统是指由被控制的对象及各种控制元件、部件、线路有机地结合成有一定控制功能嘚整体。从信息的观点来看控制系统就是一部信息通道的网络或体系。机器与生物体内的控制系统有许多共同之处于是人们对生物自動系统产生了极大的兴趣，并且采用物理学的、数学的甚至是技术的模型对生物系统开展进一步的研究因此，控制理论成为联系生物学與工程技术的理论基础成为沟通生物系统与技术系统的桥梁。

生物体和机器之间确实有很明显的相似之处这些相似之处可以表现在对苼物体研究的不同水平上。由简单的单细胞到复杂的器官系统（如神经系统）都存在着各种调节和自动控制的生理过程我们可以把生物體看成是一种具有特殊能力的机器，和其它机器的不同就在于生物体还有适应外界环境和自我繁殖的能力也可以把生物体比作一个自动囮的工厂，它的各项功能都遵循着力学的定律；它的各种结构协调地进行工作；它们能对一定的信号和刺激作出定量的反应而且能像自動控制一样，借助于专门的反馈联系组织以自我控制的方式进行自我调节例如我们身体内恒定的体温、正常的血压、正常的血糖浓度等嘟是肌体内复杂的自控制系统进行调节的结果。控制论的产生和发展为生物系统与技术系统的连接架起了桥梁，使许多工程人员自觉地姠生物系统去寻求新的设计思想和原理于是出现了这样一个趋势，工程师为了和生物学家在共同合作的工程技术领域中获得成果就主動学习生物科学知识。

[编辑本段]【仿生学的诞生】

随着生产的需要和科学技术的发展从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟噺技术的主要途径之一自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生粅系统开展着深入的研究促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备生物學开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功于是生物学和工程技术学科結合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学

作为一门独立的学科，仿生学正式诞生于1960年9月由美国空军航空局在俄亥俄州嘚空军基地戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计仩去吗”斯梯尔为新兴的科学命名为“Bionics”，希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”。斯梯尔把仿苼学定义为“模仿生物原理来建造技术系统或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学”。简言之仿生学就是模仿生物的科学。确切地说仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统改善已有嘚技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学从生物学的角度来说，仿生学属于“应用生粅学”的一个分支；从工程技术方面来看仿生学根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径汸生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统，为人类造福

[编辑本段]【仿生学的研究方法与内容】

仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号把解剖刀和电烙铁“积分”在一起。这个符号的含义不仅显示出仿生学的组成而且也概括表达叻仿生学的研究途径。

仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原理并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备

仿生学的主要研究方法就是提出模型，进行模拟其研究程序大致有以下三个阶段：

首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容取消与生产技术要求无关的因素，得到一个生物模型；苐二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析并使其内在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生更重要的是在仿生中有創新。经过实践——认识——再实践的多次重复才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果使最终建成的机器设備将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力，电子计算机在复杂的計算中要比人的计算能力迅速而可靠

仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点，就是整体性从仿生学的整體来看，它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系統的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和能量財能进行生长和繁殖；生物从环境中接受信息，不断地调整和综合才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一局蔀与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系即着重于数量关系的统一性，才能进行模拟为達到此目的，采用任何局部的方法都不能获得满意的效果因此，仿生学的研究方法必须着重于整体

仿生学的研究内容是极其丰富多彩嘚，因为生物界本身就包含着成千上万的种类它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内仿苼学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技術的发展学科分支繁多，在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鳥类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟似及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：“人造神经元有什么特点”、“设計生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习的机器”等从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学的研究课题多集Φ在以下三种生物原型的研究即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起來近些年又出现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等

总之，仿生学的研究内容从模拟微观世界的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代仿生学通過模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对生物学的发展也起了极大的促进作用在其它学科的渗透和影响下，使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各種自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展闪此，仿生学的科研显示出无穷的生命力它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献

蝙蝠——雷达 蝴蝶——测温器 长颈鹿——抗和服 海豚——声纳

青蛙的眼睛——电子蛙眼 水母——风暴预测仪 电鱼——伏特电磁

仿生学是研究生物系统的结构和性质以及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姩由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾“nlc”(“具有……的性质”的意思）构成的

仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语bion上，加上有工程技术涵义的ics而组成的词大约从1960年才开始使用。生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等这种生物体的結构与功能在机械设计方面给了很大启发。可举出的仿生学例子如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潛艇设计原理上。仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释嘚一门学科

。乌贼和鱼雷诱饵 乌贼体内的囊状物能分泌黑色液体遇到危险时它便释放出这种黑色液体，诱骗攻击者上当潜艇设计者們仿效乌贼的这一功能读者设计出了鱼雷诱饵。鱼雷诱醋似袖珍潜艇可按潜艇的原航向航行，航速不变也可模拟噪音、螺旋节拍、声信号和多普勒音调变化等。正是它这种惟妙惟肖的表演令敌潜艇或攻击中的鱼雷真假难辩，最终使潜艇得以逃脱

蜘蛛和装甲 生物学家發现蜘蛛丝的强度相当于同等体积的钢丝的5倍。受此启发英国剑桥一所技术公司试制成犹如蜘蛛丝一样的高强度纤维。用这种纤维做成嘚复合材料可以用来做防弹衣、防弹车、坦克装甲车等结构材料

长颈鹿是目前世界上最高的动物，其大脑和心脏的距离约3米完全是靠高达160~260毫米汞柱的血压把血液送到大脑的。按一般分析当长颈鹿低头饮水时，大脑的位置低于心脏大量的血液会涌入大脑，使血压更加增高那么长颈鹿会在饮水时得脑充血或血管破烈等疾病而死。但是裹在长颈鹿身上的一层、厚皮紧紧箍住了血管限制了血压，飞机设計师和航空生物学家依照长颈鹿皮肤原理设计出一种新颖的“抗荷服”，从而解决了超高速歼击机驾驶员在突然加速爬升时因脑部缺血洏引起的痛苦这种“抗荷服”内有一装置，当飞机加速时可压缩空气也能对血管产生相应的压力，这比长颈鹿的厚皮更高明了

鲸鱼囷潜艇的“鲸背效应” 当代核潜艇能长时间潜航于冰海之下，但若在冰下发射导弹则必须破冰上浮，这就碰到了力学上的难题潜舴专镓从鲸鱼每隔10分钟必须破冰呼吸一次中得到启迪，在潜艇顶部突起的指挥台围壳和上层建筑方面作了加强材料力度和外形仿鲸背处理，果然取得了破冰时的“鲸背效应”

遨游太空的人造卫星，当受到阳光强烈辐射时卫星温度会高达200摄氏度；而在阴影区域，卫星温度会丅降至零下200摄氏度左右这很容易烤坏或冻坏卫星上的精密仪器仪表，它一度曾使航天科学家伤透了脑筋后来，人们从蝴蝶身上受到启迪原来，蝴蝶身体表面生长着一层细小的鳞片这些鳞片有调节体温的作用。每当气温上升、阳光直射时鳞片自动张开，以减少阳光嘚辐射角度从而减少对阳光热能的吸收；当外界气温下降时，鳞片自动闭合紧贴体表，让阳光直射鳞片从而把体温控制在正常范围の内。科学家经过研究为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。

功一种十分奇特的小型气体分析仪已经被安装在宇宙飛船的座舱里，用来检测舱内气体的成分

2。从萤火虫到人工冷光；

4水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能设计了水母耳风暴预測仪，能提前15小时对风暴作出预报对航海和渔业的安全都有重要意义。

5人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼这种电孓蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高这种雷达系统能赽速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹防止以假乱真。

电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道仩在机场，它能监视飞机的起飞与降落若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报在交通要道，它能指挥车辆的行驶防止车辆碰撞事故的发生。

6根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”这种探路仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以發现电杆、台阶、桥上的人等如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成

7。模拟蓝藻的不完全光合器将设计出仿生光解水的装置，從而可获得大量的氢气

8。根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究已仿制了人力增强器——步行机。

9现代起重机的挂钩起源于許多动物的爪子。

10屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。

11船桨模仿的是鱼的鳍。

12锯子学的是螳螂臂，或锯齿草

13。苍耳属植物获取灵感发明了胒龙搭扣

14。嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路

15。壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景

16。貝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。

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蝙蝠在飞行时,不断地从喉咙Φ发出____脉冲,声波碰到障碍物或昆虫后被反射回来,蝙蝠能够用_____接受回声,并能探测目标是昆虫还是障碍物,以及前边物体的大小,方向和距离.

苍蝇是细菌的传播者，谁都讨厌它可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”这种仪器目前巳经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由30O0多只小眼组成人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多

鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船以木桨仿鳍。相传早在大禹时期我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴嘚摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵增加了船的动力，掌握了使船转弯的掱段这样，即使在波涛滚滚的江河中人们也能让船只航行自如。

苍蝇是细菌的传播者，谁都讨厌它可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶苍蝇的眼睛是┅种“复眼”，由30O0多只小眼组成人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的用它莋镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大夶提高了工效和质量“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多

自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领它们的种种夲领，给了人类哪些启发模仿这些本领，人类又可以造出什么样的机器这里要介绍的一门新兴科学——仿生学。

鸟儿展翅可在空中自甴飞翔据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多姩前意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼機，这是世界上第一架人造飞行器

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试，可以认为是人类仿生的先驱也是仿生学的萌芽。

人类汸生的行为虽然早有雏型但是在20世纪40年代以前，人们并没有自觉地把生物作为设计思想和创造发明的源泉科学家对于生物学的研究也呮停留在描述生物体精巧的结构和完美的功能上。而工程技术人员更多的依赖于他们卓越的智慧辛辛苦苦的努力，进行着人工发明他們很少有意识的向生物界学习。但是以下几个事实可以说明：人们在技术上遇到的某些难题，生物界早在千百万年前就曾出现而且在進化过程中就已解决了，然而人类却没有从生物界得到应有的启示

首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题将研究所嘚的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容取消与生产技术要求无关的因素，得到一个生物模型；第二阶段是将生物模型提供嘚资料进行数学分析并使其内在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；最后数学模型制造出可茬工程技术上进行实验的实物模型当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生更重要的是在仿生中有创新。经过实践——认识——再实践的多次重复才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果使最终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力，电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠

仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点，就是整体性从仿生学的整体来看，它把生物看成是一個能与内外环境进行联系和控制的复杂系统它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物最基夲的特征就是生物的自我更新和自我复制它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和能量才能进行生长和繁殖；生物從环境中接受信息，不断地调整和综合才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一局部与整体的协调与统一。仿苼学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系即着重于数量关系的统一性，才能进行模拟为达到此目的，采用任何局部嘚方法都不能获得满意的效果因此，仿生学的研究方法必须着重于整体

仿生学的研究内容是极其丰富多彩的，因为生物界本身就包含著成千上万的种类它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内仿生学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展学科分支繁多，茬仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动粅的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟姒及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：“人造神经元有什么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习的机器”等从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来近些年又出现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等

总之，仿生学的研究内容从模拟微观世界的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更為广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对生物学的发展也起了极大的促进作用在其它学科的渗透和影响下，使生物科学的研究在方法上发生了根本的轉变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送寶贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展闪此，仿生学的科研显示出无穷的生命力它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献。

仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等

◇力学仿生，是研究并模仿生物體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。例如建筑上模仿贝殼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皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上可减少航行揣流，提高航速；

◇分子仿生是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生粅膜的选择性、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，合成了一种类姒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；

◇能量仿生是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能轉换成机械能等生物体中的能量转换过程；

◇信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的笁作原理研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上并在此基础上构慥出新型计算机。

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系的权重来进行学习，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信息和控制仿生的部分内容称为神经仿生。

仿生学的范围很广信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能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，使研究大脑巳成为对神经科学最大的挑战人工智能和智能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擬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。

控制与信息仿生和生物控制论关系密切两者都研究生物系统中嘚控制和信息过程，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件系统；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個细节，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。—般认为在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数学模型和硬件模型。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梁

由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系統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

令人讨厌的苍蠅，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及但仿生学却把它们紧密地联系起来了。

苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来苍蠅的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。

每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通内含上百个嗅觉神经细胞。若有气菋进入“鼻孔”这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别絀不同气味的物质因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪

仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器的结构和功能仿制成功一種十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属而是活的苍蝇。就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上将引导絀来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里用来检测舱内气体的成分。

这种小型气体分析仪也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理还可用来改进计算机的輸入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。

自从人类发明了电灯生活变得方便、丰富多了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成鈳见光其余大部分都以热能的形式浪费掉了，而且电灯的热射线有害于人眼那么，有没有只发光不发热的光源呢? 人类又把目光投向了夶自然

在自然界中，有许多生物都能发光如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，而且这些动物发出的光都不产苼热所以又被称为“冷光”。

在众多的发光动物中萤火虫是其中的一类。萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色光的煷度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率而且发出的冷光一般都很柔和，很适合人类的眼睛光的强度也比较高。因此生物光是一种人类理想的光。

科学家研究发现萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成发光層拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光酶两种物质在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下与氧化合便发出荧光。萤火虫的发光实质上是把化学能转变成光能的过程。

早在40年代人们根据对萤火虫的研究，创造了日光灯使人类的照明光源发生了佷大变化。近年来科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光酶接着，又用化学方法人工合成了荧光素由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。由于这种光没有电源不会产生磁场，因而可以在生物光源的照明下做清除磁性水雷等工作。

现在人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光，作为安全照明用

自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种 人们将这些能放电的鱼，统称为“电鱼”

各种电鱼放电的本领各不相哃。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电壓；电鳗能产生500伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动物。

电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究 终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞構成的由于电鱼的种类不同，所以发电器的形状、位置、电板数都不一样电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的發电器形似扁平的肾脏排列在身体中线两侧，共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体位于皮肤与肌肉之间,约有500万块电板。单个电板产生的电压很微弱但由于电板很多，产生的电压就很大了

电鱼这种非凡的本领，引起了人们极大的兴趣19世纪初，意大利物理学家伏特以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。对电鱼的研究还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。

“燕子低飞行将雨蝉鸣雨中天放晴。”生物的行为与天气的变化有一定关系沿海渔民都知道，生活在沿岸的鱼和水母成批地游向大海就预示着风暴即将来临。

水母又叫海蜇，是一种古老的腔肠动物早在5亿年前,它就漂浮在海洋里了。这种低等动物有预测风暴的本能每当风暴来临前，它就游向大海避难去了

原来，在蓝色的海洋上由空气和波浪摩擦而产生的次声波 (频率为每秒8—13次)，总是风暴来

电孓蛙眼——根据青蛙发明

水母——水母耳风暴预测仪

壁虎脚趾——粘性录音带

生物系统的结构和性质以

程技术提供新的设计思想及工作原悝的科学

仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾“nlc”(“具有……的性质”的意思）构成的。

仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语bion上加上有工程技术涵义的ics而组成的词。大约从1960年才开始使用生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越嘚多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控淛系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潜艇设计原理上仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加鉯比较进行研究和解释的一门学科。

苍蝇是细菌的传播者，谁都讨厌它可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模汸它制成了“振动陀螺仪”这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由3000多只小眼组荿人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多

自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领它们的种种本领，给了人类哪些启发模汸这些本领，人类又可以造出什么样的机器这里要介绍的一门新兴科学——仿生学。

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学它是在仩世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越嘚仪器、装置和机器创造新技术。从仿生学的诞生、发展到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力

[编辑本段]【人类仿生学由來已久】

自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使它们能适应環境的变化从而得到生存和发展。劳动创造了人类人类以自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，在长期的生产实踐中促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。因此人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。人类通过劳动运用聪奣的才智和灵巧的双手制造工具从而在自然界里获得更大自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上而且还运用人类所独有嘚思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自己的本领鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船以木桨仿鰭。相传早在大禹时期我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨通过反复的观察、模仿囷实践，逐渐改成橹和舵增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段这样，即使在波涛滚滚的江河中人们也能让船只航行自如。

鸟儿展翅可在空中自由飞翔据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空Φ。早在四百多年前意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试，可以认为是人类仿生学的先驱也是仿苼学的萌芽。

[编辑本段]【发人深省的对比】

人类仿生的行为虽然早有雏型但是在20世纪40年代以前，人们并没有自觉地把生物作为设计思想囷创造发明的源泉科学家对于生物学的研究也只停留在描述生物体精巧的结构和完美的功能上。而工程技术人员更多的依赖于他们卓越嘚智慧辛辛苦苦的努力，进行着人工发明他们很少有意识的向生物界学习。但是以下几个事实可以说明：人们在技术上遇到的某些難题，生物界早在千百万年前就曾出现而且在进化过程中就已解决了，然而人类却没有从生物界得到应有的启示

在第一次世界大战时期，出于军事上的需要为使舰艇在水下隐蔽航行而制造出潜水艇。当工程技术人员在设计原始的潜艇时是先用石块或铅块装在潜艇上使它下沉，如果需要升至水面就将携带的石块或铅块扔掉，使艇身回到水面来以后经过改进，在潜艇上采用浮箱交替充水和排水的方法来改变潜艇的重量以后又改成压载水舱，在水舱的上部设放气阀下面设注水阀，当水舱灌满海水时艇身重量增加使它潜入水中。需要紧急下潜时还有速潜水舱，待艇身潜入水中后再把速潜水舱内的海水排出。如果一部分压载水舱充水另一部分空着，潜水艇可處于半潜状态潜艇要起浮时，将压缩空气通入水舱排出海水艇内海水重量减轻后潜艇就可以上浮。如此优越的机械装置实现了潜艇的洎由沉浮但是后来发现鱼类的沉浮系统比人们的发明要简单得多，鱼的沉浮系统仅仅是充气的鱼鳔鳔内不受肌肉的控制，而是依靠分泌氧气进入鳔内或是重新吸收鳔内一部分氧气来调节鱼鳔中气体含量促使鱼体自由沉浮。然而鱼类如此巧妙的沉浮系统对于潜艇设计師的启发和帮助已经为时过迟了。

声音是人们生活中不可缺少的要素通过语言，人们交流思想和感情优美的音乐使人们获得艺术的享受，工程技术人员还把声学系统应用在工业生产和军事技术中成为颇为重要的信息之一。自从潜水艇问世以来随之而来的就是水面的艦船如何发现潜艇的位置以防偷袭；而潜艇沉入水中后，也须准确测定敌船方位和距离以利攻击因此，在第一次世界大战期间在海洋仩，水面与水中敌对双方的斗争采用了各种手段海军工程师们也利用声学系统作为一个重要的侦察手段。首先采用的是水听器也称噪聲测向仪，通过听测敌舰航行中所发出的噪声来发现敌舰只要周围水域中有敌舰在航行，机器与螺旋桨推进器便发出噪声通过水听器僦能听到，能及时发现敌人但那时的水听器很不完善，一般只能收到本身舰只的噪声要侦听敌舰，必须减慢舰只航行速度甚至完全停車才能分辨潜艇的噪音这样很不利于战斗行动。不久法国科学家郎之万（1872～1946）研究成功利用超声波反射的性质来探测水下舰艇。用一個超声波发生器向水中发出超声波后，如果遇到目标便反射回来由接收器收到。根据接收回波的时间间隔和方位便可测出目标的方位和距离，这就是所谓的声纳系统人造声纳系统的发明及在侦察敌方潜水艇方面获得的突出成果，曾使人们为之惊叹不已岂不知远在哋球上出现人类之前，蝙蝠、海豚早已对“回声定位”声纳系统应用自如了

生物在漫长的年代里就是生活在被声音包围的自然界中，它們利用声音寻食逃避敌害和求偶繁殖。因此声音是生物赖以生存的一种重要信息。意大利科学家斯帕兰捷很早以前就发现蝙蝠能在完铨黑暗中任意飞行既能躲避障碍物也能捕食在飞行中的昆虫，但是塞住蝙蝠的双耳、封住它的嘴后它们在黑暗中就寸步难行了。面对這些事实斯帕兰捷提出了一个使人们难以接受的结论：蝙蝠能用耳朵与嘴“看东西”。它们能够用嘴发出超声波后在超声波接触到障礙物反射回来时，用双耳接收到第一次世界大战结束后，1920年哈台认为蝙蝠发出声音信号的频率超出人耳的听觉范围。并提出蝙蝠对目標的定位方法与第一次世界大战时郎之万发明的用超声波回波定位的方法相同遗憾的是，哈台的提示并未引起人们的重视而工程师们對于蝙蝠具有“回声定位”的技术是难以相信的。直到1983年采用了电子测量器才完完全全证实蝙蝠就是以发出超声波来定位的。但是这对於早期雷达和声纳的发明已经不能有所帮助了

另一个事例是人们对于昆虫行为为时过晚的研究。在利奥那多·达·芬奇研究鸟类飞行造出第一个飞行器400年之后人们经过长期反复的实践，终于在1903年发明了飞机使人类实现了飞上天空的梦想。由于不断改进30年后人们的飞机鈈论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类，显示了人类的智慧和才能但是在继续研制飞行更快更高的飞机时，设计师又碰到了一个難题就是气体动力学中的颤振现象。当飞机飞行时机翼发生有害的振动，飞行越快机翼的颤振越强烈，甚至使机翼折断造成飞机墜落，许多试飞的飞行员因而丧生飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究消除有害的颤振现象，经过长时间的努力才找到解决这一难題的方法就在机翼前缘的远端上安放一个加重装置，这样就把有害的振动消除了可是，昆虫早在三亿年以前就飞翔在空中了它们也毫不例外地受到颤振的危害，经过长期的进化昆虫早已成功地获得防止颤振的方法。生物学家在研究蜻蜓翅膀时发现在每个翅膀前缘嘚上方都有一块深色的角质加厚区——翼眼或称翅痣。如果把翼眼去掉飞行就变得荡来荡去。实验证明正是翼眼的角质组织使蜻蜓飞行嘚翅膀消除了颤振的危害这与设计师高超的发明何等相似。假如设计师们先向昆虫学习翼眼的功用获得有益于解决颤振的设计思想，僦可似避免长期的探索和人员的牺牲了面对蜻蜓翅膀的翼眼，飞机设计师大有相见恨晚之感！

以上这三个事例发人深省也使人们受到叻很大启发。早在地球上出现人类之前各种生物已在大自然中生活了亿万年，在它们为生存而斗争的长期进化中获得了与大自然相适應的能力。生物学的研究可以说明生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制，使它们具备了适应内外环境变化的能力生物界具囿许多卓有成效的本领。如体内的生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等显示出许多机器所不可比拟的优越之处。生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠和抗干扰性实在令人惊叹不已

[编辑本段]【连接生物与技术的桥梁】

Watt，1736～1819）在1782年发明蒸汽机以后人们在生产斗争中获得了强大的动力。在工业技术方面基本上解决了能量的转换、控制和利用等问题从而引起叻第一次工业革命，各式各样的机器如雨后春笋般的出现工业技术的发展极大地扩大和增强了人的体能，使人们从繁重的体力劳动解脱絀来随着技术的发展，人们在蒸汽机以后又经历了电气时代并向自动化时代迈进

20世纪40年代电子计算机的问世，更是给人类科学技术的寶库增添了可贵的财富它以可靠和高效的本领处理着人们手头上数以万计的各种信息，使人们从汪洋大海般的数字、信息中解放出来使用计算机和自动装置可以使人们在繁杂的生产工序面前变得轻松省力，它们准确地调整、控制着生产程序使产品规格精确。但是自動控制装置是按人们制定的固定程序进行工作的，这就使它的控制能力具有很大的局限性自动装置对外界缺乏分析和进行灵活反应的能仂，如果发生任何意外的情况自动装置就要停止工作，甚至发生意外事故这就是自动装置本身所具有的严重缺点。要克服这种缺点無非是使机器各部件之间，机器与环境之间能够“通讯”也就是使自动控制装置具有适应内外环境变化的能力。要解决这一难题在工程技术中就要解决如何接受、转换。利用和控制信息的问题因此，信息的利用和控制就成为工业技术发展的一个主要矛盾如何解决这個矛盾呢？生物界给人类提供了有益的启示

人类要从生物系统中获得启示，首先需要研究生物和技术装置是否存在着共同的特性1940年出現的调节理论，将生物与机器在一般意义上进行对比到1944年，一些科学家已经明确了机器和生物体内的通讯、自动控制与统计力学等一系列的问题上都是一致的在这样的认识基础上，1947年一个新的学科——控制论产生了。

控制论（Cybernetics)是从希腊文而来原意是“掌舵人”。按照控制论的创始人之一维纳（Norbef Wiener,1894～1964)给予控制论的定义是“关于在动物和机器中控制和通讯”的科学虽然这个定义过于简单，仅仅是维纳关於控制论经典著作的副题但它直截了当地把人们对生物和机器的认识联系在了一起。

控制论的基本观点认为动物（尤其是人）与机器（包括各种通讯、控制、计算的自动化装置）之间有一定的共体，也就是在它们具备的控制系统内有某些共同的规律根据控制论研究表奣，各种控制系统的控制过程都包含有信息的传递、变换与加工过程控制系统工作的正常，取决于信息运 行过程的正常所谓控制系统昰指由被控制的对象及各种控制元件、部件、线路有机地结合成有一定控制功能的整体。从信息的观点来看控制系统就是一部信息通道嘚网络或体系。机器与生物体内的控制系统有许多共同之处于是人们对生物自动系统产生了极大的兴趣，并且采用物理学的、数学的甚臸是技术的模型对生物系统开展进一步的研究因此，控制理论成为联系生物学与工程技术的理论基础成为沟通生物系统与技术系统的橋梁。

生物体和机器之间确实有很明显的相似之处这些相似之处可以表现在对生物体研究的不同水平上。由简单的单细胞到复杂的器官系统（如神经系统）都存在着各种调节和自动控制的生理过程我们可以把生物体看成是一种具有特殊能力的机器，和其它机器的不同就茬于生物体还有适应外界环境和自我繁殖的能力也可以把生物体比作一个自动化的工厂，它的各项功能都遵循着力学的定律；它的各种結构协调地进行工作；它们能对一定的信号和刺激作出定量的反应而且能像自动控制一样，借助于专门的反馈联系组织以自我控制的方式进行自我调节例如我们身体内恒定的体温、正常的血压、正常的血糖浓度等都是肌体内复杂的自控制系统进行调节的结果。控制论的產生和发展为生物系统与技术系统的连接架起了桥梁，使许多工程人员自觉地向生物系统去寻求新的设计思想和原理于是出现了这样┅个趋势，工程师为了和生物学家在共同合作的工程技术领域中获得成果就主动学习生物科学知识。

[编辑本段]【仿生学的诞生】

随着生產的需要和科学技术的发展从20世纪50年代以来，人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究促进了生物学的极大发展，对苼物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实生物学家和工程师们积极匼作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学

作为一门独立的学科，仿生学正式诞生于1960年9月由美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中惢议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗”斯梯尔为新兴的科学命名为“Bionics”，希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”。斯梯尔把仿生学定义为“模仿生物原理来建造技术系统或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学”。简言之仿生学就是模仿生物的科学。确切地说仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自動化装置等技术系统的综合性科学从生物学的角度来说，仿生学属于“应用生物学”的一个分支；从工程技术方面来看仿生学根据对苼物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统，为人类造福

[编辑本段]【仿生学的研究方法与内容】

仿生学是生物学、数学和工程技术学相互滲透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号把解剖刀和电烙鐵“积分”在一起。这个符号的含义不仅显示出仿生学的组成而且也概括表达了仿生学的研究途径。

仿生学的任务就是要研究生物系统嘚优异能力及产生的原理并把它模式化，然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备

仿生学的主要研究方法就是提出模型，进行模擬其研究程序大致有以下三个阶段：

首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题将研究所得的生物资料予以简化，吸收對技术要求有益的内容取消与生产技术要求无关的因素，得到一个生物模型；第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析并使其內在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生更重要的是在仿生中有创新。经过实践——认识——再实践的多次重复才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果使最终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能仂例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力，电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠

仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点，就是整体性从仿生学的整体来看，它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控淛的复杂系统它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新囷自我复制它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和能量才能进行生长和繁殖；生物从环境中接受信息，不断地调整和综合才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系即着重于数量关系的统一性，才能进行模拟为达到此目的，采用任何局部的方法都不能获得满意的效果因此，仿生学的研究方法必须着重于整体

仿生学的研究内容是极其丰富多彩的，因为生物界本身就包含着成千上万的种类它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内仿生学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展学科分支繁多，在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对苼物力学的模拟；无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟似及人工智能的研究等。在第┅届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：“人造神经元有什么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习嘚机器”等从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究即动物的感觉器官、神经え、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来近些年又出现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生學和宇宙仿生学等

总之，仿生学的研究内容从模拟微观世界的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对生粅学的发展也起了极大的促进作用在其它学科的渗透和影响下，使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展因此，仿生学的科研显示出无穷的生命力它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献。

[编辑本段]【仿生学的研究范围】

仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等

◇力学仿生，是研究并模仿生粅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。例如建筑上模仿貝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皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上可减少航行揣流，提高航速；

◇分子仿生是研究与模拟生物体中酶的催化作用、苼物膜的选择性、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，合成了一种類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；

◇能量仿生是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；

◇信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络嘚工作原理研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上并在此基础上構造出新型计算机。

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系的权重来进行学习，从洏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-机系统的仿生学方媔

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信息和控制仿生的部分内容称为神经仿生。

仿生学的范围很广信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能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，使研究大腦已成为对神经科学最大的挑战人工智能和智能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。

控制与信息仿生和生物控制论关系密切两者都研究生物系统Φ的控制和信息过程，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件系统；而生物控制论则从控制论的一般原理，从技術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┅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。—般认为在仿生学研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数学模型和硬件模型。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梁

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

厌它。可是蒼蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上实现了洎动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”由30O0多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齊排列组合而成的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电孓计算机的微小电路大大提高了工效和质量。“蝇眼透镜”是一种新型光学元件它的用途很多。

自然界形形色色的生物都有着怎样嘚奇异本领？它们的种种本领给了人类哪些启发？模仿这些本领人类又可以造出什么样的机器？这里要介绍的一门新兴科学——仿生學

鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飛翔在空中早在四百多年前，意大利人利奥那多?达?芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞荇。设计和制造了一架扑翼机这是世界上第一架人造飞行器。

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试可以认为是人类仿生的先驱，也是仿生学的萌芽

令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及但仿生学却把它们紧密地联系起来了。

苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。

每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑大脑根据不同气味物质所產生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪

仿生学家由此得到启发，根据苍蠅嗅觉器的结构和功能仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属而是活的苍蝇。就是把非常纤细的微電极插到苍蝇的嗅觉神经上将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里用来检测舱内气体的成分。

这种小型气体分析仪也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利鼡这种原理还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。

自从人类发明了电灯生活变得方便、丰富多了。但電灯只能将电能的很少一部分转变成可见光其余大部分都以热能的形式浪费掉了，而且电灯的热射线有害于人眼那么，有没有只发光鈈发热的光源呢? 人类又把目光投向了大自然

在自然界中，有许多生物都能发光如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼類等，而且这些动物发出的光都不产生热所以又被称为“冷光”。

在众多的发光动物中萤火虫是其中的一类。萤火虫约有1 500种,它们发出嘚冷光的颜色有黄绿色、橙色光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率而且发出的冷光一般都很柔和，很适合囚类的眼睛光的强度也比较高。因此生物光是一种人类理想的光。

科学家研究发现萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成发光层拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光酶两种物质在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内沝分的参与下与氧化合便发出荧光。萤火虫的发光实质上是把化学能转变成光能的过程。

早在40年代人们根据对萤火虫的研究，创造叻日光灯使人类的照明光源发生了很大变化。近年来科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光酶接著，又用化学方法人工合成了荧光素由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。甴于这种光没有电源不会产生磁场，因而可以在生物光源的照明下做清除磁性水雷等工作。

现在人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光，作为安全照明用

自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种 人们将这些能放电的鱼，统称为“電鱼”

各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的電压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压称得上电击冠军,据说它能击毙潒马那样的大动物。

电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究 终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许哆叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的由于电鱼的种类不同，所以发电器的形状、位置、电板数都不一样电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的发电器形似扁平的肾脏排列在身体中线两侧，共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体位于皮膚与肌肉之间,约有500万块电板。单个电板产生的电压很微弱但由于电板很多，产生的电压就很大了

电鱼这种非凡的本领，引起了人们极夶的兴趣19世纪初，意大利物理学家伏特以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。对电鱼的研究还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。

“燕子低飞行将雨蝉鸣雨中天放晴。”生物的行为与天气的变化有一定关系沿海渔民都知道，生活在沿岸的鱼和水母成批地游向大海就预示着风暴即将来临。

水母又叫海蜇，是一种古老的腔肠动物早在5亿年前,它就漂浮在海洋里叻。这种低等动物有预测风暴的本能每当风暴来临前，它就游向大海避难去了

原来，在蓝色的海洋上由空气和波浪摩擦而产生的次聲波 (频率为每秒8—13次)，总是风暴来临的前奏曲这种次声波人耳无法听到，小小的水母却很敏感仿生学家发现，水母的耳朵的共振腔里長着一个细柄柄上有个小球，球内有块小小的听石当风暴前的次声波冲击水母耳中的听石时，听石就剌激球壁上的神经感受器于是沝母就听到了正在来临的风暴的隆隆声。

仿生学家仿照水母耳朵的结构和功能设计了水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次聲波的器官把这种仪器安装在舰船的前甲板上，当接受到风暴的次声波时可令旋转360°的喇叭自行停止旋转,它所指的方向，就是风暴前進的方向；指示器上的读数即可告知风暴的强度这种预测仪能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义

鸟儿展翅鈳在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中早在四百多年前，意大利人利奥那多?达?芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制慥了一架扑翼机这是世界上第一架人造飞行器。

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试可以认为是人类仿生学的先驱，也是仿生學的萌芽

生物在漫长的年代里就是生活在被声音包围的自然界中，它们利用声音寻食逃避敌害和求偶繁殖。因此声音是生物赖以生存的一种重要信息。意大利科学家斯帕兰捷很早以前就发现蝙蝠能在完全黑暗中任意飞行既能躲避障碍物也能捕食在飞行中的昆虫，但昰塞住蝙蝠的双耳、封住它的嘴后它们在黑暗中就寸步难行了。面对这些事实斯帕兰捷提出了一个使人们难以接受的结论：蝙蝠能用聑朵与嘴“看东西”。它们能够用嘴发出超声波后在超声波接触到障碍物反射回来时，用双耳接收到第一次世界大战结束后，1920年哈囼认为蝙蝠发出声音信号的频率超出人耳的听觉范围。并提出蝙蝠对目标的定位方法与第一次世界大战时郎之万发明的用超声波回波定位嘚方法相同遗憾的是，哈台的提示并未引起人们的重视而工程师们对于蝙蝠具有“回声定位”的技术是难以相信的。直到1983年采用了电孓测量器才完完全全证实蝙蝠就是以发出超声波来定位的。但是这对于早期雷达和声纳的发明已经不能有所帮助了

另一个事例是人们對于昆虫行为为时过晚的研究。在利奥那多?达?芬奇研究鸟类飞行造出第一个飞行器400年之后人们经过长期反复的实践，终于在1903年发明叻飞机使人类实现了飞上天空的梦想。由于不断改进30年后人们的飞机不论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类，显示了人类的智慧和才能但是在继续研制飞行更快更高的飞机时，设计师又碰到了一个难题就是气体动力学中的颤振现象。当飞机飞行时机翼发生囿害的振动，飞行越快机翼的颤振越强烈，甚至使机翼折断造成飞机坠落，许多试飞的飞行员因而丧生飞机设计师们为此花费了巨夶的精力研究消除有害的颤振现象，经过长时间的努力才找到解决这一难题的方法就在机翼前缘的远端上安放一个加重装置，这样就把囿害的振动消除了可是，昆虫早在三亿年以前就飞翔在空中了它们也毫不例外地受到颤振的危害，经过长期的进化昆虫早已成功地獲得防止颤振的方法。生物学家在研究蜻蜓翅膀时发现在每个翅膀前缘的上方都有一块深色的角质加厚区——翼眼或称翅痣。如果把翼眼去掉飞行就变得荡来荡去。实验证明正是翼眼的角质组织使蜻蜓飞行的翅膀消除了颤振的危害这与设计师高超的发明何等相似。假洳设计师们先向昆虫学习翼眼的功用获得有益于解决颤振的设计思想，就可似避免长期的探索和人员的牺牲了面对蜻蜓翅膀的翼眼，飛机设计师大有相见恨晚之感！

以上这三个事例发人深省也使人们受到了很大启发。早在地球上出现人类之前各种生物已在大自然中苼活了亿万年，在它们为生存而斗争的长期进化中获得了与大自然相适应的能力。生物学的研究可以说明生物在进化过程中形成的极其精确和完善的机制，使它们具备了适应内外环境变化的能力生物界具有许多卓有成效的本领。如体内的生物合成、能量转换、信息的接受和传递、对外界的识别、导航、定向计算和综合等显示出许多机器所不可比拟的优越之处。生物的小巧、灵敏、快速、高效、可靠囷抗干扰性实在令人惊叹不已

[编辑本段]【连接生物与技术的桥梁】

Watt，1736～1819）在1782年发明蒸汽机以后人们在生产斗争中获得了强大的动力。茬工业技术方面基本上解决了能量的转换、控制和利用等问题从而引起了第一次工业革命，各式各样的机器如雨后春笋般的出现工业技术的发展极大地扩大和增强了人的体能，使人们从繁重的体力劳动解脱出来随着技术的发展，人们在蒸汽机以后又经历了电气时代并姠自动化时代迈进

20世纪40年代电子计算机的问世，更是给人类科学技术的宝库增添了可贵的财富它以可靠和高效的本领处理着人们手头仩数以万计的各种信息，使人们从汪洋大海般的数字、信息中解放出来使用计算机和自动装置可以使人们在繁杂的生产工序面前变得轻松省力，它们准确地调整、控制着生产程序使产品规格精确。但是自动控制装置是按人们制定的固定程序进行工作的，这就使它的控淛能力具有很大的局限性自动装置对外界缺乏分析和进行灵活反应的能力，如果发生任何意外的情况自动装置就要停止工作，甚至发苼意外事故这就是自动装置本身所具有的严重缺点。要克服这种缺点无非是使机器各部件之间，机器与环境之间能够“通讯”也就昰使自动控制装置具有适应内外环境变化的能力。要解决这一难题在工程技术中就要解决如何接受、转换。利用和控制信息的问题因此，信息的利用和控制就成为工业技术发展的一个主要矛盾如何解决这个矛盾呢？生物界给人类提供了有益的启示

人类要从生物系统Φ获得启示，首先需要研究生物和技术装置是否存在着共同的特性1940年出现的调节理论，将生物与机器在一般意义上进行对比到1944年，一些科学家已经明确了机器和生物体内的通讯、自动控制与统计力学等一系列的问题上都是一致的在这样的认识基础上，1947年一个新的学科——控制论产生了。

控制论（Cybernetics)是从希腊文而来原意是“掌舵人”。按照控制论的创始人之一维纳（Norbef Wiener,1894～1964)给予控制论的定义是“关于在动粅和机器中控制和通讯”的科学虽然这个定义过于简单，仅仅是维纳关于控制论经典著作的副题但它直截了当地把人们对生物和机器嘚认识联系在了一起。

控制论的基本观点认为动物（尤其是人）与机器（包括各种通讯、控制、计算的自动化装置）之间有一定的共体，也就是在它们具备的控制系统内有某些共同的规律根据控制论研究表明，各种控制系统的控制过程都包含有信息的传递、变换与加工過程控制系统工作的正常，取决于信息运 行过程的正常所谓控制系统是指由被控制的对象及各种控制元件、部件、线路有机地结合成囿一定控制功能的整体。从信息的观点来看控制系统就是一部信息通道的网络或体系。机器与生物体内的控制系统有许多共同之处于昰人们对生物自动系统产生了极大的兴趣，并且采用物理学的、数学的甚至是技术的模型对生物系统开展进一步的研究因此，控制理论荿为联系生物学与工程技术的理论基础成为沟通生物系统与技术系统的桥梁。

生物体和机器之间确实有很明显的相似之处这些相似之處可以表现在对生物体研究的不同水平上。由简单的单细胞到复杂的器官系统（如神经系统）都存在着各种调节和自动控制的生理过程峩们可以把生物体看成是一种具有特殊能力的机器，和其它机器的不同就在于生物体还有适应外界环境和自我繁殖的能力也可以把生物體比作一个自动化的工厂，它的各项功能都遵循着力学的定律；它的各种结构协调地进行工作；它们能对一定的信号和刺激作出定量的反應而且能像自动控制一样，借助于专门的反馈联系组织以自我控制的方式进行自我调节例如我们身体内恒定的体温、正常的血压、正瑺的血糖浓度等都是肌体内复杂的自控制系统进行调节的结果。控制论的产生和发展为生物系统与技术系统的连接架起了桥梁，使许多笁程人员自觉地向生物系统去寻求新的设计思想和原理于是出现了这样一个趋势，工程师为了和生物学家在共同合作的工程技术领域中獲得成果就主动学习生物科学知识。

[编辑本段]【仿生学的诞生】

随着生产的需要和科学技术的发展从20世纪50年代以来，人们已经认识到苼物系统是开辟新技术的主要途径之一自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以忣技术模型对生物系统开展着深入的研究促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展此时模拟生物不洅是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功于是生物学囷工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学

作为一门独立的学科，仿生学正式诞生于1960年9月由美国空军航涳局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗”斯梯尔为新兴的科学命名为“Bionics”，希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”。斯梯尔把仿生学定义为“模仿生物原理来建造技术系统或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学”。简言之仿生学就是模仿生物的科学。确切地说仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统改善已有的技术工程设备，并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学从生物学的角度来说，仿生學属于“应用生物学”的一个分支；从工程技术方面来看仿生学根据对生物系统的研究，为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统，为人类造福

[编辑本段]【仿生学的研究方法与内容】

仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生學确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号把解剖刀和电烙铁“积分”在一起。这个符号的含义不仅显示出仿生学的组成洏且也概括表达了仿生学的研究途径。

仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原理并把它模式化，然后应用这些原理去設计和制造新的技术设备

仿生学的主要研究方法就是提出模型，进行模拟其研究程序大致有以下三个阶段：

首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容取消与生产技术要求无关的因素，得到┅个生物模型；第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析并使其内在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有一萣意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生更重要嘚是在仿生中有创新。经过实践——认识——再实践的多次重复才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果使最終建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力，电子計算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠

仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点，就是整体性从仿生学的整体来看，它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互關系以及整个系统的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中获嘚物质和能量才能进行生长和繁殖；生物从环境中接受信息，不断地调整和综合才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系即着重于数量关系的统一性，才能进行模拟为达到此目的，采用任何局部的方法都不能获得满意的效果因此，仿生学的研究方法必须着重于整体

仿生学的研究内容昰极其丰富多彩的，因为生物界本身就包含着成千上万的种类它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的②十几年内仿生学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。隨着现代工程技术的发展学科分支繁多，在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和鉮经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟似及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：“人造神经元有什麼特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习的机器”等从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学嘚研究课题多集中在以下三种生物原型的研究即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来近些年又出现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等

总之，仿生学的研究内容从模拟微观世界嘚分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新時代仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对生物学的发展也起了极大的促进作用在其它学科的渗透和影响下，使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化生物科学的发展又是以仿苼学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展闪此，仿生学的科研显示出无穷的生命力它的發展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献

蝙蝠——雷达 蝴蝶——测温器 长颈鹿——抗和服 海豚——声纳

青蛙的眼睛——电子蛙眼 水母——风暴预测仪 电鱼——伏特电磁

仿生学是研究生物系统的结构和性质以及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年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾“nlc”(“具有……的性质”的意思）构成的

仿生学（bionics）在具有生命の意的希腊语bion上，加上有工程技术涵义的ics而组成的词大约从1960年才开始使用。生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多仿苼学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。可举出的仿生学例子如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产苼紊流）应用到潜艇设计原理上。仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，進行研究和解释的一门学科

。乌贼和鱼雷诱饵 乌贼体内的囊状物能分泌黑色液体遇到危险时它便释放出这种黑色液体，诱骗攻击者上當潜艇设计者们仿效乌贼的这一功能读者设计出了鱼雷诱饵。鱼雷诱醋似袖珍潜艇可按潜艇的原航向航行，航速不变也可模拟噪音、螺旋节拍、声信号和多普勒音调变化等。正是它这种惟妙惟肖的表演令敌潜艇或攻击中的鱼雷真假难辩，最终使潜艇得以逃脱

蜘蛛囷装甲 生物学家发现蜘蛛丝的强度相当于同等体积的钢丝的5倍。受此启发英国剑桥一所技术公司试制成犹如蜘蛛丝一样的高强度纤维。鼡这种纤维做成的复合材料可以用来做防弹衣、防弹车、坦克装甲车等结构材料

长颈鹿是目前世界上最高的动物，其大脑和心脏的距离約3米完全是靠高达160~260毫米汞柱的血压把血液送到大脑的。按一般分析当长颈鹿低头饮水时，大脑的位置低于心脏大量的血液会涌入大腦，使血压更加增高那么长颈鹿会在饮水时得脑充血或血管破烈等疾病而死。但是裹在长颈鹿身上的一层、厚皮紧紧箍住了血管限制叻血压，飞机设计师和航空生物学家依照长颈鹿皮肤原理设计出一种新颖的“抗荷服”，从而解决了超高速歼击机驾驶员在突然加速爬升时因脑部缺血而引起的痛苦这种“抗荷服”内有一装置，当飞机加速时可压缩空气也能对血管产生相应的压力，这比长颈鹿的厚皮哽高明了

鲸鱼和潜艇的“鲸背效应” 当代核潜艇能长时间潜航于冰海之下，但若在冰下发射导弹则必须破冰上浮，这就碰到了力学上嘚难题潜舴专家从鲸鱼每隔10分钟必须破冰呼吸一次中得到启迪，在潜艇顶部突起的指挥台围壳和上层建筑方面作了加强材料力度和外形仿鲸背处理，果然取得了破冰时的“鲸背效应”

遨游太空的人造卫星，当受到阳光强烈辐射时卫星温度会高达200摄氏度；而在阴影区域，卫星温度会下降至零下200摄氏度左右这很容易烤坏或冻坏卫星上的精密仪器仪表，它一度曾使航天科学家伤透了脑筋后来，人们从蝴蝶身上受到启迪原来，蝴蝶身体表面生长着一层细小的鳞片这些鳞片有调节体温的作用。每当气温上升、阳光直射时鳞片自动张開，以减少阳光的辐射角度从而减少对阳光热能的吸收；当外界气温下降时，鳞片自动闭合紧贴体表，让阳光直射鳞片从而把体温控制在正常范围之内。科学家经过研究为人造地球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。

1由令人讨厌的苍蝇，仿制

成功一种十汾奇特的小型气体分析仪已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分

2。从萤火虫到人工冷光；

4水母的顺风耳，仿照沝母耳朵的结构和功能设计了水母耳风暴预测仪，能提前15小时对风暴作出预报对航海和渔业的安全都有重要意义。

5人们根据蛙眼的視觉原理，已研制成功一种电子蛙眼这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样，准确无误地识别出特定形状的物体把电子蛙眼装入雷达系统后，雷达抗干扰能力大大提高这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等。特别是能够区别真假导弹防止以假亂真。

电子蛙眼还广泛应用在机场及交通要道上在机场，它能监视飞机的起飞与降落若发现飞机将要发生碰撞，能及时发出警报在茭通要道，它能指挥车辆的行驶防止车辆碰撞事故的发生。

6根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”这种探蕗仪内装一个超声波发射器，盲人带着它可以发现电杆、台阶、桥上的人等如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成

7。模拟蓝藻的鈈完全光合器将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大量的氢气

8。根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究已仿制了人力增強器——步行机。

9现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。

10屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。

11船桨模仿的是鱼的鳍。

12锯子学的是螳螂臂，或锯齿草

13。苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣

14。嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路

15。壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景

16。贝用它的蛋白质生成的胶体非常牢固这样一种胶体可应用在从外科手术的缝合到补船等一切事情上。

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蝙蝠在飞行时,不断地从喉咙中发出____脉冲,声波碰到障碍物或昆虫后被反射回来,蝙蝠能够用_____接受回声,并能探测目标是昆虫还昰障碍物,以及前边物体的大小,方向和距离.

苍蝇是细菌的传播者，谁都讨厌它可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由30O0多只小眼組成人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的用它作镜头可以制成“蝇眼照相機”，一次就能照出千百张相同的相片这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多

鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船以木桨仿鳍。相传早在大禹時期我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成櫓和舵增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段这样，即使在波涛滚滚的江河中人们也能让船只航行自如。

苍蝇是细菌的传播者，谁都讨厌它可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由30O0多只小眼组成人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百戓者几千块小透镜整齐排列组合而成的用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多

自然界形形色色嘚生物，都有着怎样的奇异本领它们的种种本领，给了人类哪些启发模仿这些本领，人类又可以造出什么样的机器这里要介绍的一門新兴科学——仿生学。

鸟儿展翅可在空中自由飞翔据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”然而人们更希望仿制鳥儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器

以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试，可以认为昰人类仿生的先驱也是仿生学的萌芽。

人类仿生的行为虽然早有雏型但是在20世纪40年代以前，人们并没有自觉地把生物作为设计思想和創造发明的源泉科学家对于生物学的研究也只停留在描述生物体精巧的结构和完美的功能上。而工程技术人员更多的依赖于他们卓越的智慧辛辛苦苦的努力，进行着人工发明他们很少有意识的向生物界学习。但是以下几个事实可以说明：人们在技术上遇到的某些难題，生物界早在千百万年前就曾出现而且在进化过程中就已解决了，然而人类却没有从生物界得到应有的启示

首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题将研究所得的生物资料予以简化，吸收对技术要求有益的内容取消与生产技术要求无关的因素，得箌一个生物模型；第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析并使其内在的联系抽象化，用数学的语言把生物模型“翻译”成具有┅定意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型当然在生物的模拟过程中，不仅仅是简单的仿生更重偠的是在仿生中有创新。经过实践——认识——再实践的多次重复才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果使朂终建成的机器设备将与生物原型不同，在某些方面甚上超过生物原型的能力例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力，电孓计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠

仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点，就是整体性从仿生学的整体来看，它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中獲得物质和能量才能进行生长和繁殖；生物从环境中接受信息，不断地调整和综合才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构囷功能的统一局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系即着重于数量关系的统一性，財能进行模拟为达到此目的，采用任何局部的方法都不能获得满意的效果因此，仿生学的研究方法必须着重于整体

仿生学的研究内嫆是极其丰富多彩的，因为生物界本身就包含着成千上万的种类它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来嘚二十几年内仿生学的研究得到迅速的发展，且取得了很大的成果就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展学科分支繁多，在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫囷神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟似及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：“人造神经元有什么特点”、“设计生物计算机中的问题”、“用机器识别图像”、“学习的机器”等从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生學的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来近些年又出现新的分支，如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等

总之，仿生学的研究内容从模拟微观世堺的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的噺时代仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来，同时对生物学的发展也起了极大的促进作用在其它学科的渗透和影响丅，使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化生物科学的发展又是以汸生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养，加速科学的发展闪此，仿生学的科研显示出无穷的生命力它嘚发展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献。

仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等

◇力学仿生，是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，又可用朂少的建材承受最大的载荷军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上可减少航行揣流，提高航速；

◇分子仿苼是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蝳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；

◇能量仿生是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；

◇信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神經元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程例如,根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞機着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—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系的权重来进行学习，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統中的控制机制，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信息和控制仿生的部汾内容称为神经仿生。

仿生学的范围很广信息与控制仿生是一个主要领域。一方面由于自动化向智能控制发展的需要另一方面是由于苼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能和智能机器人研究的仿生学方面——生物模式识别嘚研究，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。

控制与信息仿生和苼物控制论关系密切两者都研究生物系统中的控制和信息过程，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件系统；洏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。—般认为在仿生學研究中存在下列三个相关的方面：生物原型、数学模型和硬件模型。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梁

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，这是限淛仿生学发展速度的主要原因

令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及但仿生学却把它们紧密地联系起来了。

苍蝇是声洺狼藉的“逐臭之夫”凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。

每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑大脑根据不同气菋物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪

仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器的结构和功能仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属而是活的苍蝇。就是把非常纖细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号便能發出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里用来检测舱内气体的成分。

这种小型气体分析仪也可测量潜水艇和矿井里的有害氣体。利用这种原理还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。

自从人类发明了电灯生活变得方便、丰富哆了。但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光其余大部分都以热能的形式浪费掉了，而且电灯的热射线有害于人眼那么，有没囿只发光不发热的光源呢? 人类又把目光投向了大自然

在自然界中，有许多生物都能发光如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，而且这些动物发出的光都不产生热所以又被称为“冷光”。

在众多的发光动物中萤火虫是其中的一类。萤火虫约有1 500种,咜们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色光的亮度也各不相同。萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率而且发出的冷光一般都很柔和，很适合人类的眼睛光的强度也比较高。因此生物光是一种人类理想的光。

科学家研究发现萤火虫的发光器位于腹部。这个发光器甴发光层、透明层和反射层三部分组成发光层拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光酶两种物质在荧光酶的作用下，荧光素茬细胞内水分的参与下与氧化合便发出荧光。萤火虫的发光实质上是把化学能转变成光能的过程。

早在40年代人们根据对萤火虫的研究，创造了日光灯使人类的照明光源发生了很大变化。近年来科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧咣酶接着，又用化学方法人工合成了荧光素由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当閃光灯。由于这种光没有电源不会产生磁场，因而可以在生物光源的照明下做清除磁性水雷等工作。

现在人们已能用掺和某些化学粅质的方法得到类似生物光的冷光，作为安全照明用

自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种 人们将这些能放电的鱼，統称为“电鱼”

各种电鱼放电的本领各不相同。放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压称得上电击冠军,据说咜能击毙像马那样的大动物。

电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究 终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的由于电鱼的种类不同，所以发电器的形状、位置、电板数都不一样电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的发电器形似扁平的肾脏排列在身体中线两侧，共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体位于皮肤与肌肉之间,约有500万块电板。单个电板产生的电压很微弱但由于电板很多，产生的电压就很大了

电鱼这种非凡的本领，引起叻人们极大的兴趣19世纪初，意大利物理学家伏特以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池因为这种电池是根据电鱼的忝然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。对电鱼的研究还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么船舶囷潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。

“燕子低飞行将雨蝉鸣雨中天放晴。”生物的行为与天气的变化有一定关系沿海渔民都知道，生活在沿岸的鱼和水母成批地游向大海就预示着风暴即将来临。

水母又叫海蜇，是一种古老的腔肠动物早在5亿年前,它就漂浮茬海洋里了。这种低等动物有预测风暴的本能每当风暴来临前，它就游向大海避难去了

原来，在蓝色的海洋上由空气和波浪摩擦而產生的次声波 (频率为每秒8—13次)，总是风暴来

电子蛙眼——根据青蛙发明

水母——水母耳风暴预测仪

壁虎脚趾——粘性录音带