仿生學的知識
仿生學的知識
仿生學是指人類模仿生物功能，來發(fā)明創(chuàng)造的科學。它是20世紀60年代出現的一門新型邊緣學科。那么你對仿生學的知識了解多少呢?以下是由學習啦小編整理關于仿生學的知識的內容，提供給大家參考和了解，希望大家喜歡!
仿生學的簡介
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制機械或各種新技術的科學技術。
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。這個詞語大約從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械都優(yōu)越得多，仿生學就是要在工程上實現并有效地應用生物功能的一門學科。例如關于信息接受( 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(fā)?？膳e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。
又比如，蒼蠅是 細菌的傳播者，一般歸類為害蟲，可是蒼蠅的楫翅是天然 導航儀。而且，它的眼睛是一種“ 復眼”，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”，一次就能照出千百張相同的相片。這種 照相機已經用于印刷制版和大量復制 電子計算機的微小電路，大大提高了工效和質量。
仿生學也被認為是與 控制論有密切關系的一門學科，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。
仿生學的歷史沿革
仿生學是連接生物與技術的橋梁
自從 瓦特(James Watt，1736～1819)在1782年發(fā)明 蒸汽機以后，人們在生產斗爭中獲得了強大的動力。在工業(yè)技術方面基本上解決了能量的轉換、控制和利用等問題，從而引起了 第一次工業(yè)革命，各式各樣的機器如雨后春筍般的出現，工業(yè)技術的發(fā)展極大地擴大和增強了人的體能，使人們從繁重的體力勞動解脫出來。隨著技術的發(fā)展，人們在蒸汽機以后又經歷了電氣時代并向自動化時代邁進。
20世紀40年代 電子計算機的問世，更是給人類 科學技術的寶庫增添了可貴的財富，它以可靠和高效的本領處理著人們手頭上數以萬計的各種信息，使人們從汪洋大海般的數字、信息中解放出來，使用計算機和自動裝置可以使人們在繁雜的生產工序面前變得輕松省力，它們準確地調整、控制著生產程序，使產品規(guī)格精確。但是， 自動控制裝置是按人們制定的固定程序進行工作的，這就使它的控制能力具有很大的局限性。自動裝置對外界缺乏分析和進行靈活反應的能力，如果發(fā)生任何意外的情況，自動裝置就要停止工作，甚至發(fā)生意外事故，這就是自動裝置本身所具有的嚴重缺點。要克服這種缺點，無非是使機器各部件之間，機器與環(huán)境之間能夠“通訊”，也就是使自動控制裝置具有適應內外環(huán)境變化的能力。要解決這一難題，在工程技術中就要解決如何接受、轉換。利用和控制信息的問題。因此，信息的利用和控制就成為工業(yè)技術發(fā)展的一個主要矛盾。如何解決這個矛盾呢?生物界給人類提供了有益的啟示。
人類要從 生物系統中獲得啟示，首先需要研究生物和技術裝置是否存在著共同的特性。1940年出現的調節(jié)理論，將生物與機器在一般意義上進行對比。到1944年，一些科學家已經明確了機器和生物體內的通訊、自動控制與統計力學等一系列的問題上都是一致的。在這樣的認識基礎上，1947年，一個新的學科——控制論產生了。
控制論(Cybernetics)是從 希臘文而來，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“關于在動物和機器中控制和通訊”的科學。雖然這個定義過于簡單，僅僅是維納關于控制論經典著作的副題，但它直截了當地把人們對生物和機器的認識聯系在了一起。
控制論的基本觀點認為，動物(尤其是人)與機器(包括各種 通訊、控制、計算的自動化裝置)之間有一定的共體，也就是在它們具備的控制系統內有某些共同的 規(guī)律。根據控制論研究表明，各種控制系統的控制過程都包含有信息的傳遞、變換與加工過程。控制系統工作的正常，取決于信息運 行過程的正常。所謂控制系統是指由被控制的 對象及各種控制元件、部件、線路有機地結合成有一定控制功能的整體。從信息的觀點來看，控制系統就是一部信息通道的網絡或體系。機器與生物體內的控制系統有許多共同之處，于是人 們對生物自動系統產生了極大的興趣，并且采用 物理學的、數學的甚至是技術的 模型對生物系統開展進一步的研究。因此，控制理論成為聯系生物學與工程技術的理論基礎。成為溝通生物系統與技術系統的橋梁。
生物體和機器之間確實有很明顯的相似之處，這些相似之處可以表現在對生物體研究的不同水平上。由簡單的單細胞到復雜的 器官系統(如神經系統)都存在著各種調節(jié)和自動控制的生理過程。我們可以把生物體看成是一種具有特殊能力的機器，和其它機器的不同就在于生物體還有適應外界環(huán)境和自我繁殖的能力。也可以把生物體比作一個自動化的工廠，它的各項功能都遵循著力學的 定律;它的各種結構協調地進行工作;它們能對一定的信號和刺激作出定量的反應，而且能像自動控制一樣，借助于專門的反饋聯系組織以自我控制的方式進行自我調節(jié)。例如我們身體內恒定的 體溫、正常的 血壓、正常的血糖濃度等都是肌體內復雜的自控制系統進行調節(jié)的結果?？刂普摰漠a生和發(fā)展，為生物系統與技術系統的連接架起了橋梁，使許多工程人員自覺地向生物系統去尋求新的設計思想和原理。于是出現了這樣一個趨勢，工程師為了和生物學家在共同合作的工程技術領域中獲得成果，就主動學習生物科學知識。
仿生學的研究方法
仿生學是生物學、數學和工程技術學互相滲透而結合成的一門新興的 邊緣科學。第一屆仿生學會議為仿生學確定了一個有趣而形象的標志：一個巨大的積分 符號，把解剖刀和電烙鐵“積分”在一起。這個符號的含義不僅顯示出仿生學的組成，而且也概括表達了仿生學的研究途徑。
仿生學的任務就是要研究生物系統的優(yōu)異能力及產生的原理，并把它模式化，然后應用這些原理去設計和制造新的技術設備。
仿生學的主要 研究方法就是提出模型， 進行模擬。其研究程序大致有以下三個階段：
首先是對生物原型的研究。根據生產實際提出的具體課題，將研究所得的生物資料予以簡化，吸收對技術要求有益的內容，取消與生產技術要求無關的因素，得到一個 生物模型;第二階段是將生物模型提供的資料進行數學分析，并使其內在的聯系抽象化，用數學的語言把生物模型“翻譯”成具有一定意義的數學模型;最后數學模型制造出可在工程技術上進行實驗的 實物模型。當然在生物的模擬過程中，不僅僅是簡單的仿生，更重要的是在仿生中有創(chuàng)新。經過實踐——認識——再實踐的多次重復，才能使模擬出來的東西越來越符合生產的需要。這樣模擬的結果，使最終建成的機器設備將與生物原型不同，在某些方面甚上超過生物原型的能力。例如今天的飛機在許多方面都超過了鳥類的飛行能力，電子計算機在復雜的計算中要比人的計算能力迅速而可靠。
仿生學的基本研究方法使它在生物學的研究中表現出一個突出的特點，就是整體性。從仿生學的整體來看，它把生物看成是一個能與內外環(huán)境進行聯系和控制的 復雜系統。它的任務就是研究復雜系統內各 部分之間的相互關系以及整個系統的行為和狀態(tài)。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我復制，它們與外界的聯系是密不可分的。生物從環(huán)境中獲得物質和 能量，才能進行生長和繁殖;生物從環(huán)境中接受信息，不斷地調整和綜合，才能適應和進化。長期的進化過程使生物獲得結構和功能的統一，局部與整體的協調與統一。仿生學要研究生物體與外界刺激(輸入信息)之間的 定量關系，即著重于數量關系的統一性，才能進行模擬。為達到此目的，采用任何局部的方法都不能獲得滿意的效果。因此，仿生學的研究方法必須著重于整體。
仿生學的研究內容是極其豐富多彩的，因為生物界本身就包含著成千上萬的種類，它們具有各種優(yōu)異的結構和功能供各行業(yè)來研究。自從仿生學問世以來的二十幾年內，仿生學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、機械仿生、建筑仿生、化學仿生等。隨著現代工程技術的發(fā)展，學科分支繁多，在仿生學中相應地開展對口的技術仿生研究。例如：航海部門對水生動物運動的 流體力學的研究;航空部門對鳥類、昆蟲飛行的模擬、動物的定位與導航;工程建筑對 生物力學的模擬;無線電技術部門對于人 神經細胞、感覺器宮和神經網絡的模擬;計算機技術對于腦的模擬以及 人工智能的研究等。在第一屆仿生學會議上發(fā)表的比較典型的課題有：“人造神經元有什么特點”、“設計生物計算機中的問題”、“用機器識別圖像”、“學習的機器”等。從中可以看出以電子仿生的研究比較廣泛。仿生學的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究，即動物的感覺器官、神經元、神經系統的整體作用。以后在機械仿生和化學仿生方面的研究也隨之開展起來，近些年又出現新的分支，如人體的仿生學、分子仿生學和宇宙仿生學等。
總之，仿生學的研究內容，從模擬微觀 世界的分子仿生學到 宏觀的宇宙仿生學包括了更為廣泛的內容。而當今的科學技術正是處于一個各種 自然科學高度綜合和互相交叉、滲透的新時代，仿生學通過模擬的方法把對生命的研究和實踐結合起來，同時對生物學的發(fā)展也起了極大的促進作用。在其它學科的滲透和影響下，使 生物科學的研究在方法上發(fā)生了根本的轉變;在內容上也從描述和分析的水平向著精確和定量的方向深化。生物科學的發(fā)展又是以仿生學為渠道向各種自然科學和 技術科學輸送寶貴的資料和豐富的營養(yǎng)，加速科學的發(fā)展。因此，仿生學的科研顯示出無窮的生命力，它的發(fā)展和成就將為促進世界整體科學技術的發(fā)展做出巨大的貢獻。
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