仿生學(xué)的研究方法
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)。那么你對(duì)仿生學(xué)了解多少呢?以下是由學(xué)習(xí)啦小編整理關(guān)于什么是仿生學(xué)的內(nèi)容，希望大家喜歡!
仿生學(xué)的簡(jiǎn)介
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)的組成內(nèi)容
仿生學(xué)的研究范圍主要包括：力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等
力學(xué)仿生
是研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì)，以及生物體各組成部分在體內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和生物體在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。例如，建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱，既消除應(yīng)力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結(jié)構(gòu)，把人工海豚皮包敷在船艦外殼上，可減少航行揣流，提高航速;
分子仿生
是研究與模擬生物體中酶的催化作用、生物膜的選擇性、通透性、生物大分子或其類似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害蟲舞毒蛾性引誘激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)后，合成了一種類似有機(jī)化合物，在田間捕蟲籠中用千萬(wàn)分之一微克，便可誘殺雄蟲;
能量仿生
是研究與模仿生物電器官生物發(fā)光、肌肉直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能等生物體中的能量轉(zhuǎn)換過(guò)程;
信息與控制仿生
是研究與模擬感覺(jué)器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及高級(jí)中樞的智能活動(dòng)等方面生物體中的信息處理過(guò)程。例如,根據(jù)象鼻蟲視動(dòng)反應(yīng)制成的“自相關(guān)測(cè)速儀”可測(cè)定飛機(jī)著陸速度。根據(jù)鱟復(fù)眼視網(wǎng)膜側(cè)抑制網(wǎng)絡(luò)的工作原理，研制成功可增強(qiáng)圖像輪廓、提高反差、從而有助于模糊目標(biāo)檢測(cè)的—些裝置。已建立的神經(jīng)元模型達(dá)100種以上，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出新型計(jì)算機(jī)。
模仿人類學(xué)習(xí)過(guò)程，制造出一種稱為“感知機(jī)”的機(jī)器，它可以通過(guò)訓(xùn)練，改變?cè)g聯(lián)系的權(quán)重來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而能實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別。此外，它還研究與模擬體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)物的定向與導(dǎo)航等生物系統(tǒng)中的控制機(jī)制，以及人-機(jī)系統(tǒng)的仿生學(xué)方面。
某些文獻(xiàn)中，把分子仿生與能量仿生的部分內(nèi)容稱為化學(xué)仿生，而把信息和控制仿生的部分內(nèi)容稱為神經(jīng)仿生。
仿生學(xué)的范圍很廣，信息與控制仿生是一個(gè)主要領(lǐng)域。一方面由于自動(dòng)化向智能控制發(fā)展的需要，另一方面是由于生物科學(xué)已發(fā)展到這樣一個(gè)階段，使研究大腦已成為對(duì)神經(jīng)科學(xué)最大的挑戰(zhàn)。人工智能和智能機(jī)器人研究的仿生學(xué)方面——生物模式識(shí)別的研究，大腦學(xué)習(xí)記憶和思維過(guò)程的研究與模擬，生物體中控制的可靠性和協(xié)調(diào)問(wèn)題等——是仿生學(xué)研究的主攻方面。
控制與信息仿生和生物控制論關(guān)系密切。兩者都研究生物系統(tǒng)中的控制和信息過(guò)程，都運(yùn)用生物系統(tǒng)的模型。但前者的目的主要是構(gòu)造實(shí)用人造硬件系統(tǒng);而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術(shù)科學(xué)的理論出發(fā)，為生物行為尋求解釋。
最廣泛地運(yùn)用類比、模擬和模型方法是仿生學(xué)研究方法的突出特點(diǎn)。其目的不在于直接復(fù)制每一個(gè)細(xì)節(jié)，而是要理解生物系統(tǒng)的工作原理，以實(shí)現(xiàn)特定功能為中心目的。—般認(rèn)為，在仿生學(xué)研究中存在下列三個(gè)相關(guān)的方面：生物原型、數(shù)學(xué)模型和硬件模型。前者是基礎(chǔ)，后者是目的，而數(shù)學(xué)模型則是兩者之間必不可少的橋梁。
由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，搞清某種生物系統(tǒng)的機(jī)制需要相當(dāng)長(zhǎng)的研究周期，而且解決實(shí)際問(wèn)題需要多學(xué)科長(zhǎng)時(shí)間的密切協(xié)作，這是限制仿生學(xué)發(fā)展速度的主要原因。
細(xì)胞仿生學(xué)
細(xì)胞仿生學(xué)也在水過(guò)濾領(lǐng)域初露崢嶸，科學(xué)家們希望借用人體與植物體內(nèi)存在的一種薄膜(只讓水進(jìn)出微生物的細(xì)胞)，將海水變成飲用水。在這一思路的指導(dǎo)下，他們研制出了一種“水通道”濾水設(shè)備，這款配備了“內(nèi)部水通道(Aquaporin Inside)”技術(shù)的纖細(xì)薄膜，有望將海水變成飲用水，讓臟水變成干凈水。
與此同時(shí)，光合作用過(guò)程也正被科學(xué)家們用于能源的捕獲和存儲(chǔ)領(lǐng)域。美國(guó)康奈爾大學(xué)薩賓設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在研制名為“電子皮膚(eSkin)”的適應(yīng)性建筑外層，這一外層利用了肺部細(xì)胞的特性，讓建筑可與周圍環(huán)境有效地相互作用。
很多能源問(wèn)題解決方案都在采用這一原則，包括生物電池的研制等。據(jù)報(bào)道，美國(guó)猶他大學(xué)的研究人員根據(jù)人體的新陳代謝過(guò)程——幾乎所有的活體微生物都用葡萄糖來(lái)制造能量，研制出了一種生物電池，這款電池用糖做燃料，用天生擁有能量轉(zhuǎn)化屬性的酶做催化劑
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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仿生學(xué)的研究方法
