1、仿生学论文10级生物科学1009210117张荣华军事与仿生摘要自然界生物在漫长的进化过程中优胜劣汰，为了生存、自卫、竞争和发展的需要，强化了自身许多优异的结构和特殊功能。人们模仿生物界的这些结构特征,将它们应用于自身的斗争,即军事斗争中。利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学。解决在日常的生产生活中遇到的问题，制造多种探测、斗争武器。关键词：生物 结构 特殊功能 实践 运用 军事一.仿生学简介仿生学（bionices ）在具有生命之意的 希腊语言bion上，加上有工程技术涵义的ices而组成的词语。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
2、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以比较，进行研究和解释的一门学科。1.历史由来 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，使它们能适应环境的变化，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
3、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的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
4、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，这是世界上第一架人造飞行器。2. 研究方法仿生学是生物学、数学和工程技术学互相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，而且也概括表达了仿生学的研究途径。仿生学的任务就是要研究生物系
5、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；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
6、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
7、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。3.研究内容 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
8、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、感觉器宫和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟以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
9、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
10、献。4. 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
11、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
12、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。 仿生学在人们生活中的运用使其遇到的问题得到了很好的解决。通过对大自然生物本身的结构特点以及对某些现象的反应，了解其对于大自然的挑战的解决方法，运用于我们的日常生活中，不但为我们面对以及处理一些问题提供了解决的方法，还为我们创造了一些更有利于人类生活的发明提供了条件。二 仿生学在军事中的运用与意义1.由鱼到潜水艇。 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。当人类发明了非常复杂的潜水系统时才发现鱼的沉浮系统仅仅是充气的鱼鳔。鳔内不受
13、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，对于潜艇设计师的启发和帮助已经为时过迟了。但从中我们可以得到启示：大自然是我们的导师，遇到问题不妨到大自然中寻找答案。2.猫的眼睛与夜视仪。在漆黑的夜里有了夜视仪才能看清楚周围的东西，那么夜视仪怎么发明的呢？原来人们是从猫的眼睛里得到了启示。在夜晚，猫能清楚地观察老鼠的一举一动并敏捷地抓住它，其原因在于猫眼的视网膜上具有圆 锥细胞和圆柱细胞，圆锥细胞能感受白昼普通光的光强和颜色，圆柱细胞能感受夜间的光觉。一般只能在白天活动的动物如鸟、鸡等，它们的视网膜中常常只有圆锥
14、细胞；而另一些只能在夜间活动的动物如猫头鹰，其视网膜上只有圆柱细胞。并且猫眼还有一个特点，在它感受弱光时，瞳孔能够随着光的不同强度而自动调整。当阳光很强时，你会看到猫眯着它的双眼，瞳孔已缩小成直线般的细缝，保证只让少量的光线进入瞳孔内。而在光线十分微弱的晚上，瞳孔又能放大呈圆形，以 便保证在黑暗中也能看清楚各种物体。猫眼具有这样的奥妙，军事科学家们便模仿猫眼研制出了大有用处的微光夜视仪。发展微光夜视技术的关键是图像增强器，它的功能是把输入图像的亮度增强并加以显示，微光通过图像增强器后，其可视距离达 2000米，但在性能、结构和重量等方面，与猫眼相比，仍有较大的差距。夜视仪是一种特制的透视，能够
15、将视野内物体发的红外线聚集起来，将信息发给显示器，从而在显现出各种色彩，再将从探测器传来的脉冲组合起来，就生成图像。夜视仪主要是帮助人们在夜间进行观察、探索和驾驶车辆。3.蝴蝶与卫星控温系统。位于太空的人造地球卫星，在受到阳光的强烈照射时，卫星表面温度会高达2000；而在 阴影区域，卫星表面温度会下降至零下200左右，很容易烤坏或冻坏各种仪器仪表，而科学家发现在蝴蝶体表生长着一层细小的鳞片，有着调节体温的作用。每当阳光直射、气温上升时鳞片自动张开，以调整阳光照射的角度，从而减少对热能的吸收；而当外界 气温下降时，鳞片自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把温度控制在正常范围内。科学家为人造地
16、球卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统。4.响尾蛇导弹就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理，研制开发出来的现代化武器。 美国空军通过毒蛇的“热眼”功能，研究开发出了微型热传感器。5.雷达 意大利科学家斯帕拉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，斯帕拉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
17、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。据此原理，发明了雷达，用以探测不明物。军事仿生使我们在面对科技问题时有了可以学习和借鉴的对象和方法，从大自然中来到大自然中去。动植物的构造是大自然杰出的制作。而我们总能在他们身上找到我们需要的答案。而军事仿生则帮助我们建设国家的国防事业，在军事技术上得到新的突破。提高国家的国防科技力量。生物学家通过对蛛丝的
18、研究制造出高级丝线，抗撕断裂降落伞与临时吊桥用的高强度缆索。船和潜艇来自人们对鱼类和海豚的模仿。 火箭升空利用的是水母、墨鱼反冲原理。 科研人员通过研究变色龙的变色本领，为部队研制出了不少军事伪装装备。 科学家研究青蛙的眼睛，发明了电子蛙眼。 白蚁不仅使用胶粘剂建筑它们的土堆，还可以通过头部的小管向敌人喷射胶粘剂。于是人们按照同样的原理制造了工作的武器一快干胶炮弹。 我国纺织科技人员利用仿生学原理，借鉴陆地动物的皮毛结构，设计出一种KEG保温面料，并具有防风和导湿的功能。 根据响尾蛇的颊窝能感觉到0.001的温度变化的原理，人类发明了跟踪追击的响尾蛇导弹。人类还利用蛙跳的原理设计了蛤蟆夯。人类模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的“电子警犬”。科学家根据野猪的鼻子测毒的奇特本领制成了世界上第一批防毒面具。一切的一切都是大自然的恩赐，只要有心就一定可以从中找到你所想要的答案。 仿生学是人类一直使用的方法,从自然界得到启迪,模仿其结构进行发明创造.这就是仿生学. 这是我们向自然界学习的一个方面。因为仿生学，我们解决了很多问题，因为仿生学，我们的生活改变了很多，也因为仿生学，我们在各方面得到了发展。参考文献： 于 帆 ，陈嬿.仿生造型设计.华中科技大学出版社，2005. 智一君惕.仿生学与现代化.湖南教育出版社，1985. 许书民.设计概论.上海科学普及出版社，2005.
