仿生學的研究方法

　　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。那麼你對仿生學瞭解多少呢?以下是由小編整理關於什麼是仿生學的內容，希望大家喜歡!

　　仿生學的簡介

　　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。例如關於資訊接受***感覺功能***、資訊傳遞***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，如將海豚的體形或面板結構***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“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。

　　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。

　　仿生學的組成內容

　　仿生學的研究範圍主要包括：力學仿生、分子仿生、能量仿生、資訊與控制仿生等

　　力學仿生

　　是研究並模仿生物體大體結構與精細結構的靜力學性質，以及生物體各組成部分在體內相對運動和生物體在環境中運動的動力學性質。例如，建築上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建築，模仿股骨結構建造的立柱，既消除應力特別集中的區域，又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚面板的溝槽結構，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結構後，合成了一種類似有機化合物，在田間捕蟲籠中用千萬分之一微克，便可誘殺雄蟲;

　　能量仿生

　　是研究與模仿生物電器官生物發光、肌肉直接把化學能轉換成機械能等生物體中的能量轉換過程;

　　資訊與控制仿生

　　是研究與模擬感覺器官、神經元與神經網路、以及高階中樞的智慧活動等方面生物體中的資訊處理過程。例如,根據象鼻蟲視動反應制成的“自相關測速儀”可測定飛機著陸速度。根據鱟複眼視網膜側抑制網路的工作原理，研製成功可增強影象輪廓、提高反差、從而有助於模糊目標檢測的—些裝置。已建立的神經元模型達100種以上，並在此基礎上構造出新型計算機。

　　模仿人類學習過程，製造出一種稱為“感知機”的機器，它可以通過訓練，改變元件之間聯絡的權重來進行學習，從而能實現模式識別。此外，它還研究與模擬體內穩態，運動控制、動物的定向與導航等生物系統中的控制機制，以及人-機系統的仿生學方面。

　　某些文獻中，把分子仿生與能量仿生的部分內容稱為化學仿生，而把資訊和控制仿生的部分內容稱為神經仿生。

　　仿生學的範圍很廣，資訊與控制仿生是一個主要領域。一方面由於自動化向智慧控制發展的需要，另一方面是由於生物科學已發展到這樣一個階段，使研究大腦已成為對神經科學最大的挑戰。人工智慧和智慧機器人研究的仿生學方面——生物模式識別的研究，大腦學習記憶和思維過程的研究與模擬，生物體中控制的可靠性和協調問題等——是仿生學研究的主攻方面。

　　控制與資訊仿生和生物控制論關係密切。兩者都研究生物系統中的控制和資訊過程，都運用生物系統的模型。但前者的目的主要是構造實用人造硬體系統;而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術科學的理論出發，為生物行為尋求解釋。

　　最廣泛地運用類比、模擬和模型方法是仿生學研究方法的突出特點。其目的不在於直接複製每一個細節，而是要理解生物系統的工作原理，以實現特定功能為中心目的。—般認為，在仿生學研究中存在下列三個相關的方面：生物原型、數學模型和硬體模型。前者是基礎，後者是目的，而數學模型則是兩者之間必不可少的橋樑。

　　由於生物系統的複雜性，搞清某種生物系統的機制需要相當長的研究週期，而且解決實際問題需要多學科長時間的密切協作，這是限制仿生學發展速度的主要原因。

　　細胞仿生學

　　細胞仿生學也在水過濾領域初露崢嶸，科學家們希望借用人體與植物體記憶體在的一種薄膜***只讓水進出微生物的細胞***，將海水變成飲用水。在這一思路的指導下，他們研製出了一種“水通道”濾水裝置，這款配備了“內部水通道***Aquaporin Inside***”技術的纖細薄膜，有望將海水變成飲用水，讓髒水變成乾淨水。

　　與此同時，光合作用過程也正被科學家們用於能源的捕獲和儲存領域。美國康奈爾大學薩賓設計實驗室的科學家們正在研製名為“電子面板***eSkin***”的適應性建築外層，這一外層利用了肺部細胞的特性，讓建築可與周圍環境有效地相互作用。

　　很多能源問題解決方案都在採用這一原則，包括生物電池的研製等。據報道，美國猶他大學的研?a href='//' target='_blank'>咳嗽備?萑頌宓男魯麓?還??mdash;—幾乎所有的活體微生物都用葡萄糖來製造能量，研製出了一種生物電池，這款電池用糖做燃料，用天生擁有能量轉化屬性的酶做催化劑

　　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誌：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異能力及產生的原理，並把它模式化，然後應用這些原理去設計和製造新的技術裝置。

　　仿生學的主要研究方法就是提出模型，進行模擬。其研究程式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，並使其內在的聯絡抽象化，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;最後數學模型製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新。經過實踐——認識——再實踐的多次重複，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，使最終建成的機器裝置將與生物原型不同，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，電子計算機在複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境進行聯絡和控制的複雜系統。它的任務就是研究複雜系統內各部分之間的相互關係以及整個系統的行為和狀態。生物最基本的特徵就是生物的自我更新和自我複製，它們與外界的聯絡是密不可分的。生物從環境中獲得物質和能量，才能進行生長和繁殖;生物從環境中接受資訊，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，區域性與整體的協調與統一。仿生學要研究生物體與外界刺激***輸入資訊***之間的定量關係，即著重於數量關係的統一性，才能進行模擬。為達到此目的，採用任何區域性的方法都不能獲得滿意的效果。因此，必須著重於整體。

　　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，它們具有各種優異的結構和功能供各行業來研究。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展，且取得了很大的成果。就其研究範圍可包括電子仿生、機械仿生、建築仿生、化學仿生等。隨著現代工程技術的發展，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;工程建築對生物力學的模擬;無線電技術部門對於人神經細胞、感覺器宮和神經網路的模擬;計算機技術對於腦的模擬以及人工智慧的研究等。在第一屆仿生學會議上發表的比較典型的課題有：“人造神經元有什麼特點”、“設計生物計算機中的問題”、“用機器識別影象”、“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。以後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巨集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於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，加速科學的發展。因此，仿生學的科研顯示出無窮的生命力，它的發展和成就將為促進世界整體科學技術的發展做出巨大的貢獻。