仿生學(xué)的科學(xué)意義與前沿：仿生學(xué)的意義與發(fā)展

1、參加專題評述的作者路甫樣竄秉綱崔爾杰沈冢曝陳洪淵杜家緯楊福愉汪爾康李峻柏李朝義歐陽鐘燦4町鼻.j Y<:<一苗站 X 代-:荻 皆總此V: - i 咚"匚 -V :" ”'TY-»!-就.:'-1鏈生學(xué)的科學(xué)意文與前沿仿生學(xué)的科學(xué)意義與前沿仿生學(xué)（馭血小是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)*性狀*原理. 荷溝*為芒程枝術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理卻承統(tǒng) 構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)，是一門生命科竽、物質(zhì)科學(xué)、數(shù)學(xué)與 力學(xué)、信息科學(xué)、工程技術(shù)以及采統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科的交叉 學(xué)科°仿生爭為科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新提供了靳邸路，新原理和 新理論。人矣可以在生楊界本身和大自然中去尋

2、我、學(xué)習(xí) 和模仿，從中找出解決目前人類科技發(fā)展面臨的錯多問 題的答集和才法。住20穆紀(jì)90年代初，各國都在為發(fā) 展仿生學(xué)這門交叉舉科的基鈾研究作了赭心長期的計(jì)劃 準(zhǔn)備。莫國有一項(xiàng)優(yōu)先發(fā)展先進(jìn)制遺、先進(jìn)材料以及先 進(jìn)軍事裟備研究茅領(lǐng)域的悅期計(jì)劃，德國的研兗與技術(shù) 部已就 弋丨世紀(jì)的技術(shù)”為題在適應(yīng)電子技術(shù)、納來枝 術(shù)*富勒戰(zhàn)材料*光子學(xué)*仿土材料、生物傳感器苓領(lǐng) 域投人了相當(dāng)大的財力和人力.英國政府也早在怡93年 5月就發(fā)哀了科學(xué)大臣沃爾應(yīng)榕雷夬主持撰寫的科技白 皮書*題為運(yùn)用我們的潛力 學(xué)、工桎和技術(shù)戰(zhàn) 略粧 日本、俄齊斯以及韓國等國卻有相應(yīng)的中長期計(jì) 劃，在先進(jìn)制遙*材蚪、生揚(yáng)技術(shù)*高性能計(jì)

3、算與通信 計(jì)劃等領(lǐng)城開展堆礎(chǔ)性研究.這是一場在仿生科學(xué)技術(shù) 研究領(lǐng)域內(nèi)展開源頭研完的全球性競爭-嘆使在21世 圮的世界市場上占有主動她位口為適應(yīng)我國4+學(xué)和技術(shù)源頭創(chuàng)新的需美一進(jìn)一步 推動我國經(jīng)濟(jì)和社舍實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展*本刊編輯部榮幸 地約請了我國從爭仿生竽研究的祁分科芋家，請他們從 不同側(cè)面*不同角屢發(fā)表有關(guān)仿生學(xué)的專題評述，欣期 初起覽多學(xué)者婁注這期“前潘”、關(guān)注我國的仿生學(xué)研 究和發(fā)展口22科學(xué)中國人維晉資訊 楊皿中陽卅學(xué)就庫士申曲 科啡亀生鼻極瓊痣賁帑臨：嘗任 生輸*余于H林*蜜嘩學(xué)承 類頁僉主任、非曲矣*祀孕有分 子耋彌學(xué)醮僉割就李賽事事*悅 期心生斬G 尤共爰倉枇體虞 結(jié)構(gòu)與功儲研究

4、.路甬祥汪爾K 中珥什護(hù)靜嵐士、MA 世JFff*供玄令持測試協(xié)僉*1珥慕衣.|»護(hù)樁學(xué)俚 類員金爭牝硝澎*叫5戀屢 人、尹殲埠禪寒啤臥此酔所哪：i<U5 y*WA + WlfrfBtzbs + 9 科學(xué)Bt胖蜒科播券斬吾筑芳ft 買廣QM乩緒癱套主任中 図料卩珥盒決交寮疊莎期" 智研療It亨痛編" 配撫（腳0*£輛 主美賦事總九帕.礙H砂*主美機(jī)事總?cè)绾丈缡?:癥J槨 疳厳陽彈*命喘瞬*1垢 1W ;1獎、片務(wù)礴典看審晟靜爭農(nóng) 二爭宴帶孑/細(xì)聲樂軸iiit 撿址也二丄迺七勺噸a:.沖.煩Z .中科浙韋究譏中 料虎It體導(dǎo)睪西料學(xué)菱點(diǎn)實(shí)駐宜主 h&

5、#39;,住.主養(yǎng)以亭仿空疑的*子価就， frMUtMA的銅為足與雖彷休厳一引言科學(xué)的目的在F求知與求真*科學(xué)研究的動力與源泉來自人 們對自然和社會的現(xiàn)象與規(guī)律的求知欲與好奇心;來白人們對已 有知識休系和新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象與規(guī)律之間矛唇或差異的求索;來自 技術(shù)和社會進(jìn)步提供的新方法.新工具.幵辟的新領(lǐng)域.提出的 新問題.技術(shù)的目的在于滿足需求和市場的競爭*技術(shù)創(chuàng)新的動力與 源泉來自人們實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的累積與創(chuàng)造的欲擔(dān)來自科學(xué)境現(xiàn)引發(fā) 的技術(shù)創(chuàng)斯.創(chuàng)造的新工藝，新方法.新產(chǎn)品 新怵系，來自對 口務(wù)界主物結(jié)構(gòu)功能行為玫及柏互作用的學(xué)習(xí)與模仿：來自 于需求與市場董爭的推動.科學(xué)與技術(shù)兩考性質(zhì)與目標(biāo)固然不同”但它

6、們?nèi)杂泄餐拖?關(guān)之處.即都源下人的創(chuàng)新欲望.都源于對自熱和社會的認(rèn)知和 學(xué)習(xí)科學(xué)與技術(shù)互為條件.互相促進(jìn).都覺到社會需求.社會 環(huán)境一社會文化的制約和推動.人的創(chuàng)造欲是科技創(chuàng)新的根本動力，自然和社會是我們認(rèn)知 和創(chuàng)新服務(wù)的對象，也是我們學(xué)習(xí)的最好朗老師.二仿生學(xué)的定義與歷史佶主學(xué)-詞最早是在19E0年由美國入斯蕃爾（5戎日I wood Steele）取自拉丁文'bio< （生命畝式）利詞尾FE具有 性質(zhì)的）合成的-他認(rèn)曲，仿生聲是研究模仿生物系統(tǒng)方式”或 星以具有生物系統(tǒng)特征的方式或是以類似于牛物系統(tǒng)方式的系 O1M.仿生學(xué)可以這樣建義 研究主物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀.原兔 行為以及

7、相互作用從而為工程枝術(shù)提祺新的設(shè)計(jì)思想工作原 理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué).自古以來，五夥縝紛的自然界強(qiáng)烈地吸引著人們的探索欲 豊.一自是人類產(chǎn)生各種技術(shù)思想和發(fā)明創(chuàng)逝靈慮的不竭源泉* 回顧科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史”我們不難境現(xiàn).影響人類文明進(jìn)程的 許多堇大發(fā)明都源于偽生思錐.例如：漁網(wǎng)的發(fā)明可能源于古人 對蜘蛛矗屈的模仿；飛機(jī)的翼型是模仿鳥類翅廟的剖面；噴云 進(jìn)原理是模仿墨魚的運(yùn)動原1甲.雷達(dá)的發(fā)明源于對嶼蝠趙胃定位 的模仿;紅外尋的.紅外成像的岌明源于對響尾蛇紅外熬知的模 仿；馮-諾伊產(chǎn)的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)際上是模仿人的運(yùn)算行為等等*雖然偽主學(xué)的歷蟲可以追溯到許多世紀(jì)楓前.但通常認(rèn)為. 1960年全美召開的

8、第一屆仿生學(xué)討論會是仍主節(jié)涎生的標(biāo)志.仿生學(xué)是將通過觀察，分見研究韋握的自然界生物所具有 的各種各樣的特殊本領(lǐng)模擬.移植到各個工程技術(shù)領(lǐng)域中去.為 促進(jìn)人類社會進(jìn)步發(fā)展所用.仿生學(xué)需要生命科學(xué)，物質(zhì)科學(xué). 信息科學(xué)，腦與認(rèn)知科學(xué).工程技術(shù)-數(shù)學(xué)與力學(xué)以及系塞両 等許歩學(xué)科的交叉.是一門很難劃清邊界的大學(xué)科.城和大峯數(shù) 應(yīng)用領(lǐng)域.維晉資訊 24科學(xué)中國人#科學(xué)中國人仿生學(xué)的科學(xué)意煲與前沿游動和飛行的仿生力學(xué)問題策綱#科學(xué)中國人#科學(xué)中國人魚類等水生動物和有翼昆蟲等飛行 動物經(jīng)歷了近億年的進(jìn)化過程.沾了攫 取食拇.逃避敵害.生殖繁衍和笑群活 動等主存需要.通過漫長的環(huán)境適應(yīng)的 自然選擇過程.發(fā)展了

9、各具特色的在水 中游動和空中飛行的非凡能力其整體 功能漸趨優(yōu)化，為當(dāng)前的人造水下航行 器和飛行器望塵莫及°例如，處于尋食 鏈頂端的海洋水生動物巡游時的流休推 進(jìn)效率可高達(dá)80%以上 人們早先用搖 槽方式行船.以模偽魚尾擺動規(guī)律；自 從采用螺旋槳推進(jìn)后.其效率即下降至 如陽以下100年前.Wright兄笫由鳥 類滑翔得到啟示.發(fā)明了飛機(jī).但迄今 為止.飛機(jī)的整怵飛行性能還無法與飛 行動物相匹配.以當(dāng)前正形成熱潮的研 制微型飛行器為例”如果其尺度在15cm 以下時仍采用固定翼的常規(guī)氣動布局. 則由于氣涼的相對粘性過大.飛行器猶 如在漿糊那樣的介質(zhì)中運(yùn)動.就無法飛 行了.唯一的出路是從昆蟲

10、飛行申尋找 奧妙.因?yàn)槔ハx墾天然的微型飛行器.隨善上世紀(jì)末各種微型高新技術(shù)的 迅速發(fā)展，人們提出了微型飛行器，微 小水下航行鶉等新概念，它們在未來國 贏安全和民用服務(wù)等方面即將起到重大 作用.與此同肘，仿生機(jī)器學(xué)#科學(xué)中國人#科學(xué)中國人三仿生學(xué)的意義大約35億年的主命演化與協(xié)同詵化 過程優(yōu)化了生物體宏觀與微觀結(jié)構(gòu)，形 態(tài)與功能；優(yōu)化了能星與物質(zhì)轉(zhuǎn)化一代 謝.利用體系：優(yōu)化了運(yùn)動后式與行為； 憂化了遺傳，夏制，發(fā)育.調(diào)控.組裝的 過程和機(jī)制；優(yōu)化了修復(fù)一代償一免疫機(jī) 制；優(yōu)化了腦呂神精的結(jié)構(gòu)與功能；優(yōu)化 了感覺器官，倍息傳謹(jǐn)，處理和行為調(diào)控 能力；優(yōu)化了適應(yīng)環(huán)境的生存能力；優(yōu)化 了與其他生物相互

11、依存的能力；優(yōu)化了 與其他生物協(xié)同進(jìn)化的能力.物35億年 進(jìn)代的結(jié)果作為發(fā)明的參考:將篦億年 演化形成的生物參樣性作為技術(shù)方案選 擇的寶庫：將芟億年演化形成的生態(tài)協(xié) 調(diào)體系作為發(fā)展主態(tài)壞境協(xié)調(diào)、可持續(xù) 發(fā)展技術(shù)的寶貴教材：將芻億年演化形 成的生命遺傳.發(fā)育體系作為自境制、自 補(bǔ)償.自組裝，自生長.自適應(yīng).自調(diào)控 技術(shù)的天然藍(lán)本；將35億年演化形成的 免疫.抗逆.代謝一抗瘴一解毒機(jī)制作為 免疫，醫(yī)藥.治療，抗逆技術(shù)的科學(xué)依據(jù)； 稱35億年演化形成的腦與神精系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 與功能作為認(rèn)知研究和智能機(jī)器的最好 示范;將藥億年演化形成的生命現(xiàn)象中 麗妙和冬樣的轡構(gòu)典微系統(tǒng)作為微. 納米結(jié)構(gòu)和微系阮技術(shù)的極好

12、參照：將 笳億年形成的主物高效.可再生能量存 儲.轉(zhuǎn)化.利用體系作為優(yōu)化人類可再生 能源與物質(zhì)利用技術(shù)的參照；將35億年 形成的生物在復(fù)雜環(huán)境中感知.判斷，捕 食一偽裝.軌避能力和適應(yīng)機(jī)制作為傳 感.判斷.控制.聽身.環(huán)境適應(yīng)等技術(shù) 的最奸學(xué)習(xí)對象：將35億年演化形成的 簡釣二優(yōu)美.復(fù)雜.多樣化前結(jié)構(gòu).形態(tài). 運(yùn)動和變化作尢數(shù)和形優(yōu)美.商潔描述 的最好對象.四仿生學(xué)的前沿仿生學(xué)的前沿隨著科技與經(jīng)濟(jì)的發(fā) 展而發(fā)展.仿生學(xué)前沿?zé)o止境！遠(yuǎn)古時代”人類的祖先模仿蜘蛛鋼 網(wǎng)捕魚；受果實(shí)和瓢蟲滾動的啟發(fā)發(fā)明 輪子工業(yè)時代”人們權(quán)偽植物和動物結(jié) 構(gòu).創(chuàng)造新的建筑結(jié)構(gòu):模仿鳥的飛翔發(fā) 明飛機(jī)：摸仿人與動物發(fā)展

13、機(jī)器人；樓偽 海豚發(fā)明潛艇等等.*信息時代，樓偽人的運(yùn)算發(fā)明計(jì)算 機(jī)，模仿生物的信息傳感等等.在當(dāng)今的知識時代，人們開始樓仿生 命前微觀結(jié)構(gòu)與功能.遺傳與發(fā)展，模仿 人脳的認(rèn)知；模仿生命的協(xié)同逬化等等.知識時代仿生學(xué)的前沿主要包括： 隨著分子生物學(xué)和系統(tǒng)生物學(xué) 的進(jìn)展.以及納米技術(shù)和技術(shù)發(fā)展 的推動.仿生學(xué)向微納結(jié)構(gòu)和微納爭統(tǒng) 仿生學(xué)方向發(fā)展：隨著信息技術(shù)向網(wǎng)格和智能化 方向發(fā)展以及神經(jīng)發(fā)育生物學(xué)的進(jìn)展. 向智能與認(rèn)知仿生學(xué)臥及可持續(xù)經(jīng)濟(jì)仿 生學(xué).管理仿生學(xué)等方向發(fā)展：隨著人們對生態(tài)環(huán)境關(guān)心的曰 益迫切，將引發(fā)過程仿生學(xué)一陡源仿生學(xué) 尊發(fā)展匸-隨誓對基因組.輩白質(zhì)踣構(gòu).腦 與神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)知.可能會推動 以解讀生命信息為目的前計(jì)算偽生學(xué)的 發(fā)展”五結(jié)論（1）經(jīng)過笫億年進(jìn)化的生物世界是 技術(shù)創(chuàng)新不可替代.取之不竭的知識寶