什么是仿生学？
仿生学这个词是美国的斯蒂尔在1960年根据拉丁词“bios”(生活方式的意思)和后缀“nlc”(有“具有……的性质”的意思)形成的).
仿生学是在具有生命意义的希腊文bion上加上具有工程意义的ics而形成的一个词。从1960左右才开始用。生物的功能远远优于任何人工机械，仿生学是一门在工程中实现并有效应用生物功能的学科。比如关于信息接收(感觉功能)、信息传递(神经功能)、自动控制系统等。，这个有机体的结构和功能给了机械设计很大的启发。可以举出仿生学的例子，比如将海豚的体型或皮肤结构(游泳时可以防止体表出现湍流)运用到潜艇的设计原理中。仿生学也被认为是与控制论密切相关的一门学科，控制论主要是将生命现象与力学原理进行比较，并对其进行研究和解释。
苍蝇是细菌的传播者，大家都很讨厌。而苍蝇的翅膀(也叫平衡杆)是“天然的导航仪”，人们模仿它们制作“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞行器上，实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由3000多个小眼睛组成。人们模仿它，制成“蝇眼透镜”。“复眼镜头”是由数百个或数千个小镜头按顺序排列而成的，它可以作为镜头制成“复眼相机”，一次可以拍摄数千张完全相同的照片。这种相机已用于印刷制版和复制电子计算机的大量微小电路，大大提高了工作效率和质量。“复眼透镜”是一种新型光学元件，有多种用途。
自然界的各种生物都有哪些奇特的技能？他们的技能给了人类什么启发？人类模仿这些技能可以造出什么样的机器？这里要介绍一门新的科学——仿生学。
仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，是本世纪中叶出现的一门新兴边缘科学。仿生学研究物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植到工程技术中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生和发展到现在短短几十年，其研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了一条独特的技术发展之路，即向生物界要蓝图之路，极大地开阔了人们的视野，显示出强大的生命力。
[编辑本段]人体仿生历史悠久。
自古以来，大自然就是人类各种技术思想、工程原理和重大发明的源泉。经过漫长的进化过程，种类繁多的生物群落能够适应环境的变化，从而生存和发展。劳动创造了人类。人类在长期的生产实践中，以其直立的身体、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，促进了神经系统特别是大脑的发育。所以人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有群体。人类通过劳动，用自己的聪明和灵巧的双手制造工具，从而在自然界获得更大的自由。人类的智慧不仅仅停留在对生物世界的观察和认识上，还利用人类特有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性劳动增加技能。鱼有在水中来去自如的能力，所以人们模仿鱼的形状来造船，用木桨模仿鱼鳍。相传早在大禹时期，中国古代的劳动人民就观察到鱼在水中摆动着尾巴游动和转弯，他们就在船尾放上木桨。通过反复观察、模仿、练习，逐渐改为桨舵，增加了船的动力，掌握了翻船的手段。这样，即使在滚滚的河流中，人们也能让船只自由航行。
鸟儿可以展开翅膀，在空中自由飞翔。据《韩非子》记载，鲁班以竹为鸟，“飞成功后，非三日也”。然而，人们更喜欢模仿鸟类的翅膀，让自己在空中飞翔。早在400多年前，意大利人达芬奇和他的助手就仔细解剖鸟类，研究它们的身体结构，仔细观察它们的飞行。设计并制造了一架扑翼飞机，这是世界上第一架人造飞机。
这些模仿生物结构和功能的发明和尝试，可以认为是人类仿生学的先驱和仿生学的萌芽。
[编辑本段]一个发人深省的对比
虽然人类的仿生行为已经有了雏形，但在20世纪40年代之前，人们并没有自觉地把生物作为设计思想和发明的源泉。科学家对生物学的研究仅仅停留在描述生物体的精巧结构和完美功能上。而工程技术人员更多的是依靠自己优秀的智慧、努力和人工发明。他们很少有意识地学习生物学。但以下事实可以说明，人们遇到的一些技术问题，早在几百万年前生物界就出现了，并在进化过程中得到解决。但是，人类并没有从生物界得到应有的启示。
在第一次世界大战期间，潜艇是为了军事需要而建造的，以使船只在水下航行。工程技术人员在设计原始潜艇时，首先在潜艇上放上石块或铅块，使其下沉。如果它需要升到水面，他们会扔掉随身携带的石头或铅块，使船体回到水面。后来经过改进，通过在浮箱中交替注水和排水来改变潜艇的重量。后来改成压载舱，舱体上部有排气阀，下部有注水阀。当水箱装满海水时，船体的重量增加，这样它就可以潜入水中。紧急情况下需要潜水时，还有极速潜水舱。船体潜入水中后，速潜舱内的海水被排出。如果压载舱的一部分充满水，而另一部分是空的，潜艇可以处于半潜状态。当潜艇要上浮时，向水箱中通入压缩空气排出海水，艇内海水重量减轻后，潜艇就可以上浮了。如此优越的机械装置，实现了潜艇的自由沉浮。但是后来发现，鱼的起伏系统比人们发明的要简单得多，鱼的起伏系统只是一个充气的鱼鳔。鱼鳔不是由肌肉控制的，而是靠向鱼鳔内分泌氧气或重吸收鱼鳔内的部分氧气来调节鱼鳔内的气体含量，促进鱼自由沉浮。然而，如此巧妙的鱼的沉浮系统，对潜艇设计师的启发和帮助却为时已晚。
声音是人们生活中不可或缺的元素。通过语言，人们交流思想和感情，优美的音乐使人们享受艺术，工程技术人员也将声学系统应用于工业生产和军事技术，成为最重要的信息之一。潜艇问世以来，随之而来的是水面舰艇如何找到潜艇的位置，防止偷袭；潜艇沉入水中后，还需要准确确定敌舰方位和距离，以便于攻击。所以第一次世界大战期间，在海洋上，在水中和水中对立双方的斗争中，使用了各种手段。海军工程师也将声学系统作为一种重要的侦察手段。首先，水听器，又称噪声测向仪，是通过监听敌舰航行时发出的噪声来发现敌舰的。只要有敌舰在周边海域航行，机器和螺旋桨就会发出噪音，通过水听器可以听到，及时发现敌人。但当时水听器还不完善，一般只能接收到自己船的噪音。要监听敌舰，就必须减慢船速甚至完全停下来，以分辨潜艇的噪音，这不利于作战行动。很快，法国科学家朗之万(1872 ~ 1946)利用超声波反射的性质，成功地探索出水下船只。用超声波发生器向水中发射超声波，如果遇到目标，就会反射回来，被接收器接收。根据接收回波的时间间隔和方向，可以测出目标的方向和距离，这就是所谓的声纳系统。人工声纳系统的发明及其在探测敌方潜艇方面的卓越成就让人们惊叹不已。难道不知道早在人类出现在地球上之前，蝙蝠和海豚就已经自由使用回声定位声纳系统了吗？
长期以来，生物生活在声音环绕的大自然中。它们利用声音寻找食物，躲避敌人的伤害，交配和繁殖。因此，声音是生物的重要信息。意大利科学家斯帕兰热很久以前就发现，蝙蝠可以在完全黑暗的情况下随意飞行，不仅可以躲避障碍物，还可以捕食飞虫。但是把蝙蝠的耳朵堵上，嘴巴封上之后，在黑暗中就不能动了。面对这些事实，斯帕兰杰提出了一个令人难以接受的结论:蝙蝠可以用耳朵和嘴巴“看”。它们可以用嘴发出超声波，碰到障碍物反射回来时用耳朵接收。第一次世界大战结束后，1920年，哈塔伊认为蝙蝠发出的声音信号频率超出了人耳的听觉范围。还指出，蝙蝠定位目标的方法与朗·万智在第一次世界大战中发明的超声波回波法相同。遗憾的是，哈塔伊的提示并没有引起人们的重视，工程师们也无法相信蝙蝠拥有“回声定位”的技术。直到1983采用电子测量仪，才完全确认蝙蝠是通过发射超声波来定位的。但这对雷达和声纳的早期发明已经没有帮助了。
再比如，人们研究昆虫行为太晚了。在达芬奇研究鸟类飞行并制造出第一架飞机的400年后，人们经过长期的反复实践，终于在1903年发明了飞机，让飞上天空的梦想成为现实。由于不断改进，30年后，人的飞机在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类，显示了人类的智慧和天赋。然而，在继续研发速度更快、飞得更高的飞行器的同时，设计师们遇到了另一个难题，那就是气体动力学中的颤振现象。飞机飞行时，机翼振动有害。飞行速度越快，机翼的颤动越强，甚至机翼断裂，导致飞机坠落，许多试飞员丧生。飞机设计者在消除有害的颤振现象上花费了大量精力，也花了很长时间才找到解决这个问题的方法。加重装置放置在机翼前缘的远端，从而消除了有害的振动。然而，昆虫早在3亿年前就在空中飞行，它们也无一例外地受到颤振的危害。经过长期的进化，昆虫已经成功地获得了防止颤振的方法。生物学家在研究蜻蜓翅膀时，发现每只翅膀的前缘上方都有一个深色的角蛋白增厚区域——翼眼或翼痣。如果去掉翼眼，飞行就会变得摇摆。实验证明，正是翼眼的角质组织使蜻蜓的飞行翅膀消除了扑动的危险，这类似于设计者的高超发明。如果设计者先从昆虫身上学习翼眼的功能，得到有利于解决颤振的设计思路，就可以避免长时间的探索和人员牺牲。面对蜻蜓翅膀的目光，飞机设计师有一种相见恨晚的感觉！
这三个例子发人深省，给人很大启发。早在地球上出现人类之前，各种生物就已经在自然界生活了亿万年，并在长期的生存斗争进化中获得了适应自然的能力。生物学研究可以表明，在进化过程中形成的极其精确和完善的机制，使它们具有适应内外环境变化的能力。生物学中有许多卓有成效的技能。如体内的生物合成、能量转换、信息接收和传递、对外界的识别、导航、定向计算和合成等。，展现了很多机器无法比拟的优势。生物的小，灵敏，快速，高效，可靠，抗干扰，真的很神奇。
[编辑此段]生物学和技术之间的桥梁
自从1782年詹姆斯·瓦特(1736 ~ 1819)发明蒸汽机以来，人们在生产斗争中获得了巨大的动力。工业技术方面，基本解决了能量转换、控制和利用的问题，引发了第一次工业革命，各种机器雨后春笋般出现。工业技术的发展极大地扩展和增强了人们的体质，把人们从繁重的体力劳动中解放出来。随着科技的发展，人们经历了蒸汽机之后的电气时代，走向了自动化时代。
20世纪40年代电子计算机的出现，为人类科技宝库增添了宝贵的财富。它以可靠高效的技能处理了人们手中数万种信息，把人们从汪洋的数字和信息海洋中解放出来。使用计算机和自动化设备可以使人们在面对复杂的生产程序时变得轻松省力。他们精确地调整和控制生产程序，使产品规格准确无误。然而，自动控制装置是按照人们制定的固定程序工作的，这使得它的控制能力有很大的局限性。自动装置缺乏对外界的分析和灵活反应能力。如果出现任何意外情况，自动装置就会停止工作甚至发生事故，这是自动装置本身的严重缺点。要克服这个缺点，无非是机器各部分之间、机器与环境之间的“沟通”，即自动控制装置具有适应内外环境变化的能力。要解决这个问题，在工程技术上需要如何接受和转化。使用和控制信息的问题。因此，信息的使用和控制已经成为工业技术发展的主要矛盾。如何解决这个矛盾？生物界给人类提供了有益的启示。
为了从生物系统中得到启示，人类需要首先研究生物和技术装置之间是否存在* * *相同的特征。1940出现的调节论，是在一般意义上比较生物和机器。到1944，已经有科学家明确了机器与生物的通信、自动控制、统计力学等一系列问题是一致的。在这种认识的基础上，1947，一门新的学科——控制论应运而生。
控制论来源于希腊语，原意是“转向”。根据控制论的创始人之一诺伯·维纳(1894 ~ 1964)的定义，控制论是“动物和机器中控制和通讯的科学”。虽然这个定义过于简单，只是维纳关于控制论经典著作的一个副标题，但它直接联系了人们对生物和机器的认识。
控制论的基本观点认为，动物(尤其是人)和机器(包括各种通讯、控制、计算的自动化装置)之间存在一定的* * *体，即它们的控制系统中存在一定的* * *相同规律。根据控制论的研究，各种控制系统的控制过程包括信息传递、转换和处理。控制系统的正常运行依赖于正常的信息传输过程。所谓控制系统，是指被控对象和各种控制元件、元器件、电路有机地结合成一个具有一定控制功能的整体。从信息的角度来看，控制系统是一个信息通道的网络或系统。生物体内的机器和控制系统有很多相似之处，因此人们对生物自动化系统产生了极大的兴趣，利用物理、数学甚至技术模型对生物系统进行进一步的研究。因此，控制理论成为连接生物学和工程技术的理论基础。成为生物系统和技术系统之间的桥梁。
生物和机器有明显的相似性，这可以表现在对生物的不同层次的研究上。从简单的单细胞到复杂的器官系统(如神经系统)，都有各种调节和自动控制的生理过程。我们可以把生物体看作是具有特殊能力的机器，它与其他机器的不同之处在于，它也具有适应外界环境和自我繁殖的能力。你也可以把一个有机体比作一个自动化工厂，它的所有功能都遵循力学规律；它的各种结构协调工作；他们可以对某些信号和刺激做出定量反应，他们可以通过像自动控制一样的特殊反馈联系组织，以自控的方式进行自我调节。比如我们体内恒定的体温、正常的血压、正常的血糖浓度，都是体内复杂的自控系统调节的结果。控制论的出现和发展，架起了生物系统和技术系统之间的桥梁，使许多工程师有意识地从生物系统中寻求新的设计思想和原理。所以有一种趋势，工程师主动学习生物科学知识，以便与生物学家在工程技术领域取得成果。
[编辑本段]仿生学的诞生
随着生产的需要和科技的发展，20世纪50年代以来，人们认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一，并有意识地把生物界作为各种技术思想、设计原理和发明的源泉。人们利用化学、物理、数学和技术模型对生物系统进行深入研究，推动了生物学的大发展，使生物体内的功能机制研究取得了快速进展。此时，模拟出来的生物不再是令人着迷的幻想，而是可以做到的事实。生物学家和工程师积极合作，开始利用从生物学中获得的知识来改进旧的或创造新的工程设备。生物开始步入各行各业技术创新和革命的行列，首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得成功。因此，生物学和工程技术学科相互结合、相互渗透，诞生了一门新的科学——仿生学。
仿生学作为一门独立学科，于1960年9月正式诞生。第一届仿生学大会由美国空军航空管理局在俄亥俄州代顿空军基地举行。会议讨论的中心议题是“从生物系统分析中获得的概念能否应用于人工信息处理系统的设计？”斯蒂尔为这门新兴科学命名为“仿生学”，希腊语意思代表研究生命系统功能的科学。1963，中国将“仿生学”翻译为“仿生学”。斯蒂尔将仿生学定义为“模仿生物原理构建技术系统，或使人工技术系统具有或类似生物特征的科学”。简而言之，仿生学是模仿生物的科学。确切地说，仿生学是一门研究生物系统各种优良特性的综合性科学，如结构、特性、功能、能量转换、信息控制等。，并将其应用于技术系统，改进现有的技术工程设备，并创建新的技术系统，如工艺流程、建筑配置和自动化设备。从生物学角度看，仿生学属于“应用生物学”的一个分支；仿生学从工程技术的角度出发，以对生物系统的研究为基础，为设计和建造新的技术装备提供了新的原理、新的方法和新途径。仿生学的光荣使命是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近生物系统的技术体系，造福人类。
[编辑本段]仿生学的研究方法和内容
仿生学是生物学、数学和工程技术相结合的一门新兴边缘科学。首届仿生学大会为仿生学设置了一个有趣而生动的符号:一个巨大的整体符号，将手术刀和电烙铁“集成”在一起。这个符号的含义不仅表明了仿生学的组成，也概括了仿生学的研究途径。
仿生学的任务是研究生物系统的优良能力和原理，将其模型化，然后应用这些原理设计制造新的技术设备。
仿生学的主要研究方法是提出模型并进行模拟。研究程序大致分为以下三个阶段:
首先是生物原型的研究。根据生产实践提出的具体课题，对研究得到的生物学数据进行简化，吸收有利于技术要求的内容，排除与生产技术要求无关的因素，得到生物学模型；第二阶段是对生物模型提供的数据进行数学分析，抽象出其内在联系，用数学语言将生物模型“翻译”成具有一定意义的数学模型；最后，数学模型做出可以在工程技术上测试的物理模型。当然，在生物仿真的过程中，不仅仅是简单的仿生，更重要的是仿生上有创新。经过反复练习-理解-实践，模拟出来的东西越来越能满足生产的需要。这种模拟的结果是，最终的机械设备将与生物原型不同，在某些方面将超过生物原型的能力。比如现在的飞机在很多方面超过了鸟类的飞行能力，电子计算机在复杂的计算中比人类的计算能力更快更可靠。
仿生学的基本研究方法使其在生物学研究中表现出一个突出的特点，即整体性。从仿生学整体来看，它把生物看作是一个能够联系和控制内外环境的复杂系统。它的任务是研究复杂系统中各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物的基本特征是自我更新和自我复制，与外界密不可分。生物只有从环境中获得物质和能量，才能生长繁殖；生物只有从环境中接受信息，并不断调整和综合，才能适应和进化。长期的进化使生物达到了结构与功能的统一，部分与整体的协调统一。仿生学要研究物体与外界刺激(输入信息)之间的数量关系，即着眼于数量关系的统一，才能进行模拟。为了达到这个目的，任何局部的方法都不能达到满意的效果。因此，仿生学的研究方法必须着眼于整体。
仿生学的研究内容极其丰富多彩，因为生物界本身就包含了上千种，有各种优秀的结构和功能供各行业研究。仿生学问世二十年来，仿生学研究发展迅速，成果丰硕。其研究范围可以包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展，出现了许多学科分支，在仿生学中也开展了相应的技术仿生研究。比如航海部门对水生动物运动水动力学的研究；航空部门模拟鸟类和昆虫的飞行，定位和导航动物；工程建筑的生物力学模拟:无线电技术部模拟人体神经细胞、感觉宫、神经网络；计算机技术对大脑的模拟与人工智能研究。第一届仿生学大会上提出的典型话题包括:人工神经元的特性是什么，设计生物计算机的问题，用机器识别图像，学习机器。可见电子仿生学的研究是广泛的。仿生学的研究课题大多集中在以下三种生物原型，即动物感觉器官、神经元和神经系统的整体功能。未来还开展了机械仿生和化学仿生的研究。近年来出现了新的分支，如人体仿生学、分子仿生学、宇宙仿生学等。
总之，仿生学的研究内容包括更广泛的内容，从分子仿生到宏观宇宙仿生。当今科学技术正处于一个各种自然科学高度融合、交叉、渗透的新时代。仿生学通过模拟将生命的研究和实践结合起来，同时极大地促进了生物学的发展。在其他学科的渗透和影响下，生物科学的研究方法发生了根本性的变化；内容也从描述、分析的层面向准确、量化的方向深化。生物科学的发展以仿生学为渠道，向各种自然科学和技术科学传递有价值的信息和丰富的营养，加速科学的发展。这样仿生学的研究就显示出了无限的生命力，它的发展和成果将为推动整个世界的科技发展做出巨大贡献。