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1、仿生学与材料摘要：自然界生物在漫长的进化过程中优胜劣汰，为了生存、防卫、竞争和进展的需要，强化了很多优异的构造和特别功能，值得人们很好地借鉴并发挥。仿生学是指仿照生物建筑技 术装置的科学，它是在上世纪中期才消灭的一门的边缘科学。仿生学争论生物体的构造、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，制造性能优越的仪器、装置和机器， 制造技术。从仿生学的诞生、进展，到现在短短几十年的时间内，它的争论成果已经格外 可观。仿生学的问世开拓了独特的技术进展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大 的开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。关键词：仿生学 仿生设计 军事 能源1. 引言早在远古时期，人类
2、就从自然生态系统中领悟到自身生存、进展和进步的真谛，蒙昧时代进入文明时代就是在仿照和适应自然规律的根底上进展起来的。回忆世界文明史，人们很早就留下了仿照自然生态的痕迹，人首龙身、羽化飞升等大量事例记述了人们对自然生命形态和功能制造性的仿照。人类师法自然思维由来已久，这便促成了仿生学的诞生。仿生学是争论生物系统的构造和性质以为工程技术供给的设计思想及工作原理的科学，属于生物科学与技术科学之间的边缘学科，其目的就是分析生物过程和构造，并将结果用于将来的设计。仿生学思想是建立在自然进化和共同进化根底上的，人类所从事的技术就是为使其到达相互间的协调，而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好途径，恰似“桥
3、梁”和“纽带”，连接着生物科学与技术科学1。人们向生物系统索取设计蓝图，使军事、化工、机械、建筑等科学领域发生了根本性的变化，事物层出不穷：从雪 地行走的企鹅，人们觉察了越野汽车；利用六角形构造蜜蜂窝， 生产出了蜂窝材料；从青蛙突出的眼睛，制造电子蛙眼；由令人厌烦的苍蝇，仿制成功一种格外惊异的小型气体。已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分；仿照水母耳朵的构造和功能，设计了水母耳风暴推想仪， 能提前 15 小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。依据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”，这种探路仪内装一个超声波放射器，盲人带着它可以觉察电杆、台阶、桥上
4、的人等。如今，有类似作用的“超声眼镜”也已制成。在工业化进程加速的根底上，仿生学已被广泛应用到社会生产、生活的各个方面，仿生学的相关设计开头占据举足轻重的地位，人们由此得出仿生设计学Bionics Design2。仿生设计学是在仿生学和设计学的根底上进展起来的一门兴学科，它与原有的仿生学成果应用不同，是以自然界万事万物的 “形”“色”“音” “功能”“构造”等为争论对象，同时结合仿生学的争论成果，为设计供给的原理和方法。从某种意义讲，仿生设计学可以说是仿生学的连续和进展，作为人类社 会生产活动与自然界的契合点，正渐渐成为设计进展过程中的亮点。2. 仿生学的争论范围仿生学的争论范围格外宽阔主要包
5、括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与把握仿生等。力学仿生，是争论并仿照生物体大体构造与精细构造的静力学性质，以及生物体各组成局部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，建筑上仿照贝壳修造的大跨度薄壳建筑，仿照股骨构造建筑的立柱，既消退应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上仿照海豚皮肤的沟槽构造，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可削减航行揣流，提高航速。分子仿生，是争论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构造后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克
6、，便可诱杀雄虫。能量仿生，是争论与仿照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。信息与把握仿生，是争论与模拟神经元与神经网络、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,依据象鼻虫视动反响制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。依据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增加图像轮廓、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，并在此根底上构造出型计算机。仿照人类学习过程，制造出一种称为“感知机”的机器，它可以通过训练，转变元件之间联系的权重来进展学习，从而能实现模式识别。此外，它还争论与模拟体内稳态，运动
7、把握、动物的定向与导航等生物系统中的把握机制， 以及人-机系统的仿生学方面。我们可以从不同的角度多方面争论仿生学的原理与方法，更好的应用仿生法。3. 仿生学的应用3.1 仿生学在军事上的应用随着时代进展与变化，军事仿生设计越来越受到人们的关注。在漫长的进化过程中，生物为了生存、防卫、竞争和进展的需要，渐渐形成了很多优异的构造和特别功能，值得人们在军事争论中很好地借鉴。军事仿生学就是模 仿生系统的原理来建筑先进军事装备技术系统或者使人造军事装备技术系统具有或类似 于生物系统特征的一门科学。随着人类科学技术的进步，军事仿生学的争论 范围越来越广泛，已经渗透到与军事相关的各个领域，只要生物界具有的优
8、异之处而军事装备上又很需要的，都值得军事争论人员去揣摩、仿照。仿生设计在军事上的成功应用有很多例子。如猫的眼睛与夜视仪。漆黑的夜晚，猫能清楚地观看老鼠的一举一动并灵敏地抓住它，其缘由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一般光的光强和颜色，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 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。此外，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。 所以，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
9、在光线格外微弱的晚上，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。军事科学家们便仿照猫眼的微妙研制出了大有用处的微光夜视仪。 这就是军事仿生学。世界上有很多军事制造，也都是科学家在探 索动物惊异中得到启迪而设计、制造的。例如：蝴蝶与卫星控温系统。位于太空的人造地球卫星，在受到阳光的猛烈照耀时，卫星外表温度会高达 2023 度；而在 阴影区域，卫星外表温度会下降至零下 200左右，很简洁烤坏或冻坏各种仪器仪表，这曾使航天科学家伤透了脑筋。后来，科学工作者从蝴蝶身上受到启迪，原 来在蝴蝶体表生长着一层细小的鳞片，有着调整体温的作用。每当阳光直射、气温上升时鳞片自动张开，以调整阳光照耀
10、的角度，从而削减对热能的吸取；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，从而把温度把握在正常范围内。科学家为人造地球卫星设计了一种如同蝴蝶鳞片般的控温系统。仿生设计在军事上的成功应用，推动了军事科技的进展。在当今信息时代， 人们对设计的要求和过去不同，既留意功能的优良特性，又追求形态的清爽、淳朴，同时留意共性3 。而仿生设计本身就是人们在长期向大自然学习的过程中， 经过积存阅历，选择和改进其功能、形态，从而来制造更优良的人造物。所以， 运用仿生性思维进展军事方面设计，不仅制造功能完备、构造精巧、用材合理、惊异绝伦的军事化及军需化物品，而且以生命的象征，让设计回归自然，增进人类
11、与自然和谐统一。仿生设计在军事上的应用有着巨大的潜力和进展前景，随着科学的高速发 展和人们对自然界生疏的不断提高，将会有更多的仿生制造应用于军事科技领域。两个领 域的结合将使军事争论向着更为科学和完善的方向进展，为军事争论开拓的空间；同时，仿生设计也拥有了更广泛的用武之地，为其自身进一步进展壮大奠定了根底。3.2 仿生学在能源上的应用2023 年 8 月 Angewandte Chemie 杂志报道了澳大利亚莫纳什大学的利昂斯 皮西亚、罗宾布里姆布来可比和安妮特可罗，澳大利亚联邦科学与工业争论组织CSIRO的格哈德斯伟格斯和美国普林斯顿大学的查尔斯迪斯莫克斯 共同开发了由一层涂层和维持植物光合
12、作用的根本化学物质锰组成的系统。该系统可模拟植物的光合作用，为利用阳光将水分解成氢和氧开拓了一条途径。此项技术突破有望革制氢工艺，从而利用太阳光大规模生产清洁的绿色能源氢气。光合作用是植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在可见光的照耀下，将二氧化碳和水转化为有机物，并释放出氧气的生化过程。对于生物界的几乎全部生物来说，这个过程是赖以生存的关键，而在面临能源和环境瓶颈的今日，这一过程中的能量转换也为人类供给了极其重要的启发。由于自然光谱的吸取率等缘由，光合作用在多数植物中效率格外低，通常均低于 0.5%。在人工设计的系统中，研发人员借鉴其光反响与电子传递的机制，并提高通量转化的效率，使其适于太阳能的
13、转化利用。事实上，在上述模拟光合作用的争论取得突破前，微生物制氢的已经成为了争论热点。自然界已觉察有类似甲烷菌的制氢菌，但其菌种繁育不如甲烷菌那样简洁。假设能建立适宜的菌种群落，制造氢气也会像制造沼气一样得到大规模应用。模拟光合作用制氢或者微生物制氢过程正是仿生学“向自然学习”的思想典 型。20 世纪 40 年月以来，工程技术领域中消灭了调整理论，人们开头在一般意义上把生物与机器进展类比，生疏到二者包含自动调整系统。此后，科学争论和生产实践完全证明白生物和机器在很多问题上的共同之处。而把握论则把生物科 学和工程技术从理论上联系起来，成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁， 奠定了生物与机器在
14、把握与通信方面进展类比的科学理论根底。之后，斯蒂尔提 出了仿生学的争论理念。自上个世纪末以来，人们生疏到大约 35 亿年的生命演化与协同进化过程优化了生物体宏观与微观构造，形态与功能具有无可比较的优 越性，仿生学也因此显示出巨大的生命力。从争论模式上看，仿生学作为仿照生物建筑技术装置的科学，是一门兴的边缘科学，争论生物体的构造、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，制造性能优越的仪器、装置和设备，制造技术。模拟光合作用制氢过程的例子很好地诠释了这一点。在植物的光合作用中，锰参与几种酶系统。由于锰可以在正二价和正四价两种化合价之间转换，所以主要在氧化复原和电子转移中发挥作用。这一思想为
15、斯皮西亚等人的争论供给了启发。他们在确定锰簇是植物利用水、二氧化碳和阳光制造碳水化合物和氧气的中心枢纽后，开发出这种人造锰簇，并利用这些分子的力气将水分解成氢和氧。争论者将一层质子导体 Nafion 薄膜掩盖在一个电极上，形成一层仅几微米厚的聚合体膜，这层聚合体膜充当锰簇的载体。锰在正常状况下不溶解于水，但可以和 Nafion 薄膜小孔中的催化剂结合，形成不易分解的稳定构造，当水到达此催化剂时，在阳光的照耀下便发生氧化反响。在能源和环境领域，这一技术显示了仿生技术的巨大应用潜力和价值。初步测试说明，此催化剂连续使用 3 天之后还有活性，由此分解出来的氢气和氧气可以在燃料电池中结合成水，产生电力
16、供住宅和电动车全天 24 小时使用，且不排放碳而是排放水。虽然此系统的效率还有待提高，但争论者可以不断地从自然界中学习，使之更为高效，从而使氢这一能效高且没有碳排放的绿色清洁能源为将来社会所用。生物体的电子传递过程在能源仿生技术上的另一重点争论领域是生物发光。生物发光和光合作用都是“电子传递”现象，而从某个角度上看，生物发光可以看作是光合作用的逆反响。光合作用是绿色植物吸取环境中的二氧化碳和水分， 在叶绿体中，利用太阳光能合成碳水化合物，同时放出氧气。光能从水分子上释放电子，并把电子加到二氧化碳上，产生碳水化合物，这是一个复原过程。光合作用把光能转变成化学能，而生物发光是电子从荧光素分子上脱下
17、来和氧化合， 形成水，产生光。生物发光是将化学能转变成光能。生物光作为冷光源，具有效能高、效率大、不发热、不产生其它辐射、不会燃烧、不产生磁场等特点，对于手术室、试验室、易燃物品库房、矿井以及水下作业等，都是一种安全牢靠的抱负照明光源。通过仿照发光生物把一种形式的能量转换成另一种形式的能量，制造冷光板使其不需要简洁的电路和电力，就能白天吸取太阳光，晚上再将光能释放。人们先是从发光生物中分别出纯荧光素，后来又分别出荧光酶。现在已能人工合成荧光素，这就使人类仿照生物发光，制造一种的高效光源冷光源成为可能。然而，人们对于萤火虫等发光机制的争论照旧有待深入。假设将光合作用和生物发光机制在仿生学框架下同
18、时加以争论，就有可能在能量利用的电子传递现象中取得进展，从而实现能源利用更为巨大的进步。从仿生学的诞生、进展，到现在短短几十年的时间内，争论成果已经格外可观。仿生学的问世开拓了独特的技术进展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路， 它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力，在能源技术上的应用潜力也极其巨大，有助于破解人们所面临的能源瓶颈问题，同时解决石化能源等所带来的环境问题。3.3 仿生学在医学的应用医学仿生学包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外，还在争论建筑仿生、农业仿生等。美国科学家宣布，他们将活细胞和硅化电路相结合，制造出他们表示可使医学技术革命化的“仿生学
19、晶片”。伯克利的加州大学争论人员宣布，他们成功地把人类的组织细胞装置在电脑晶片的小室内。带着这项争论的一位教授鲁宾斯基说：“这是以硅为根本成份的晶片， 跟任何电脑或电子装置使用的晶片类同。我信任它是真正的仿生学晶片。” 争论人员表示，这是人类活细胞首次被电脑讯号把握。 科学家透过指挥微小的装置翻开或关闭细胞，期望有一天能命令癌细胞自行翻开，容许有害的力气侵入， 从而自我消灭。医学仿生学已制成的有原子动力心脏，人工肾，能做出六个根本动作的假手，仿生学是一门综合科学，需要生物学、生理学、心理学、生物物理学、生物化学、把握论、数学、电子学、通讯、航空、航海、医学等等很多科学工作者进展合作，去解决各自
20、需要解决的问题。仿生学是一门生的科学，前途宽阔， 不久的将来将在生产、生活各个领域里得到广泛的应用。目前医学仿生学争论的重点是“感觉器官的模拟”、“神经元和神经网络的模拟”。 在仿生高分子， 我认为比较具有前沿争论的，一个是在医用材料里面，比方说仿生骨的争论，已经很多进入临床状态，四川大学李玉宝教授做的仿生的羟基磷酸钙人造骨，作为脊椎骨治疗腰椎盘突出取得比较好的成绩。仿生医学的争论对解决目前器官供需的严峻不平衡应当有所帮助。4. 完毕语德国著名设计大师路易吉科拉尼曾说：“设计的根底应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中”，道出了自然界是蕴含着无尽设计宝藏的天机。在现今科学 技术飞速进展的时代
21、，学习和利用生物系统的优异构造和奇异的功能，已经成为技术革和技术革命的一个方向。将来仿生“电子眼”、仿生“电子神经系统”的诞生，将是仿生学划时代的奉献。全部这些都预示着仿生科技前途似锦，而且仿生科技的探究永无止境。另一方面，大自然向人类呈现着精妙绝伦的生命形态和绚丽多姿的悦人颜色，同时，大 自然还无声地阐释了自然界的生存哲学和谐与共生。这种和谐的设计哲学呼吁人类社会 与大自然之间的高度和谐统一，共生的设计哲学则呼吁着人与机器、生态自然与人造自然之 间合理的建构。因此，设计师要学会师法自然的仿生性设计思维，制造人、自然、机器和谐共生的对话平台4。仿生设计的应用有着巨大的潜力和进展前景，随着科学的高速进展和 人们对自然界生疏的不断提高，将会有更多的仿生制造应用科技领域。参考文献1于帆，陈嬿.仿生造型设计.华中科技大学出版社，2023. 2智一君惕.仿生学与现代化.湖南教育出版社，1985. 3王建成.简明军事科技进展史.国防工业出版社，2023. 4许书民.设计概论.上海科学普及出版社，2023.