仿生學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科。
人們研究生物體的結(jié)構(gòu)與功能工作的原理，并根據(jù)這些原理發(fā)明出新的設(shè)備、工具和科技，創(chuàng)造出適用于生產(chǎn)，學(xué)習(xí)和生活的先進(jìn)技術(shù)。
仿生學(xué)一詞是1960年由美國(guó)斯蒂爾根據(jù)拉丁文“bios（生命方式的意思）”和字尾“nlc（‘.具有……的性質(zhì)’的意思）”構(gòu)成的。這個(gè)詞語(yǔ)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制造的機(jī)械都優(yōu)越得多，仿生學(xué)就是要在工程上實(shí)現(xiàn)并有效地應(yīng)用生物功能的一門學(xué)科。例如關(guān)于信息接受（感覺功能）、信息傳遞（神經(jīng)功能）、自動(dòng)控制系統(tǒng)等，這種生物體的結(jié)構(gòu)與功能在機(jī)械設(shè)計(jì)方面給了很大啟發(fā)。可舉出的仿生學(xué)例子，如將海豚的體形或皮膚結(jié)構(gòu)（游泳時(shí)能使身體表面不產(chǎn)生紊流）應(yīng)用到潛艇設(shè)計(jì)原理上。
又比如，蒼蠅是細(xì)菌的傳播者，一般歸類為害蟲，可是蒼蠅的翅是天然導(dǎo)航儀。而且，它的眼睛是一種“復(fù)眼”，由3000多只小眼組成，人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”。“蠅眼透鏡”是一種新型光學(xué)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，用它作鏡頭可以制成“蠅眼照相機(jī)”，一次就能照出千百?gòu)埾嗤南嗥＿@種照相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版和大量復(fù)制電子計(jì)算機(jī)的微小電路，大大提高了工效和質(zhì)量。
仿生學(xué)也被認(rèn)為是與控制論有密切關(guān)系的一門學(xué)科，而控制論主要是將生命現(xiàn)象和機(jī)械原理加以比較，進(jìn)行研究和解釋的一門學(xué)科。
產(chǎn)生背景
自古以來，自然界就是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。
種類繁多的生物界經(jīng)過長(zhǎng)期的進(jìn)化過程，使它們能適應(yīng)環(huán)境的變化，從而得到生存和發(fā)展。勞動(dòng)創(chuàng)造了人類。人類以自己直立的身軀、能勞動(dòng)的雙手、交流情感和思想的語(yǔ)言，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，促進(jìn)了神經(jīng)系統(tǒng)尤其是大腦獲得了高度發(fā)展。因此，人類無(wú)與倫比的能力和智慧遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過生物界的所有類群。
人類通過勞動(dòng)運(yùn)用聰明的才智和靈巧的雙手制造工具，從而在自然界里獲得更大自由。人類的智慧不僅僅停留在觀察和認(rèn)識(shí)生物界上，而且還運(yùn)用人類所獨(dú)有的思維和設(shè)計(jì)能力模仿生物，通過創(chuàng)造性的勞動(dòng)增加自己的本領(lǐng)。魚兒在水中有自由來去的本領(lǐng)，人們就模仿魚類的形體排船，以木槳仿鰭。相傳早在大禹時(shí)期，我國(guó)古代勞動(dòng)人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎，他們就在船尾上架置木槳。通過反復(fù)的觀察、模仿和實(shí)踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動(dòng)力，掌握了使船轉(zhuǎn)彎的手段。這樣，即使在波濤滾滾的江河中，人們也能讓船只航行自如。鳥兒展翅可在空中自由飛翔。據(jù)《韓非子》記載魯班用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”。然而人們更希望仿制鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中。設(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī)，這是世界上第一架人造飛行器。
以上這些模仿生物構(gòu)造和功能的發(fā)明與嘗試，可以認(rèn)為是人類仿生學(xué)的先驅(qū)，也是仿生學(xué)的萌芽。
隨著生產(chǎn)的需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)50年代以來，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到生物系統(tǒng)是開辟新技術(shù)的主要途徑之一，自覺地把生物界作為各種技術(shù)思想、設(shè)計(jì)原理和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。人們用化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)以及技術(shù)模型對(duì)生物系統(tǒng)開展著深入的研究，促進(jìn)了生物學(xué)的極大發(fā)展，對(duì)生物體內(nèi)功能機(jī)理的研究也取得了迅速的進(jìn)展。此時(shí)模擬生物不再是引人入勝的幻想，而成了可以做到的事實(shí)。生物學(xué)家和工程師們積極合作，開始將從生物界獲得的知識(shí)用來改善舊的或創(chuàng)造新的工程技術(shù)設(shè)備。生物學(xué)開始跨入各行各業(yè)技術(shù)革新和技術(shù)革命的行列，而且首先在自動(dòng)控制、航空、航海等軍事部門取得了成功。于是生物學(xué)和工程技術(shù)學(xué)科結(jié)合在一起，互相滲透孕育出一門新生的科學(xué)——仿生學(xué)。
作為一門獨(dú)立的學(xué)科，仿生學(xué)正式誕生于1960年9月。由美國(guó)空軍航空局在俄亥俄州的空軍基地戴通召開了第一次仿生學(xué)會(huì)議。會(huì)議討論的中心議題是“分析生物系統(tǒng)所得到的概念能夠用到人工制造的信息加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上去嗎？”斯蒂爾為新興的科學(xué)命名為“Bionics”，希臘文的意思代表著研究生命系統(tǒng)功能的科學(xué)，1963年我國(guó)將“Bionics”譯為“仿生學(xué)”。斯蒂爾把仿生學(xué)定義為“模仿生物原理來建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或類似于生物特征的科學(xué)”。簡(jiǎn)言之，仿生學(xué)就是模仿生物的科學(xué)。確切地說，仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特質(zhì)、功能、能量轉(zhuǎn)換、信息控制等各種優(yōu)異的特征，并把它們應(yīng)用到技術(shù)系統(tǒng)，改善已有的技術(shù)工程設(shè)備，并創(chuàng)造出新的工藝過程、建筑構(gòu)型、自動(dòng)化裝置等技術(shù)系統(tǒng)的綜合性科學(xué)。從生物學(xué)的角度來說，仿生學(xué)屬于“應(yīng)用生物學(xué)”的一個(gè)分支；從工程技術(shù)方面來看，仿生學(xué)根據(jù)對(duì)生物系統(tǒng)的研究，為設(shè)計(jì)和建造新的技術(shù)設(shè)備提供了新原理、新方法和新途徑。仿生學(xué)的光榮使命就是為人類提供最可靠、最靈活、最高效、最經(jīng)濟(jì)的接近于生物系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng)，為人類造福。
人類仿生的行為雖然早有雛型，但是在20世紀(jì)40年代以前，人們并沒有自覺地把生物作為設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。科學(xué)家對(duì)于生物學(xué)的研究也只停留在描述生物體精巧的結(jié)構(gòu)和功能上。而工程技術(shù)人員更多的依賴于他們的智慧，辛辛苦苦的努力，進(jìn)行著人工發(fā)明。他們很少有意識(shí)的向生物界學(xué)習(xí)。但是，以下幾個(gè)事實(shí)可以說明：人們?cè)诩夹g(shù)上遇到的某些難題，生物界早在千百萬(wàn)年前就曾出現(xiàn)，而且在進(jìn)化過程中就已解決了，然而人類卻沒有從生物界得到應(yīng)有的啟示。
在第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期，出于軍事上的需要，為使艦艇在水下隱蔽航行而制造出潛水艇。當(dāng)工程技術(shù)人員在設(shè)計(jì)原始的潛艇時(shí)，是先用石塊或鉛塊裝在潛艇上使它下沉，如果需要升至水面，就將攜帶的石塊或鉛塊扔掉，使艇身回到水面來。以后經(jīng)過改進(jìn)，在潛艇上采用浮箱交替充水和排水的方法來改變潛艇的重量。以后又改成壓載水艙，在水艙的上部設(shè)放氣閥，下面設(shè)注水閥，當(dāng)水艙灌滿海水時(shí)，艇身重量增加使它潛入水中。需要緊急下潛時(shí)，還有速潛水艙，待艇身潛入水中后，再把速潛水艙內(nèi)的海水排出。如果一部分壓載水艙充水，另一部分空著，潛水艇可處于半潛狀態(tài)。潛艇要起浮時(shí)，將壓縮空氣通入水艙排出海水，艇內(nèi)海水重量減輕后潛艇就可以上浮。如此優(yōu)越的機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)了潛艇的自由沉浮。但是后來發(fā)現(xiàn)魚類的沉浮系統(tǒng)比人們的發(fā)明要簡(jiǎn)單得多，魚的沉浮系統(tǒng)僅僅是充氣的魚鰾。鰾內(nèi)不受肌肉的控制，而是依靠分泌氧氣進(jìn)入鰾內(nèi)或是重新吸收鰾內(nèi)一部分氧氣來調(diào)節(jié)魚鰾中氣體含量，促使魚體自由沉浮。然而魚類如此巧妙的沉浮系統(tǒng)，對(duì)于潛艇設(shè)計(jì)師的啟發(fā)和幫助已經(jīng)為時(shí)過遲了。
聲音是人們生活中不可缺少的要素。通過語(yǔ)言，人們交流思想和感情，優(yōu)美的音樂使人們獲得藝術(shù)的享受，工程技術(shù)人員還把聲學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)和軍事技術(shù)中，成為頗為重要的信息之一。自從潛水艇問世以來，隨之而來的就是水面的艦船如何發(fā)現(xiàn)潛艇的位置以防偷襲；而潛艇沉入水中后，也須準(zhǔn)確測(cè)定敵船方位和距離以利攻擊。因此，在第一次世界大戰(zhàn)期間，在海洋上，水面與水中敵對(duì)雙方的斗爭(zhēng)采用了各種手段。海軍工程師們也利用聲學(xué)系統(tǒng)作為一個(gè)重要的偵察手段。首先采用的是水聽器，也稱噪聲測(cè)向儀，通過聽測(cè)敵艦航行中所發(fā)出的噪聲來發(fā)現(xiàn)敵艦。只要周圍水域中有敵艦在航行，機(jī)器與螺旋槳推進(jìn)器便發(fā)出噪聲，通過水聽器就能聽到，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)敵人。但那時(shí)的水聽器很不完善，一般只能收到本身艦只的噪聲，要偵聽敵艦，必須減慢艦只航行速度甚至完全停車才能分辨潛艇的噪音，這樣很不利于戰(zhàn)斗行動(dòng)。不久，法國(guó)科學(xué)家保羅·朗之萬(wàn)（1872～1946）研究成功利用超聲波反射的性質(zhì)來探測(cè)水下艦艇。用一個(gè)超聲波發(fā)生器，向水中發(fā)出超聲波后，如果遇到目標(biāo)便反射回來，由接收器收到。根據(jù)接收回波的時(shí)間間隔和方位，便可測(cè)出目標(biāo)的方位和距離，這就是所謂的聲納系統(tǒng)。人造聲納系統(tǒng)的發(fā)明及在偵察敵方潛水艇方面獲得的突出成果，曾使人們?yōu)橹@嘆不已。豈不知遠(yuǎn)在地球上出現(xiàn)人類之前，蝙蝠、海豚早已對(duì)“回聲定位”聲納系統(tǒng)應(yīng)用自如了。
生物在漫長(zhǎng)的年代里就是生活在被聲音包圍的自然界中，它們利用聲音尋食，逃避敵害和求偶繁殖。因此，聲音是生物賴以生存的一種重要信息。意大利科學(xué)家斯帕拉捷很早以前就發(fā)現(xiàn)蝙蝠能在完全黑暗中任意飛行，既能躲避障礙物也能捕食在飛行中的昆蟲，但是塞住蝙蝠的雙耳、封住它的嘴后，它們?cè)诤诎抵芯痛绮诫y行了。面對(duì)這些事實(shí)，斯帕拉捷提出了一個(gè)使人們難以接受的結(jié)論：蝙蝠能用耳朵與嘴“看東西”。它們能夠用嘴發(fā)出超聲波后，在超聲波接觸到障礙物反射回來時(shí)，用雙耳接收到。第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，1920年，哈臺(tái)認(rèn)為蝙蝠發(fā)出聲音信號(hào)的頻率超出人耳的聽覺范圍。并提出蝙蝠對(duì)目標(biāo)的定位方法與第一次世界大戰(zhàn)時(shí)保羅·朗之萬(wàn)發(fā)明的用超聲波回波定位的方法相同。遺憾的是，哈臺(tái)的提示并未引起人們的重視，而工程師們對(duì)于蝙蝠具有“回聲定位”的技術(shù)是難以相信的。直到1983年采用了電子測(cè)量器，才完完全全證實(shí)蝙蝠就是以發(fā)出超聲波來定位的。但是這對(duì)于早期雷達(dá)和聲納的發(fā)明已經(jīng)不能有所幫助了。
另一個(gè)事例是人們對(duì)于昆蟲行為為時(shí)過晚的研究。在利奧那多·達(dá)·芬奇研究鳥類飛行造出第一個(gè)飛行器400年之后，人們經(jīng)過長(zhǎng)期反復(fù)的實(shí)踐，終于在1903年發(fā)明了飛機(jī)，使人類實(shí)現(xiàn)了飛上天空的夢(mèng)想。由于不斷改進(jìn)，30年后人們的飛機(jī)不論在速度、高度和飛行距離上都超過了鳥類，顯示了人類的智慧和才能。但是在繼續(xù)研制飛行更快更高的飛機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)師又碰到了一個(gè)難題，就是空氣動(dòng)力學(xué)中的顫振現(xiàn)象。當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，機(jī)翼發(fā)生有害的振動(dòng)，飛行越快，機(jī)翼的顫振越強(qiáng)烈，甚至使機(jī)翼折斷，造成飛機(jī)墜落，許多試飛的飛行員因而喪生。飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?yōu)榇嘶ㄙM(fèi)了巨大的精力研究消除有害的顫振現(xiàn)象，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的努力才找到解決這一難題的方法。就在機(jī)翼前緣的遠(yuǎn)端上安放一個(gè)加重裝置，這樣就把有害的振動(dòng)消除了。可是，昆蟲早在三億年以前就飛翔在空中了，它們也毫不例外地受到顫振的危害，經(jīng)過長(zhǎng)期的進(jìn)化，昆蟲早已成功地獲得防止顫振的方法。生物學(xué)家在研究差翅亞目翅膀時(shí)，發(fā)現(xiàn)在每個(gè)翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質(zhì)加厚區(qū)——翼眼或稱翅痣。如果把翼眼去掉，飛行就變得蕩來蕩去。實(shí)驗(yàn)證明正是翼眼的角質(zhì)組織使蜻蜓飛行的翅膀消除了顫振的危害，這與設(shè)計(jì)師高超的發(fā)明何等相似。假如設(shè)計(jì)師們先向昆蟲學(xué)習(xí)翼眼的功用，獲得有益于解決顫振的設(shè)計(jì)思想，就可以避免長(zhǎng)期的探索和人員的犧牲了。面對(duì)蜻蜓翅膀的翼眼，飛機(jī)設(shè)計(jì)師大有相見恨晚之感！
以上這四個(gè)事例發(fā)人深省，也使人們受到了很大啟發(fā)。早在地球上出現(xiàn)人類之前，各種生物已在大自然中生活了億萬(wàn)年，在它們?yōu)樯娑窢?zhēng)的長(zhǎng)期進(jìn)化中，獲得了與大自然相適應(yīng)的能力。生物學(xué)的研究可以說明，生物在進(jìn)化過程中形成的極其精確和完善的機(jī)制，使它們具備了適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力。生物界具有許多卓有成效的本領(lǐng)。如體內(nèi)的生物合成、能量轉(zhuǎn)換、信息的接受和傳遞、對(duì)外界的識(shí)別、導(dǎo)航、定向計(jì)算和綜合等，顯示出許多機(jī)器所不可比擬的優(yōu)越之處。生物的小巧、靈敏、快速、高效、可靠和抗干擾性實(shí)在令人驚嘆不已。
歷史沿革
仿生學(xué)是連接生物與技術(shù)的橋梁。
自從瓦特（James Watt，1736～1819）在1782年發(fā)明蒸汽機(jī)以后，人們?cè)谏a(chǎn)斗爭(zhēng)中獲得了強(qiáng)大的動(dòng)力。在工業(yè)技術(shù)方面基本上解決了能量的轉(zhuǎn)換、控制和利用等問題，從而引起了第一次工業(yè)革命，各式各樣的機(jī)器如雨后春筍般的出現(xiàn)，工業(yè)技術(shù)的發(fā)展極大地?cái)U(kuò)大和增強(qiáng)了人的體能，使人們從繁重的體力勞動(dòng)解脫出來。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們?cè)谡羝麢C(jī)以后又經(jīng)歷了電氣時(shí)代并向自動(dòng)化時(shí)代邁進(jìn)。
20世紀(jì)40年代電子計(jì)算機(jī)的問世，更是給人類科學(xué)技術(shù)的寶庫(kù)增添了可貴的財(cái)富，它以可靠和高效的本領(lǐng)處理著人們手頭上數(shù)以萬(wàn)計(jì)的各種信息，使人們從汪洋大海般的數(shù)字、信息中解放出來，使用計(jì)算機(jī)和自動(dòng)裝置可以使人們?cè)诜彪s的生產(chǎn)工序面前變得輕松省力，它們準(zhǔn)確地調(diào)整、控制著生產(chǎn)程序，使產(chǎn)品規(guī)格精確。
但是，自動(dòng)控制裝置是按人們制定的固定程序進(jìn)行工作的，這就使它的控制能力具有很大的局限性。自動(dòng)裝置對(duì)外界缺乏分析和進(jìn)行靈活反應(yīng)的能力，如果發(fā)生任何意外的情況，自動(dòng)裝置就要停止工作，甚至發(fā)生意外事故，這就是自動(dòng)裝置本身所具有的嚴(yán)重缺點(diǎn)。要克服這種缺點(diǎn)，無(wú)非是使機(jī)器各部件之間，機(jī)器與環(huán)境之間能夠“通訊”，也就是使自動(dòng)控制裝置具有適應(yīng)內(nèi)外環(huán)境變化的能力。要解決這一難題，在工程技術(shù)中就要解決如何接受、轉(zhuǎn)換。利用和控制信息的問題。因此，信息的利用和控制就成為工業(yè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要矛盾。
如何解決這個(gè)矛盾呢？生物界給人類提供了有益的啟示。
人類要從生物系統(tǒng)中獲得啟示，首先需要研究生物和技術(shù)裝置是否存在著共同的特性。1940年出現(xiàn)的調(diào)節(jié)理論，將生物與機(jī)器在一般意義上進(jìn)行對(duì)比。到1944年，一些科學(xué)家已經(jīng)明確了機(jī)器和生物體內(nèi)的通訊、自動(dòng)控制與統(tǒng)計(jì)力學(xué)等一系列的問題上都是一致的。
在這樣的認(rèn)識(shí)基礎(chǔ)上，1947年，一個(gè)新的學(xué)科——控制論產(chǎn)生了。
控制論（Cybernetics)是從希臘文而來，原意是“掌舵人”。按照控制論的創(chuàng)始人之一諾伯特·維納（Norbef Wiener,1894～1964)給予控制論的定義是“關(guān)于在動(dòng)物和機(jī)器中控制和通訊”的科學(xué)。雖然這個(gè)定義過于簡(jiǎn)單，僅僅是維納關(guān)于控制論經(jīng)典著作的副題，但它直截了當(dāng)?shù)匕讶藗儗?duì)生物和機(jī)器的認(rèn)識(shí)聯(lián)系在了一起。
控制論的基本觀點(diǎn)認(rèn)為，動(dòng)物（尤其是人）與機(jī)器（包括各種通訊、控制、計(jì)算的自動(dòng)化裝置）之間有一定的共體，也就是在它們具備的控制系統(tǒng)內(nèi)有某些共同的規(guī)律。根據(jù)控制論研究表明，各種控制系統(tǒng)的控制過程都包含有信息的傳遞、變換與加工過程。控制系統(tǒng)工作的正常，取決于信息運(yùn) 行過程的正常。所謂控制系統(tǒng)是指由被控制的對(duì)象及各種控制元件、部件、線路有機(jī)地結(jié)合成有一定控制功能的整體。從信息的觀點(diǎn)來看，控制系統(tǒng)就是一部信息通道的網(wǎng)絡(luò)或體系。機(jī)器與生物體內(nèi)的控制系統(tǒng)有許多共同之處，于是人們對(duì)生物自動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生了極大的興趣，并且采用物理學(xué)的、數(shù)學(xué)的甚至是技術(shù)的模型對(duì)生物系統(tǒng)開展進(jìn)一步的研究。因此，控制理論成為聯(lián)系生物學(xué)與工程技術(shù)的理論基礎(chǔ)。成為溝通生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)的橋梁。
生物體和機(jī)器之間確實(shí)有很明顯的相似之處，這些相似之處可以表現(xiàn)在對(duì)生物體研究的不同水平上。由簡(jiǎn)單的單細(xì)胞到復(fù)雜的器官系統(tǒng)（如神經(jīng)系統(tǒng)）都存在著各種調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制的生理過程。我們可以把生物體看成是一種具有特殊能力的機(jī)器，和其它機(jī)器的不同就在于生物體還有適應(yīng)外界環(huán)境和自我繁殖的能力。也可以把生物體比作一個(gè)自動(dòng)化的工廠，它的各項(xiàng)功能都遵循著力學(xué)的定律；它的各種結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作；它們能對(duì)一定的信號(hào)和刺激作出定量的反應(yīng)，而且能像自動(dòng)控制一樣，借助于專門的反饋聯(lián)系組織以自我管理的方式進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。例如我們身體內(nèi)恒定的體溫、正常的血壓、正常的血糖濃度等都是肌體內(nèi)復(fù)雜的自控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)的結(jié)果。控制論的產(chǎn)生和發(fā)展，為生物系統(tǒng)與技術(shù)系統(tǒng)的連接架起了橋梁，使許多工程人員自覺地向生物系統(tǒng)去尋求新的設(shè)計(jì)思想和原理。于是出現(xiàn)了這樣一個(gè)趨勢(shì)，工程師為了和生物學(xué)家在共同合作的工程技術(shù)領(lǐng)域中獲得成果，就主動(dòng)學(xué)習(xí)生物科學(xué)知識(shí)。
仿生學(xué)例子
振動(dòng)陀螺儀
令人討厭的蒼蠅，與宏偉的航天事業(yè)似乎風(fēng)馬牛不相及，但仿生學(xué)卻把它們緊密地聯(lián)系起來了。
蒼蠅是聲名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污穢的地方，都有它們的蹤跡。蒼蠅的嗅覺特別靈敏，遠(yuǎn)在幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅并沒有“鼻子”，它靠什么來充當(dāng)嗅覺的呢? 原來，蒼蠅的“鼻子”——嗅覺感受器分布在頭部的一對(duì)觸角上。每個(gè)“鼻子”只有一個(gè)“鼻孔”與外界相通，內(nèi)含上百個(gè)嗅覺神經(jīng)細(xì)胞。若有氣味進(jìn)入“鼻孔”，這些神經(jīng)立即把氣味刺激轉(zhuǎn)變成神經(jīng)電脈沖，送往大腦。大腦根據(jù)不同氣味物質(zhì)所產(chǎn)生的神經(jīng)電脈沖的不同，就可區(qū)別出不同氣味的物質(zhì)。因此，蒼蠅的觸角像是一臺(tái)靈敏的氣體分析儀。
仿生學(xué)家由此得到啟發(fā)，根據(jù)蒼蠅嗅覺器官的結(jié)構(gòu)和功能，仿制成一種十分奇特的小型氣體分析儀。這種儀器的“探頭”不是金屬，而是活的蒼蠅。就是把非常纖細(xì)的微電極插到蒼蠅的嗅覺神經(jīng)上，將引導(dǎo)出來的神經(jīng)電信號(hào)經(jīng)電子線路放大后，送給分析器；分析器一經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣味物質(zhì)的信號(hào)，便能發(fā)出警報(bào)。這種儀器已經(jīng)被安裝在載人飛船的座艙里，用來檢測(cè)艙內(nèi)氣體的成分。這種小型氣體分析儀，也可測(cè)量潛水艇和礦井里的有害氣體。利用這種原理，還可用來改進(jìn)計(jì)算機(jī)的輸入裝置和有關(guān)氣體色層分析儀的結(jié)構(gòu)原理中。另外蒼蠅的楫翅（又叫平衡棒）是個(gè)“天然導(dǎo)航儀”，人們模仿它制成了“振動(dòng)陀螺儀”。這種儀器已經(jīng)應(yīng)用在火箭和高速飛機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛。
蝙蝠與雷達(dá)
蝙蝠會(huì)釋放出一種超聲波，這種聲波遇見物體時(shí)就會(huì)反彈回來，而人類聽不見。雷達(dá)就是根據(jù)蝙蝠的這種特性發(fā)明出來的。雷達(dá)在航空、航海等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，例如飛機(jī)在夜間飛行時(shí)通過發(fā)射電磁波并接收反射信號(hào)，探測(cè)周圍障礙物、其他飛行器或地形，從而保障安全。
人工冷光
自從人類發(fā)明了電燈，生活變得方便、豐富多了。但電燈只能將電能的很少一部分轉(zhuǎn)變成可見光，其余大部分都以熱能的形式浪費(fèi)掉了，而且電燈的熱射線有害于人眼。那么，有沒有只發(fā)光不發(fā)熱的光源呢?人類又把目光投向了大自然。
在自然界中，有許多生物都能發(fā)光，如細(xì)菌、真菌、植物病原線蟲、軟體動(dòng)物門、甲殼亞門、昆蟲和魚類等，而且這些動(dòng)物發(fā)出的光都不產(chǎn)生熱，所以又被稱為“冷光”。在眾多的發(fā)光動(dòng)物中，螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1 500種，它們發(fā)出的冷光的顏色有黃綠色、橙色，光的亮度也各不相同。螢火蟲發(fā)出冷光不僅具有很高的發(fā)光效率，而且發(fā)出的冷光一般都很柔和，很適合人類的眼睛，光的強(qiáng)度也比較高。因此，生物光是一種人類理想的光。
科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，螢火蟲的發(fā)光器位于腹部。這個(gè)發(fā)光器由發(fā)光層、透明層和反射層三部分組成。發(fā)光層擁有幾千個(gè)發(fā)光細(xì)胞，它們都含有熒光素和熒光酶兩種物質(zhì)。在熒光酶的作用下，熒光素在細(xì)胞內(nèi)水分的參與下，與氧化合便發(fā)出熒光。螢火蟲的發(fā)光，實(shí)質(zhì)上是把化學(xué)能轉(zhuǎn)變成光能的過程。
早在40年代，人們根據(jù)對(duì)螢火蟲的研究，創(chuàng)造了日光燈，標(biāo)志著生物冷光技術(shù)的突破，使人類的照明光源發(fā)生了很大變化。科學(xué)家先是從螢火蟲的發(fā)光器中分離出了純熒光素，后來又分離出了熒光酶，接著，又用化學(xué)方法人工合成了熒光素。由熒光素、熒光酶、ATP(三磷酸腺苷[gān])和水混合而成的生物光源，可在充滿爆炸性瓦斯的礦井中當(dāng)閃光燈。由于這種光沒有電源，不會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。
人們已能用摻和某些化學(xué)物質(zhì)的方法得到類似生物光的冷光，作為安全照明用。
伏特電池
自然界中有許多生物都能產(chǎn)生電，僅僅是魚類就有500余種。人們將這些能放電的魚，統(tǒng)稱為“電魚”。
各種電魚放電的本領(lǐng)各不相同。放電能力最強(qiáng)的是電鰩、電鯰和電鰻。中等大小的電能產(chǎn)生70伏左右的電壓，而非洲電鰩能產(chǎn)生的電壓高達(dá)220伏；非洲電能產(chǎn)生350伏的電壓；電鰻能產(chǎn)生500伏的電壓，有一種南美洲電鰻竟能產(chǎn)生高達(dá)880伏的電壓，稱得上電擊冠軍，據(jù)說它能擊斃像馬那樣的大動(dòng)物。
電魚放電的奧秘究竟在哪里？經(jīng)過對(duì)電魚的解剖研究，終于發(fā)現(xiàn)在電魚體內(nèi)有一種奇特的發(fā)電器官。這些發(fā)電器官是由許多叫電板或電盤的半透明的盤形細(xì)胞構(gòu)成的。由于電魚的種類不同，所以發(fā)電器的形狀、位置、電板數(shù)都不一樣。電鰻的發(fā)電器呈棱形，位于尾部脊椎兩側(cè)的肌肉中；電鰩的發(fā)電器形似扁平的腎臟，排列在身體中線兩側(cè)，共有200萬(wàn)塊電板；電鯰的發(fā)電器起源于某種腺體，位于皮膚與肌肉之間，約有500萬(wàn)塊電板。單個(gè)電板產(chǎn)生的電壓很微弱，但由于電板很多，產(chǎn)生的電壓就很大了。
電魚這種非凡的本領(lǐng)，引起了人們極大的興趣。19世紀(jì)初，意大利物理學(xué)家伏特，以電魚發(fā)電器官為模型，設(shè)計(jì)出世界上最早的伏特電池。因?yàn)檫@種電池是根據(jù)電魚的天然發(fā)電器設(shè)計(jì)的，所以把它叫做“人造電器官”。對(duì)電魚的研究，還給人們這樣的啟示：如果能成功地模仿電魚的發(fā)電器官，那么，船舶和潛水艇等的動(dòng)力問題便能得到很好的解決。
水母的順風(fēng)耳
在自然界中，水母，早在5億多年前，它們就已經(jīng)在海水里生活了。
但是，水母跟順風(fēng)耳又有什么關(guān)系呢？
因?yàn)樗冈陲L(fēng)暴來臨之前，就會(huì)成群結(jié)隊(duì)地游向大海，就預(yù)示風(fēng)暴即將來臨。
但是，這又與“順風(fēng)耳”有什么關(guān)系呢？
原來在藍(lán)色的海洋上，由空氣和波浪摩擦而產(chǎn)生的次聲波（頻率為8～13赫茲），是風(fēng)暴來臨之前的預(yù)告。這種次聲波，人耳是聽不到的，而對(duì)水母來說卻是易如反掌。科學(xué)家經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，水母的耳朵里長(zhǎng)著一個(gè)細(xì)柄，柄上有個(gè)小球，球內(nèi)有塊小小的聽石。科學(xué)家仿照水母耳朵的結(jié)構(gòu)和功能，設(shè)計(jì)了水母耳風(fēng)暴預(yù)測(cè)儀，相當(dāng)精確地模擬了水母感受次聲波的器官。
失重現(xiàn)象
長(zhǎng)頸鹿之所以能將血液通過長(zhǎng)長(zhǎng)的頸輸送到頭部，是由于長(zhǎng)頸鹿的血壓很高。據(jù)測(cè)定，長(zhǎng)頸鹿的血壓比人的正常血壓高出2倍。
這樣高的血壓為什么不會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)頸鹿患腦出血而死亡呢？
這和長(zhǎng)頸鹿身體的結(jié)構(gòu)有關(guān)。首先，長(zhǎng)頸鹿血管周圍的肌肉非常發(fā)達(dá)，能壓縮血管，控制血流量；同時(shí)長(zhǎng)頸鹿腿部及全身的皮膚和筋膜繃得很緊，利于下肢的血液向上回流。科學(xué)家由此受到啟示，在訓(xùn)練宇航員時(shí)，設(shè)置一種特殊器械，讓宇航員利用這種器械每天鍛煉幾小時(shí)，以防止宇航員血管周圍肌肉退化；在宇宙飛船升空時(shí)，科學(xué)家根據(jù)長(zhǎng)頸鹿利用緊繃的皮膚可控制血管壓力的原理，研制了飛行服——“抗荷服”。抗荷服上安有充氣裝置，隨著飛船速度的增高，抗荷服可以充入一定量的氣體，從而對(duì)血管產(chǎn)生一定的壓力，使宇航員的血壓保持正常。同時(shí)，宇航員腹部以下部位是套入抽去空氣的密封裝置中的，這樣可以減小宇航員腿部的血壓，利于身體上部的血液向下肢輸送。
薄殼建筑
蛋殼呈拱形，跨度大，包括許多力學(xué)原理。雖然它只有2 mm的厚度，但使用鐵錘敲砸也很難破壞它。建筑學(xué)家模仿它進(jìn)行了薄殼建筑設(shè)計(jì)。這類建筑有許多優(yōu)點(diǎn)：用料少，跨度大，堅(jiān)固耐用。薄殼建筑也并非都是拱形，舉世聞名的悉尼歌劇院則像一組泊港的群帆。
結(jié)構(gòu)構(gòu)件
對(duì)于構(gòu)件，在截面面積相同的情況下，把材料盡可能放到遠(yuǎn)離中和軸的位置上，是有效的截面形狀。有趣的是，在自然界許多動(dòng)植物的組織中也體現(xiàn)了這個(gè)結(jié)論。例如：“疾風(fēng)知?jiǎng)挪荨保S多能承受狂風(fēng)的植物的莖部是維管狀結(jié)構(gòu)，其截面是空心的。支持人承重和運(yùn)動(dòng)的骨骼，其截面上密實(shí)的骨質(zhì)分布在四周，而柔軟的骨髓充滿內(nèi)腔。在建筑結(jié)構(gòu)中常被采用的空心樓板、箱形大梁、工形截面梁以及折板結(jié)構(gòu)、空間薄壁結(jié)構(gòu)等都是根據(jù)這條結(jié)論得來的。
斑馬
斑馬生活在非洲大陸，外形與一般的馬沒有什么兩樣，它們身上的條紋是為適應(yīng)生存環(huán)境而衍化出來的保護(hù)色。在所有斑馬中，細(xì)紋斑馬長(zhǎng)得最大最美。它的肩高140-160厘米，耳朵又圓又大，條紋細(xì)密且多。斑馬常與草原上的牛羚、旋角大羚羊、瞪羚及非洲鴕鳥等共處，以抵御天敵。人類將斑馬條紋應(yīng)用到軍事上是一個(gè)是很成功仿生學(xué)例子。
昆蟲與仿生
昆蟲個(gè)體小，種類和數(shù)量龐大，占現(xiàn)存動(dòng)物的75%以上，遍布全世界。它們有各自的生存絕技，有些技能連人類也自嘆不如。人們對(duì)自然資源的利用范圍越來越廣泛，特別是仿生學(xué)方面的任何成就，都來自生物的某種特性。
蝴蝶與仿生
五彩的蝴蝶錦色粲[càn]然，如重月紋鳳蝶，褐脈金斑蝶等，尤其是熒光裳鳳蝶，其后翅在陽(yáng)光下時(shí)而金黃，時(shí)而翠綠，有時(shí)還由紫變藍(lán)。
科學(xué)家通過對(duì)蝴蝶色彩的研究，為軍事防御帶來了極大的裨益。在第二次世界大戰(zhàn)期間，德軍包圍了圣彼得堡，企圖用轟炸機(jī)摧毀其軍事目標(biāo)和其他防御設(shè)施。蘇聯(lián)昆蟲學(xué)家施萬(wàn)維奇根據(jù)當(dāng)時(shí) 人們對(duì)偽裝缺乏認(rèn)識(shí)的情況，提出利用蝴蝶的色彩在花叢中不易被發(fā)現(xiàn)的道理，在軍事設(shè)施上覆蓋蝴蝶花紋般的偽裝。因此，盡管德軍費(fèi)盡心機(jī)，但列寧格勒的軍事基地仍安然無(wú)恙，為贏得最后的勝利奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。根據(jù)同樣的原理，后來人們還生產(chǎn)出了迷彩服，大大減少了戰(zhàn)斗中的傷亡。
人造衛(wèi)星在太空中由于位 置的不斷變化可引起溫度驟然變化，有時(shí)溫差可高達(dá)兩、三百度集團(tuán)，嚴(yán)重影響許多儀器的正常工作。
科學(xué)家受鳳蝶總科鱗片隨陽(yáng)光照射方向自動(dòng)調(diào)節(jié)角度以控制體溫的特性啟發(fā)，將人造衛(wèi)星控溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)為百葉窗結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中每扇葉片的正反兩面輻射與散熱能力差異顯著，并在轉(zhuǎn)動(dòng)位置安裝溫度敏感金屬絲，通過金屬絲隨溫度變化調(diào)節(jié)葉片開合，實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星內(nèi)部溫度的恒定控制，為航天領(lǐng)域溫控問題提供了解決方案。此外，基于蝴蝶翅膀的光控微納米結(jié)構(gòu)研究，科研人員開發(fā)出一種新型癌癥診斷方法。該方法通過放大膠原蛋白纖維信號(hào)評(píng)估纖維化水平，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示其在乳腺癌活檢樣本中的檢測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)診斷方法具有可比性，相關(guān)技術(shù)可用于多種纖維化疾病檢測(cè)的研究探索。
甲蟲與仿生
氣步甲炮蟲自衛(wèi)時(shí)，可噴射出具有惡臭的高溫液體“炮彈”，以迷惑、刺激和驚嚇敵害。
科學(xué)家將其解剖后發(fā)現(xiàn)甲蟲體內(nèi)有3個(gè)小室，分別儲(chǔ)有二元酚溶液、過氧化氫和生物酶。二元酚和雙氧水流到第三小室與生物酶 混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，瞬間就成為100℃的毒液，并迅速射出。這種原理已應(yīng)用于軍事技術(shù)中。第二次世界大戰(zhàn)期間，德國(guó)納粹為了戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，據(jù)此機(jī)理制造出了一種功率極大且性能安全可靠的新型發(fā)動(dòng)機(jī)，安裝在飛航式導(dǎo)彈上，使之飛行速度加快，安全穩(wěn)定，命中率提高，英國(guó)倫敦在受其轟炸時(shí)損失慘重。
美國(guó)軍事專家受甲蟲噴 射原理的啟發(fā)研制出了先進(jìn)的二元化武器。這種武器將兩種或多種能產(chǎn)生毒劑的化學(xué)物質(zhì)分裝在兩個(gè)隔開的容器中，炮彈發(fā)射后隔膜破裂，兩種毒劑中間體在彈體飛 行的8—10秒內(nèi)混合并發(fā)生反應(yīng)，在到達(dá)目標(biāo)的瞬間生成致命的毒劑以殺傷敵人。它們易于生產(chǎn)、儲(chǔ)存、運(yùn)輸，安全且不易失效。
螢火蟲可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成光能，且轉(zhuǎn)化效率達(dá)100%，而普通電燈的發(fā)光效率只有6%。人們模仿螢火蟲的發(fā)光原理制成的冷光源可將發(fā)光效率提高十幾倍，大大節(jié)約了能量。另外，根據(jù)甲蟲的視動(dòng)反應(yīng)機(jī)制研制成功的空對(duì)地速度計(jì)已成功地應(yīng)用于航空事業(yè)中。
蜻蜓與仿生
蜻蜒通過翅膀振動(dòng)可產(chǎn)生不同于周圍大氣的局部不穩(wěn)定氣流，并利用氣流產(chǎn)生的渦流來使自己上升。蜻蜒能在很小的推力下翱翔，不但可向前飛行，還能向后和左右兩側(cè)飛行，其向前飛行速度可達(dá)72km/小時(shí)。此外，蜻蜒的 飛行行為簡(jiǎn)單，僅靠?jī)蓪?duì)翅膀不停地拍打。
科學(xué)家據(jù)此結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)研制成功了直升飛機(jī)。飛機(jī)在高速飛行時(shí)，常會(huì)引起劇烈振動(dòng)，甚至有時(shí)會(huì)折斷機(jī)翼而引起飛機(jī)失事。蜻蜒依靠加重的翅痣在高速飛行時(shí)安然無(wú)恙，于是人們仿效蜻蜒在飛機(jī)的兩翼加上了平衡重錘，解決了因高速飛行而引起振動(dòng)這個(gè)令人棘手的問題。
蒼蠅與仿生
昆蟲學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，蒼蠅的后翅退化成一對(duì)平衡棒。當(dāng)它飛行時(shí)，平衡棒以一定的頻率進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)，可以調(diào)節(jié)翅膀的運(yùn)動(dòng)方向，是保持蒼蠅身體平 衡的導(dǎo)航儀。
科學(xué)家據(jù)此原理研制成一代新型導(dǎo)航儀——振動(dòng)陀螺儀，大大改進(jìn)了飛機(jī)的飛行性能LlJ，可使飛機(jī)自動(dòng)停止危險(xiǎn)的滾翻飛行，在機(jī)體強(qiáng)烈傾斜時(shí)還 能自動(dòng)恢復(fù)平衡，即使是飛機(jī)在最復(fù)雜的急轉(zhuǎn)彎時(shí)也萬(wàn)無(wú)一失。蒼蠅的復(fù)眼包含4000個(gè)可獨(dú)立成像的單眼，能看清幾乎360。范圍內(nèi)的物體。
在蠅眼的啟示下，人們制成了由1329塊小透鏡組成的一次可拍1329張高分辨率照片的蠅眼照相機(jī)，在軍事、醫(yī)學(xué)、航空、航天上被廣泛應(yīng)用。
蒼蠅的嗅覺特別靈敏并能對(duì) 數(shù)十種氣味進(jìn)行快速分析且可立即作出反應(yīng)。科學(xué)家根據(jù)蒼蠅嗅覺器官的結(jié)構(gòu)，把各種化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)變成電脈沖的方式，制成了十分靈敏的小型氣體分析儀，已廣泛應(yīng)用于載人飛船、潛艇和礦井等場(chǎng)所來檢測(cè)氣體成分，使科研、生產(chǎn)的安全系數(shù)更為準(zhǔn)確、可靠。
蜂類與仿生
蜂巢由一個(gè)個(gè)排列整齊的六棱柱形小 蜂房組成，每個(gè)小蜂房的底部由3個(gè)相同的菱形組成，這些結(jié)構(gòu)與近代數(shù)學(xué)家精確計(jì)算出來的——菱形鈍角109。28’，銳角70。32’完全相同，是最節(jié)省 材料的結(jié)構(gòu)，且容量大、極堅(jiān)固，令許多專家贊嘆不止。
人們仿其構(gòu)造用各種材料制成蜂巢式夾層結(jié)構(gòu)板，強(qiáng)度大、重量輕、不易傳導(dǎo)聲和熱，是建筑及制造航天飛 機(jī)、載人飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料。
蜜蜂屬復(fù)眼的每個(gè)單眼中相鄰地排列著對(duì)偏振光方向十分敏感的偏振片，可利用太陽(yáng)準(zhǔn)確定位。科學(xué)家據(jù)此原理研制成功了偏振光導(dǎo)航儀，早已廣泛用于航海事業(yè)中。
其它仿生
跳蚤的跳躍本領(lǐng)十分高強(qiáng)，航空專家對(duì)此進(jìn)行了研究。
生物學(xué)家通過對(duì)蛛絲的研究制造出高級(jí)絲線，抗撕斷裂降落傘與臨時(shí)懸索橋用的高強(qiáng)度纜索。船和潛艇來自人們對(duì)魚類和海豚的模仿。
AIM-9響尾蛇導(dǎo)彈等就是科學(xué)家模仿蛇的“熱眼”功能和其舌上排列著一種似照相機(jī)裝置的天然紅外線感知能力的原理，研制開發(fā)出來的現(xiàn)代化武器。
科研人員通過研究變色龍的變色本領(lǐng)，為部隊(duì)研制出了不少軍事偽裝裝備。
科學(xué)家研究青蛙的眼睛，發(fā)明了電子蛙眼，這種裝置能識(shí)別特定形狀的物體，廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)監(jiān)控和交通管理。
白蟻不僅使用膠粘劑建筑它們的土堆，還可以通過頭部的小管向敵人噴射膠粘劑。于是人們按照同樣的原理制造了工作的武器——干膠炮彈。
美國(guó)空軍通過毒蛇的“熱眼”功能，研究開發(fā)出了微型熱傳感器。
我國(guó)紡織科技人員利用仿生學(xué)原理，借鑒陸地動(dòng)物的皮毛結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出一種KEG保溫面料，并具有防風(fēng)和導(dǎo)濕的功能。
受北宋“養(yǎng)蠣固基”智慧啟發(fā)，科研團(tuán)隊(duì)模仿牡蠣科在潮濕環(huán)境中黏附礁石的原理，于2025年9月研發(fā)出可在血液浸潤(rùn)環(huán)境中快速粘合骨折的“骨02”骨膠水。
根據(jù)響尾蛇的頰窩能感覺到0.001℃的溫度變化的原理，人類發(fā)明了跟蹤追擊的AIM-9響尾蛇導(dǎo)彈。人類還利用蛙跳的原理設(shè)計(jì)了蟾蜍夯。人類模仿警犬的高靈敏嗅覺制成了用于偵緝的“電子警犬”。科學(xué)家根據(jù)野豬的鼻子測(cè)毒的奇特本領(lǐng)制成了世界上第一批防毒面具。
仿生學(xué)是人類一直使用的方法，如模仿海豚皮而構(gòu)造的“海豚皮游泳衣”、科學(xué)家研究鯨目的皮膚時(shí)，發(fā)現(xiàn)其上有溝漕的結(jié)構(gòu)，于是有個(gè)科學(xué)家就依照鯨魚皮構(gòu)造，造成一個(gè)薄膜蒙在飛機(jī)的表面，據(jù)實(shí)驗(yàn)可節(jié)約能源3%，若全國(guó)的飛機(jī)都蒙上這樣的表面，每年可節(jié)約幾十億。又如有科學(xué)家研究蜘蛛目，發(fā)現(xiàn)蜘蛛的腿上沒有肌肉，有腳的動(dòng)物會(huì)走，主要是靠肌肉的收縮，蜘蛛沒有肌肉為什么會(huì)走路？經(jīng)研究蜘蛛不是靠肌肉的收縮進(jìn)行走路的，而是靠其中的“液壓”的結(jié)構(gòu)進(jìn)行走路，據(jù)此人們發(fā)明了液壓步行機(jī)……總之，從自然界得到啟迪，模仿其結(jié)構(gòu)進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造。這就是仿生學(xué). 這是我們向自然界學(xué)習(xí)的一個(gè)方面。
2024年5月，北京航空航天大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出微型昆蟲機(jī)器人（設(shè)計(jì)靈感源自蜚蠊目），可應(yīng)用于災(zāi)后搜救、大型機(jī)械設(shè)備及基礎(chǔ)設(shè)施損傷檢測(cè)；2025年，國(guó)防科技大學(xué)研發(fā)出蚊形仿生機(jī)器人，具備隱身、抗風(fēng)、暴雨飛行等能力，可執(zhí)行偵察、排爆等任務(wù)。
仿生學(xué)現(xiàn)象簡(jiǎn)表
電子蛙眼還廣泛應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)及交通要道上。在機(jī)場(chǎng)，它能監(jiān)視飛機(jī)的起飛與降落，若發(fā)現(xiàn)飛機(jī)將要發(fā)生碰撞，能及時(shí)發(fā)出警報(bào)。在交通要道，它能指揮車輛的行駛，防止車輛碰撞事故的發(fā)生。
仿生學(xué)最新發(fā)展
1994年中科院（CAS）曾邦哲[曾杰]提出系統(tǒng)生物工程（systems bio-engineering）與系統(tǒng)遺傳學(xué)的概念與原理，探討細(xì)胞仿生工程，并于德國(guó)2002年提出細(xì)胞通訊的生物計(jì)算機(jī)（ Automatic Cell and Bionic 計(jì)算機(jī)）模型。
仿生學(xué)與遺傳學(xué)的整合是系統(tǒng)生物工程的理念，也就是發(fā)展遺傳工程的仿生學(xué)。人工基因重組、轉(zhuǎn)基因技術(shù)是自然重組、基因轉(zhuǎn)移的模仿，還天然藥物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生，人工神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)是細(xì)胞系統(tǒng)水平的仿生，跟隨單基因遺傳學(xué)單基因轉(zhuǎn)移發(fā)展到多基因系統(tǒng)調(diào)控研究的系統(tǒng)遺傳學(xué)（system genetics）、多基因轉(zhuǎn)基因的合成生物學(xué)（synthetic biology），以及納米生物技術(shù)（nano-生物技術(shù)）、生物計(jì)算（bio - computation、DNA計(jì)算機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)生物工程發(fā)展，仿生學(xué)已經(jīng)全面發(fā)展到一個(gè)從分子、細(xì)胞到器官的人工生物系統(tǒng)（artificial biosystem）開發(fā)的時(shí)代。
研究范圍
力學(xué)仿生
是研究并模仿生物體大體結(jié)構(gòu)與精細(xì)結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)性質(zhì)，以及生物體各組成部分在體內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)和生物體在環(huán)境中運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。例如，建筑上模仿貝殼修造的大跨度薄殼建筑，模仿股骨結(jié)構(gòu)建造的立柱，既消除應(yīng)力特別集中的區(qū)域，又可用最少的建材承受最大的載荷。軍事上模仿海豚皮膚的溝槽結(jié)構(gòu)，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(xué)結(jié)構(gòu)后，合成了一種類似有機(jī)化合物，在田間捕蟲籠中用千萬(wàn)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(fā)光、肌肉直接把化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能等生物體中的能量轉(zhuǎn)換過程；
信息與控制仿生
信息與控制仿生是研究與模擬感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及高級(jí)中樞的智能活動(dòng)等方面生物體中的信息處理過程。例如，根據(jù)象鼻蟲視動(dòng)反應(yīng)制成的“自相關(guān)測(cè)速儀”可測(cè)定飛機(jī)著陸速度。根據(jù)復(fù)眼視網(wǎng)膜側(cè)抑制網(wǎng)絡(luò)的工作原理，研制成功可增強(qiáng)圖像輪廓、提高反差、從而有助于模糊目標(biāo)檢測(cè)的—些裝置。已建立的神經(jīng)元模型達(dá)100種以上，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出新型計(jì)算機(jī)。
模仿人類學(xué)習(xí)過程，制造出一種稱為“感知機(jī)”的機(jī)器，它可以通過訓(xùn)練，改變?cè)g聯(lián)系的權(quán)重來進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而能實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別。此外，它還研究與模擬體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，運(yùn)動(dòng)控制、動(dòng)物的定向與導(dǎo)航等生物系統(tǒng)中的控制機(jī)制，以及人-機(jī)系統(tǒng)的仿生學(xué)方面。
某些文獻(xiàn)中，把分子仿生與能量仿生的部分內(nèi)容稱為化學(xué)仿生，而把信息和控制仿生的部分內(nèi)容稱為神經(jīng)仿生。
仿生學(xué)的范圍很廣，信息與控制仿生是一個(gè)主要領(lǐng)域。一方面由于自動(dòng)化向智能控制發(fā)展的需要，另一方面是由于生物科學(xué)已發(fā)展到這樣一個(gè)階段，使研究大腦已成為對(duì)神經(jīng)科學(xué)最大的挑戰(zhàn)。人工智能和智能機(jī)器人研究的仿生學(xué)方面——生物模式識(shí)別的研究，大腦學(xué)習(xí)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(xié)調(diào)問題等——是仿生學(xué)研究的主攻方面。
控制與信息仿生和生物控制論關(guān)系密切。兩者都研究生物系統(tǒng)中的控制和信息過程，都運(yùn)用生物系統(tǒng)的模型。但前者的目的主要是構(gòu)造實(shí)用人造硬件系統(tǒng)；而生物控制論則從控制論的一般原理，從技術(shù)科學(xué)的理論出發(fā)，為生物行為尋求解釋。
最廣泛地運(yùn)用類比、模擬和模型方法是仿生學(xué)研究方法的突出特點(diǎn)。其目的不在于直接復(fù)制每一個(gè)細(xì)節(jié)，而是要理解生物系統(tǒng)的工作原理，以實(shí)現(xiàn)特定功能為中心目的。—般認(rèn)為，在仿生學(xué)研究中存在下列三個(gè)相關(guān)的方面：生物原型、數(shù)學(xué)模型和硬件模型。前者是基礎(chǔ)，后者是目的，而數(shù)學(xué)模型則是兩者之間必不可少的橋梁。
由于生物系統(tǒng)的復(fù)雜性，搞清某種生物系統(tǒng)的機(jī)制需要相當(dāng)長(zhǎng)的研究周期，而且解決實(shí)際問題需要多學(xué)科長(zhǎng)時(shí)間的密切協(xié)作，這是限制仿生學(xué)發(fā)展速度的主要原因。
細(xì)胞仿生學(xué)
細(xì)胞仿生學(xué)也在水過濾領(lǐng)域初露崢嶸，科學(xué)家們希望借用人體與植物體內(nèi)存在的一種薄膜（只讓水進(jìn)出微生物的細(xì)胞），將海水變成飲用水。在這一思路的指導(dǎo)下，他們研制出了一種“水通道”濾水設(shè)備，這款配備了“內(nèi)部水通道（Aquaporin Inside）”技術(shù)的纖細(xì)薄膜，有望將海水變成飲用水，讓臟水變成干凈水。
與此同時(shí)，光合作用過程也正被科學(xué)家們用于能源的捕獲和存儲(chǔ)領(lǐng)域。美國(guó)康奈爾大學(xué)薩賓設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在研制名為“電子皮膚（eSkin）”的適應(yīng)性建筑外層，這一外層利用了肺部細(xì)胞的特性，讓建筑可與周圍環(huán)境有效地相互作用。
很多能源問題解決方案都在采用這一原則，包括生物電池的研制等。據(jù)報(bào)道，猶他大學(xué)的研究人員根據(jù)人體的新陳代謝過程——幾乎所有的活體微生物都用葡萄糖來制造能量，研制出了一種生物電池，這款電池用糖做燃料，用天生擁有能量轉(zhuǎn)化屬性的酶做催化劑。
研究方法
仿生學(xué)是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)學(xué)互相滲透而結(jié)合成的一門新興的邊緣科學(xué)。
第一屆仿生學(xué)會(huì)議為仿生學(xué)確定了一個(gè)有趣而形象的標(biāo)志：一個(gè)巨大的積分符號(hào)，把解剖刀和電烙鐵“積分”在一起。這個(gè)符號(hào)的含義不僅顯示出仿生學(xué)的組成，而且也概括表達(dá)了仿生學(xué)的研究途徑。
仿生學(xué)的任務(wù)就是要研究生物系統(tǒng)的優(yōu)異能力及產(chǎn)生的原理，并把它模式化，然后應(yīng)用這些原理去設(shè)計(jì)和制造新的技術(shù)設(shè)備。
仿生學(xué)的主要研究方法就是提出模型，進(jìn)行模擬。
其研究程序大致有以下三個(gè)階段：
首先是對(duì)生物原型的研究。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際提出的具體課題，將研究所得的生物資料予以簡(jiǎn)化，吸收對(duì)技術(shù)要求有益的內(nèi)容，取消與生產(chǎn)技術(shù)要求無(wú)關(guān)的因素，得到一個(gè)生物模型；
第二階段是將生物模型提供的資料進(jìn)行數(shù)學(xué)分析，并使其內(nèi)在的聯(lián)系抽象化，用數(shù)學(xué)的語(yǔ)言把生物模型“翻譯”成具有一定意義的數(shù)學(xué)模型；
最后根據(jù)數(shù)學(xué)模型制造出可在工程技術(shù)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)物模型。
當(dāng)然在生物的模擬過程中，不僅僅是簡(jiǎn)單的仿生，更重要的是在仿生中有創(chuàng)新。經(jīng)過實(shí)踐——認(rèn)識(shí)——再實(shí)踐的多次重復(fù)，才能使模擬出來的東西越來越符合生產(chǎn)的需要。這樣模擬的結(jié)果，使最終建成的機(jī)器設(shè)備將與生物原型不同，在某些方面甚上超過生物原型的能力。例如現(xiàn)代的飛機(jī)在許多方面都超過了鳥類的飛行能力，電子計(jì)算機(jī)在復(fù)雜的計(jì)算中要比人的計(jì)算能力迅速而可靠。
仿生學(xué)的基本研究方法使它在生物學(xué)的研究中表現(xiàn)出一個(gè)突出的特點(diǎn)，就是整體性。從仿生學(xué)的整體來看，它把生物看成是一個(gè)能與內(nèi)外環(huán)境進(jìn)行聯(lián)系和控制的復(fù)雜系統(tǒng)。它的任務(wù)就是研究復(fù)雜系統(tǒng)內(nèi)各部分之間的相互關(guān)系以及整個(gè)系統(tǒng)的行為和狀態(tài)。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我復(fù)制，它們與外界的聯(lián)系是密不可分的。生物從環(huán)境中獲得物質(zhì)和能量，才能進(jìn)行生長(zhǎng)和繁殖；生物從環(huán)境中接受信息，不斷地調(diào)整和綜合，才能適應(yīng)和進(jìn)化。長(zhǎng)期的進(jìn)化過程使生物獲得結(jié)構(gòu)和功能的統(tǒng)一，局部與整體的協(xié)調(diào)與統(tǒng)一。仿生學(xué)要研究生物體與外界刺激（輸入信息）之間的定量關(guān)系，即著重于數(shù)量關(guān)系的統(tǒng)一性，才能進(jìn)行模擬。為達(dá)到此目的，采用任何局部的方法都不能獲得滿意的效果。因此，仿生學(xué)的研究方法必須著重于整體。
仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容是極其豐富多彩的，因?yàn)樯锝绫旧砭桶汕先f(wàn)的種類，它們具有各種優(yōu)異的結(jié)構(gòu)和功能供各行業(yè)來研究。自從仿生學(xué)問世以來的二十幾年內(nèi)，仿生學(xué)的研究得到迅速的發(fā)展，且取得了很大的成果。就其研究范圍可包括電子仿生、機(jī)械仿生、建筑仿生、化學(xué)仿生等。隨著現(xiàn)代工程技術(shù)的發(fā)展，學(xué)科分支繁多，在仿生學(xué)中相應(yīng)地開展對(duì)口的技術(shù)仿生研究。例如：航海部門對(duì)水生動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的流體力學(xué)的研究；航空部門對(duì)鳥類、昆蟲飛行的模擬、動(dòng)物的定位與導(dǎo)航；工程建筑對(duì)生物力學(xué)的模擬；無(wú)線電技術(shù)部門對(duì)于人神經(jīng)細(xì)胞、感覺器宮和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬；計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)于腦的模擬以及人工智能的研究等。在第一屆仿生學(xué)會(huì)議上發(fā)表的比較典型的課題有：“人造神經(jīng)元有什么特點(diǎn)”、“設(shè)計(jì)生物計(jì)算機(jī)中的問題”、“用機(jī)器識(shí)別圖像”、“學(xué)習(xí)的機(jī)器”等。從中可以看出以電子仿生的研究比較廣泛。仿生學(xué)的研究課題多集中在以下三種生物原型的研究，即動(dòng)物的感覺器官、神經(jīng)元、神經(jīng)系統(tǒng)的整體作用。以后在機(jī)械仿生和化學(xué)仿生方面的研究也隨之開展起來，近些年又出現(xiàn)新的分支，如人體的仿生學(xué)、分子仿生學(xué)和宇宙仿生學(xué)等。
總之，仿生學(xué)的研究?jī)?nèi)容，從模擬微觀世界的分子仿生學(xué)到宏觀的宇宙仿生學(xué)包括了更為廣泛的內(nèi)容。而當(dāng)今的科學(xué)技術(shù)正是處于一個(gè)各種自然科學(xué)高度綜合和互相交叉、滲透的新時(shí)代，仿生學(xué)通過模擬的方法把對(duì)生命的研究和實(shí)踐結(jié)合起來，同時(shí)對(duì)生物學(xué)的發(fā)展也起了極大的促進(jìn)作用。在其它學(xué)科的滲透和影響下，使生物科學(xué)的研究在方法上發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變；在內(nèi)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(xué)的發(fā)展又是以仿生學(xué)為渠道向各種自然科學(xué)和技術(shù)科學(xué)輸送寶貴的資料和豐富的營(yíng)養(yǎng)，加速科學(xué)的發(fā)展。因此，仿生學(xué)的科研顯示出無(wú)窮的生命力，它的發(fā)展和成就將為促進(jìn)世界整體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展做出巨大的貢獻(xiàn)。
參考資料 >
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