论文部分内容阅读
仿生是模仿生物的简称，仿生发明法就是模仿生物的形态、材料、结构和功能的发明方法。
20世纪50年代，科学家已经认识到生物系统是开辟和发明新技术的途径和源泉之一。1960年9月召开了美国第一次仿生学会议。斯梯尔为新的仿生科学命名为仿生学，宣告仿生学的正式诞生。至今仿生学已包括力学仿生、分子仿生、化学仿生、能量仿生、信息与控制仿生、宇宙仿生、电子仿生、机械仿生、建筑仿生、医学仿生、军事仿生、经济仿生等内容。仿生的范围十分广泛，下面仅就形态、材质、结构和功能的仿生，分别举一些实例加以说明。
建筑仿生
蜂巢由许多排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，具有最小面积和最大容量的特点，建房所需的材料最少，而且极坚固。人们仿其结构制成蜂巢式夹层板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。非气动蜂窝结构的轮胎利用蜂窝的多六边形结构互相支撑，达到降低震动、提高车轮强度的作用。由于它并不是充气轮胎，可以避免轮胎爆胎，在噪音抑制和轮胎摩擦发热量上也比普通轮胎更为优越。蛋壳能够把受到的压力均匀地分散到蛋壳的各个部分。建筑师根据这种“薄壳结构”的特点，设计出许多既轻便又省料的仿生建筑物。上海东方音乐厅和台湾桃园北区体育场的屋顶就是蛋形薄壳结构。而国家大剧院的造型颇似“覆盖在水中的银白色蛋壳”，具有最大跨度达212米的圆形穹顶。北京火车站大厅屋顶所采用的薄壳拱形结构，屋顶虽薄，却很耐压，经得起风雨和积雪的“考验”；不仅外形美观，而且节约了人力、物力。澳大利亚悉尼歌剧院的屋顶也是薄壳结构，而造型既像竖立着的贝壳，又像两艘巨型白色帆船。屋顶是薄壳结构的还有北京农展馆、广州新体育馆、意大利罗马小体育馆和巴黎工业展览中心等。
分子仿生
蜘蛛丝的强度超过所有其他天然纤维，与强度最高的碳纤维及凯夫拉纤维等相接近，但其韧性明显优于上述纤维。科学家已通过克隆蜘蛛丝的基因或将蜘蛛的基因转移到山羊或蚕的DNA上，从而提取人造蜘蛛丝，它将在医药、工程、体育、军事等领域大显身手。如可用作制造坚固而轻便的护甲、更细的光纤、更加坚韧的手术线、人造腱、人造韧带以及各种新型运动护具等。荷叶“出淤泥而不染”，不沾污泥和水。人们研制出的人工仿生荷叶，是一种人造高分子薄膜，不沾水又不沾油，可用作自清洁西装和羽绒服等面料。鲨鱼在水中的高游速，得益于它的皮肤可以减少水的阻力。仿鲨鱼皮泳衣，具有极轻、低阻、防水和快干的特性。在最近三届奥运会的游泳比赛中，有许多泳将穿着它打破了纪录。
医学仿生
人的牙齿非常坚固，但患牙病或因外伤牙齿缺失后需装塑料或金属材质的人工牙。人工种植牙是将与人体骨质兼容性高的纯钛金属牙植入缺牙区的牙槽骨内，可承受正常的咀嚼力量，功能和美观上几乎和自然牙一样。人工活体骨就是用自然界或者是人工合成的生物材料制备成的“支架”和人工提取的活的骨细胞结合，植入人体内骨缺损部位。如用具有天然骨的多孔结构的人工合成的纳米羟基磷灰石和胶原的复合材料，植入后经过几个月就可被人体完全吸收，修复后的骨头和人体骨完全一样，而且整个过程没有任何排异反应。仿生人则是通过用接近于人体质地的仿生材料来制造出人体各部分器官，从而造出非常接近真人的仿生人，再加传感器，用作模型代替真人去承受真人无法承受的环境。如将仿生人放置在汽车中进行撞碰实验，在汽车被撞击翻滚的情况下，测试驾驶员和乘客的生命安全参数。
模仿生物特殊功能的发明也相当多。例如根据青蛙眼睛的特殊构造研制的电子蛙眼，可用于监视飞机的起落和跟踪人造卫星。苍蝇的楫翅(即平衡棒)是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”，目前已经应用在火箭和高速飞机上，以实现自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由3000多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。一次就能照出千百张相同的相片，这种照相机已经用于印刷制版。通过对萤火虫和海蝇的发光原理的研究，获得了化学能转化为光能的方法，从而研制出荧光灯。19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼的发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。仿照水母耳朵的结构和功能，设计的水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次声波的器官。它能提前15小时对风暴作出预报，以保证航海和渔船的安全。根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制成一种奇特的小型气体分析仪，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。根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。响尾蛇的视力几乎为零，但其鼻子上的颊窝器官具有热定位功能，对0.001摄氏度的温差都能感觉出来，且反应时间不超过0.1秒。根据响尾蛇这一奇特功能，研制出了夜视仪、空对空响尾蛇导弹以及仿生红外探测器。蝙蝠是靠自身发_出的超声波来引导飞行的，科学家通过模仿蝙蝠按照目标情况随时调整脉冲参数和调整方向的探测方法，提高了雷达的灵敏度和抗干扰能力。还通过模仿蝙蝠回声定位功能原理，仿制出用于军事的声纳眼镜及盲人用的“探路仪”。模仿蜜蜂偏振光定向本领，研制出偏振定向器用于飞机、舰船。
仿生技术的应用大大推动了科技的进步和人类的发展。仿生技术用于医疗推动了人工和仿生器官技术的发展。人类开始是采用机械和电子的方法模拟出人工器官，如人工心脏起搏器；可以排出二氧化碳、吸进氧气的人工肺；从血液透析演变为血液净化的人工肾等；植入替代人耳功能的电子人工耳蜗，可使患有重度或极重度耳聋的人的听力接近正常：人造视网膜系统用摄像机记录下基本的视觉信息，并将它加工成电信号，通过无线传输到内置的电极上，让盲人恢复其视网膜功能，从而产生模糊的视力。仿生手可以依靠人脑思维来控制，并让假肢有触觉；智能仿生腿是由微处理器控制关节活动的高科技假腿。用烧伤患者自身的骨髓细胞培育成皮肤组织，并已用于临床移植；现在用造血干细胞的移植来治疗白血病的疗效较好。而肝干细胞移植治疗肝脏疾病和干细胞移植治疗脑瘫等正在努力改善中。最理想的仿生组织和器官是根据生物由干细胞的分化而自生长出来或自愈。胚胎干细胞是指当受精卵分裂发育成囊胚时内细胞团的细胞，它具有可体外培养、无限增殖、自我更新和多向分化的特性。它是一种高度未分化细胞，具有发育的全能性，能分化出动物的所有组织和器官。所以可以避免不同个体间的移植排斥，是仿生医学的希望所在。
仿生学的诞生才37年，目前的仿生技术只模仿了生物特殊功能中的极小部分，而且有的还处于初步阶段，如模仿鱼腮的提取空气、供人在水下活动时呼吸用的人工腮还不够理想。仿生自组装更只揭开了冰山一角。能创造巨大价值的模仿植物固氮和光合作用等都尚未取得成功。因此，仿生技术的发展潜力无穷。
20世纪50年代，科学家已经认识到生物系统是开辟和发明新技术的途径和源泉之一。1960年9月召开了美国第一次仿生学会议。斯梯尔为新的仿生科学命名为仿生学，宣告仿生学的正式诞生。至今仿生学已包括力学仿生、分子仿生、化学仿生、能量仿生、信息与控制仿生、宇宙仿生、电子仿生、机械仿生、建筑仿生、医学仿生、军事仿生、经济仿生等内容。仿生的范围十分广泛，下面仅就形态、材质、结构和功能的仿生，分别举一些实例加以说明。
建筑仿生
蜂巢由许多排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，具有最小面积和最大容量的特点，建房所需的材料最少，而且极坚固。人们仿其结构制成蜂巢式夹层板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。非气动蜂窝结构的轮胎利用蜂窝的多六边形结构互相支撑，达到降低震动、提高车轮强度的作用。由于它并不是充气轮胎，可以避免轮胎爆胎，在噪音抑制和轮胎摩擦发热量上也比普通轮胎更为优越。蛋壳能够把受到的压力均匀地分散到蛋壳的各个部分。建筑师根据这种“薄壳结构”的特点，设计出许多既轻便又省料的仿生建筑物。上海东方音乐厅和台湾桃园北区体育场的屋顶就是蛋形薄壳结构。而国家大剧院的造型颇似“覆盖在水中的银白色蛋壳”，具有最大跨度达212米的圆形穹顶。北京火车站大厅屋顶所采用的薄壳拱形结构，屋顶虽薄，却很耐压，经得起风雨和积雪的“考验”；不仅外形美观，而且节约了人力、物力。澳大利亚悉尼歌剧院的屋顶也是薄壳结构，而造型既像竖立着的贝壳，又像两艘巨型白色帆船。屋顶是薄壳结构的还有北京农展馆、广州新体育馆、意大利罗马小体育馆和巴黎工业展览中心等。
分子仿生
蜘蛛丝的强度超过所有其他天然纤维，与强度最高的碳纤维及凯夫拉纤维等相接近，但其韧性明显优于上述纤维。科学家已通过克隆蜘蛛丝的基因或将蜘蛛的基因转移到山羊或蚕的DNA上，从而提取人造蜘蛛丝，它将在医药、工程、体育、军事等领域大显身手。如可用作制造坚固而轻便的护甲、更细的光纤、更加坚韧的手术线、人造腱、人造韧带以及各种新型运动护具等。荷叶“出淤泥而不染”，不沾污泥和水。人们研制出的人工仿生荷叶，是一种人造高分子薄膜，不沾水又不沾油，可用作自清洁西装和羽绒服等面料。鲨鱼在水中的高游速，得益于它的皮肤可以减少水的阻力。仿鲨鱼皮泳衣，具有极轻、低阻、防水和快干的特性。在最近三届奥运会的游泳比赛中，有许多泳将穿着它打破了纪录。
医学仿生
人的牙齿非常坚固，但患牙病或因外伤牙齿缺失后需装塑料或金属材质的人工牙。人工种植牙是将与人体骨质兼容性高的纯钛金属牙植入缺牙区的牙槽骨内，可承受正常的咀嚼力量，功能和美观上几乎和自然牙一样。人工活体骨就是用自然界或者是人工合成的生物材料制备成的“支架”和人工提取的活的骨细胞结合，植入人体内骨缺损部位。如用具有天然骨的多孔结构的人工合成的纳米羟基磷灰石和胶原的复合材料，植入后经过几个月就可被人体完全吸收，修复后的骨头和人体骨完全一样，而且整个过程没有任何排异反应。仿生人则是通过用接近于人体质地的仿生材料来制造出人体各部分器官，从而造出非常接近真人的仿生人，再加传感器，用作模型代替真人去承受真人无法承受的环境。如将仿生人放置在汽车中进行撞碰实验，在汽车被撞击翻滚的情况下，测试驾驶员和乘客的生命安全参数。
模仿生物特殊功能的发明也相当多。例如根据青蛙眼睛的特殊构造研制的电子蛙眼，可用于监视飞机的起落和跟踪人造卫星。苍蝇的楫翅(即平衡棒)是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”，目前已经应用在火箭和高速飞机上，以实现自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由3000多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。一次就能照出千百张相同的相片，这种照相机已经用于印刷制版。通过对萤火虫和海蝇的发光原理的研究，获得了化学能转化为光能的方法，从而研制出荧光灯。19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼的发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。仿照水母耳朵的结构和功能，设计的水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次声波的器官。它能提前15小时对风暴作出预报，以保证航海和渔船的安全。根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制成一种奇特的小型气体分析仪，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。根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。响尾蛇的视力几乎为零，但其鼻子上的颊窝器官具有热定位功能，对0.001摄氏度的温差都能感觉出来，且反应时间不超过0.1秒。根据响尾蛇这一奇特功能，研制出了夜视仪、空对空响尾蛇导弹以及仿生红外探测器。蝙蝠是靠自身发_出的超声波来引导飞行的，科学家通过模仿蝙蝠按照目标情况随时调整脉冲参数和调整方向的探测方法，提高了雷达的灵敏度和抗干扰能力。还通过模仿蝙蝠回声定位功能原理，仿制出用于军事的声纳眼镜及盲人用的“探路仪”。模仿蜜蜂偏振光定向本领，研制出偏振定向器用于飞机、舰船。
仿生技术的应用大大推动了科技的进步和人类的发展。仿生技术用于医疗推动了人工和仿生器官技术的发展。人类开始是采用机械和电子的方法模拟出人工器官，如人工心脏起搏器；可以排出二氧化碳、吸进氧气的人工肺；从血液透析演变为血液净化的人工肾等；植入替代人耳功能的电子人工耳蜗，可使患有重度或极重度耳聋的人的听力接近正常：人造视网膜系统用摄像机记录下基本的视觉信息，并将它加工成电信号，通过无线传输到内置的电极上，让盲人恢复其视网膜功能，从而产生模糊的视力。仿生手可以依靠人脑思维来控制，并让假肢有触觉；智能仿生腿是由微处理器控制关节活动的高科技假腿。用烧伤患者自身的骨髓细胞培育成皮肤组织，并已用于临床移植；现在用造血干细胞的移植来治疗白血病的疗效较好。而肝干细胞移植治疗肝脏疾病和干细胞移植治疗脑瘫等正在努力改善中。最理想的仿生组织和器官是根据生物由干细胞的分化而自生长出来或自愈。胚胎干细胞是指当受精卵分裂发育成囊胚时内细胞团的细胞，它具有可体外培养、无限增殖、自我更新和多向分化的特性。它是一种高度未分化细胞，具有发育的全能性，能分化出动物的所有组织和器官。所以可以避免不同个体间的移植排斥，是仿生医学的希望所在。
仿生学的诞生才37年，目前的仿生技术只模仿了生物特殊功能中的极小部分，而且有的还处于初步阶段，如模仿鱼腮的提取空气、供人在水下活动时呼吸用的人工腮还不够理想。仿生自组装更只揭开了冰山一角。能创造巨大价值的模仿植物固氮和光合作用等都尚未取得成功。因此，仿生技术的发展潜力无穷。