人类从生物界学到了什么——创造仿生思维方法

第二十九章　人类从生物界学到了什么 ——创造仿生思维方法

从狭义上说，自然界是指组成客观物质世界的无机界和有机界。自然界中由活质构成并具有生长、发育和繁殖等能力的物体称为生物，而这些生物生存的空间叫做生物界，一般包括植物、动物和微生物三大类。人当然也是属于生物，但是他是生物进化发展的最高级阶段，具有发达的语言、善于思维的大脑，能够制造工具，并且具有能动地改造自然的本领。

人是万物灵长，具有主宰世界和创造万物的能力，所以人是世界上第一宝贵的资源。但是，生物界许多物种具有的特殊能力则又是人所不具有或无法比拟的，如狗的嗅觉、鹰的视力、鸽子传递书信的能力、猫头鹰的夜视力、大雁的飞行能力、骆驼的耐力、鹿的跳跃能力、鱼的潜水能力、猴的攀爬能力、雪豹的耐寒能力、青蛙的动态捕食能力等。因此，某些生物的奇特构造、机能和奇妙的本领，给了我们很大的启示：难道人类不应当向生物界学点什么吗?于是，人们开始对某些生物的奇特能力进行研究，借以完善自我，超越自我，以更好地承担起改造自然界的伟大使命。

人们在长期研究生物奇特能力时，逐渐形成了一种思维方法，我们把它叫做仿生思维方法。随着人们仿生实践经验的积累，仿生研究成果不断涌现，仿生科学知识不断系统化和理论化，于是一门新的学科——仿生学诞生了。何谓仿生学?简单地说来，仿生学就是模仿除人以外的生物的特种功能来制造更为先进的技术装置的科学。说得更准确些，仿生学是模仿生物的功能，根据其原理发明出性能优异的新型机械系统、仪器设备、建筑结构等，创造出新原理和新技术。那么，什么是仿生思维方法呢?顾名思义，模仿生物的功能和行为，借以制造新的技术设备和系统的科学方法，就叫仿生思维方法。仿生学与仿生思维方法是相辅而行的，也就是说，仿生活动的研究必须运用仿生思维方法，而仿生学科的诞生又将丰富仿生思维方法。

仿生学是一门新兴的学科，是多学科相互渗透的一门边缘学科。作为一门独立的分支学科，它于1960年9月在美国召开的第一届仿生学会议上诞生。这门新兴学科的英文名称为“Bionics”，意为“研究生命系统功能的科学”，中文译为“仿生学”。这次会议还为仿生学设计了一个形象有趣的标志，它是一个用数学积分符号将一把解剖刀和一个电烙铁连接在一起的图案^[1]。这个图形生动地表明：仿生学是数学、生物、医学和工程技术之间相互渗透的边缘科学。

“仿生学”学科的标志

作为一种科学的思维，仿生思维方法有其自身的特征，认识和掌握这些特征，便可以更加自觉和有效地运用它。仿生思维方法的主要特征有三：

1.类比性。类比法是人类认识和改造客观世界活动中的一个不可缺少的思维方法。科学的许多重要理论，最初往往是通过类比而提出来的；科学史上的许多重大发现，也是用类比法而取得的。类比法的种类很多，本章所涉及的只是仿生类比。仿生是人们模仿生物某种特殊功能的创造性活动，人们在研究生物的某种特殊能力时，把设计构想与生物功能的相似点作为思考的依据。这种找出与生物相似点的思考，就是仿生类比。

仿生类比区别于其他类比方法，它不是以一物推断另一物，而是以一物创造另一物。总之，它不是重复而是创新。例如，科学家们在南极考察，常常会遇到暴风雪，行走十分艰难。即使是陆地上的汽车，在这种环境下也很难行驶。怎样才能克服在极地走路难的问题呢?经过研究，工程师们发明了一种极地汽车，它没有车轮，其底盘贴在雪地上，用轮勾推动其在雪地上快速行驶，速度可达每小时50多公里。那么，极地汽车是怎么发明的呢?原来，南极考察队的科学家们通过观察，从企鹅的身上得到了启发。企鹅是滑雪冠军，每小时可行走30公里。在暴风雪里，企鹅的腹部贴在雪地上，双脚蹬动，行动十分迅速。于是，科学家模仿企鹅的体形和动作，设计了状似企鹅，底部贴地，用形似企鹅双脚的“轮勾”扒雪前进的极地汽车。极地汽车的发明与运用，是创造仿生思维方法的应用，是人从生物界学到的一项战胜困难的技术。

2.实用性。人们模仿生物的功能，绝不是为模仿而模仿，而是为了弥补人的功能的某些不足，以便更有效地从事科学实验和生产。因此，仿生思维方法的又一特点就是实用，即模仿创造有使用价值的物品来。

你听说过三只耳朵的老鼠吗?它的确很怪，而且第三只耳朵是长在背上的。更为离奇的是，那不是鼠类的耳朵，而是移植的一只人耳。这是美国麻省理工学院组织学工程师们的杰作，也是仿生实验的尝试。这项实验的成功，代表了21世纪医学的新发展，标志着正在蓬勃发展的仿生组织工程学的新趋势。

任何器官短缺，都会给人的生活、学习和工作带来不便。虽然人的器官移植可以有限地医治某些器官的缺损，但是有些器官单靠人类自身移植可以说是相当困难的。在仿生思维方法的启示下，医学家们经过不懈努力，已经研制出许多用于人体的器官。目前，已经得到应用的人造器官有以下几种^[2]：

一是人造皮肤。它早已进入医院临床使用。俄罗斯的医学家们已经掌握了培养人造皮肤的革命性的方法，它可以用来拯救烧伤患者的生命。这项技术主要包括：制造一种培养液，主要用来培养健康组织，它可以像凝胶一样贴在烧伤处。这种凝胶液中含有的细胞随即开始生长，并逐渐发育成真正的皮肤。

二是人造眼睛。它的问世将会为盲人带来光明。医学家们利用微电子技术，把微型摄像技术运用于“眼睛”的制造上，通过光电转换装置和人体内神经结构系统，把摄像与脑内视神经联结在一起，使人能够正常地看到物体。另据报导，意大利的科学家们已经培养出了人工角膜，今后为复明而移植角膜将不再依赖于有限的角膜捐赠者了^[3]。

三是人造骨骼，包括手指、脚趾、假肢等。人造骨骼将由笨拙的假肢向智能化的“真肢”方向发展，使人造骨骼与正常的肢体一样，能感觉到冷热、疼痛。

四是人造心脏技术日趋完善，并将得到更加广泛的应用。

至于其他人工脏器，难度比较大，离实际应用还有一段较长的路要走。但是，人造器官的前景是十分广阔的，正如组织工程领域的创始人约瑟夫·瓦坎蒂所说：“我想下个世纪(注：指21世纪)我们会晓得如何为人类每一个器官制造出活生生的代用品。”^[4]人们乐观地预测，只要假以时日，实验室将会培养出实用的、完全功能的肾脏、肝脏和各种人体的器官来。

3.创造性。这是仿生思维方法的最重要的特点，也是人的创造力的表现。众所周知，电脑也是仿生的产物，只不过这个“生”不是一般的生物，而是模拟人脑的功能，也可以说是“仿人”。

根据高速运算的需求，为了克服超级芯片和机器的局限，将试管、承物玻璃片、溶液甚至脱氧核糖核酸(DNA)等生物化学和遗传工具包括在内，研制生物计算机，将无疑是最富有创造性的仿生研究课题。

每一种有机生命体中都存在着DNA，这种分子作为一种超级计算机装置，已经证实了它具有存储大量信息的能力。事实上，复制生命所需要的全部指令都存储在DNA中。尽管这种物质不会在短时间内取代个人计算机，但是科学家们的研究已经取得了进展，向人们演示了这些满载信息的分子怎样执行计算任务。美国威斯康星大学的科学家在《自然》杂志上发表的报告指出，他们已经发现了一种利用附着在镀金物体表面的DNA分子链完成简单计算的方法。

目前，利用个人计算机进行计算仍然比使用生物计算机快得多。但是，几克DNA也许就可以存储世界上已知的所有信息。科学家们预言，这种生化物质最终将会成为效率最高的存储和处理信息的媒介。与传统计算机相比，DNA计算机的真正优势在于，它可以同时对整个分子库里的所有分子(或答案)进行处理，而不必按照次序一个一个地分析所有可能的答案^[5]。

仿生思维方法打破了生物和机器的界限，将各种不同的系统沟通起来，以创造出新的仿生功能的产品。仿生思维方法并不注重机器、动物或人等系统的内部物质、能量、元件、结构、效率等情况，而只考虑整个系统在功能行为上的有效性，因而它是科学研究中一种简便和有效的方法，在人们的实际工作和社会生活中有十分广泛的应用。

1.在机械制造方面的应用。模拟生物的功能制造出新的机器，在仿生应用上有很大的领域，例如跳跃机、极地越野汽车、机器人、机械手等。大袋鼠是生活在澳洲的稀有动物，是动物界的跳跃冠军，它每跳一步可达六七米远，可以跳过两三米高的障碍物，若是顺坡向下跳可达12米远。它的奔跑速度也很快，每小时可达65公里，几乎与汽车速度相当。在观察大袋鼠特征的基础上，科学家们模仿它的跳跃姿势，发明了无轮汽车，并将其命名为跳跃机，作为在沙漠、荒原上行驶的交通工具，使用起来极为方便。

2.在观测系统上的应用。我们都知道雷达用于监视动态飞行的物体，而这种功能要得助于一种叫做“电子蛙眼”的仪器。电子蛙眼是人们在长期观察青蛙特异功能的基础上，仿生青蛙眼睛而发明的。只要是看到过青蛙的人都会发现，青蛙的最特别之处是它有一对凸起的眼睛。这对眼睛对静止目标并不灵敏，而对动态目标却明察秋毫。如捕食飞行中的苍蝇，它是百发百中的“神枪手”。经过研究，科学家们发现蛙眼有四种“检测器”，它们分别担负着辨识、提取视网膜图像等不同的功能。正是基于蛙眼的这种奇异功能，科学家发明了一种电子蛙眼，把它装入雷达系统，可以快速而准确地识别动态的飞机、舰艇和导弹等。电子蛙眼还广泛地应用于机场等的交通管理上。它能监视飞机的起飞与降落，指挥车辆行驶，防止碰撞事故的发生。除此以外，根据仿生原理还发明了电子鸽眼、电光鹰眼、鱼目镜头等，它们在军事领域得到了广泛应用。

3.在通讯系统中的应用。在自然界中，有些动物的声呐功能超过了人类，如蝙蝠、海豚等，它们拥有精巧、灵敏、快速的声呐系统。那么，能否模仿它们的声呐功能为军事和科学研究服务呢?科学家们经过研究，模仿这些动物的声呐特征，改进航海、航空的声呐定向、导航和通讯系统，用于发现隐藏在水中的潜艇、水雷、鱼群、暗礁和空中的隐形飞机等，以保证军事任务的完成。

4.在生物化学工业上的应用。生物的活细胞犹如天然的“小化工厂”或是化学“反应堆”。在细胞中，可以同时发生1500～2000个化学反应，而且完成这些化学反应的速度极快。例如，由氨基酸合成一条由150个氨基酸组成的肽链，仅需要1.5分钟。原因何在呢?最根本的原因就在于，在活细胞的化学反应中，生物酶在起催化作用。据估计，一个活细胞中往往含有几千种生物酶，而且它们有很高的选择性，一种生物酶仅催化一个特定的反应。鉴于生物酶的神奇效应，人们正在努力寻找把生物酶用到化学工业中去的有效方法。但是，生物活细胞中的酶含量极少，提取十分困难。于是，人们用仿生的方法合成生物酶。对生物固氮酶的生化研究和化学模拟是人工合成酶研究的一个例子。经过科学研究人员的努力，这项研究已取得了可喜的成果。据介绍，只要突破了大规模生产的困难，这项成果最终可进入实用阶段。到那时，不仅可以得到充足的化肥，而且对于化学工业也将产生深远的影响。

5.工艺设计上的应用。生物界经过亿万年漫长岁月不断的进化，机体结构有了极其完美的设计，可以说达到了精细无比、非常完善的地步，远远超过了人类所设计各种装置。因此，生物机体的构造和它们特有的功能，就是我们进行各种仿生设计的一部“参考书”。例如，人和动物的血管系统，包括血管的排列、管径的匹配都对水利灌溉系统的设计有参考价值；植物绿叶的叶脉配水系统，也是水利和输油管系统设计的参考模型；各种水生动物用以沉浮的机制，早已为潜艇和其他潜水系统的设计提供了有益的借鉴；贝壳类生物具有很薄的贝壳，表面呈弧形，因而能耐受很大的压力。由此，人们受到启发，在建筑上出现了薄壳结构的屋顶。

还有一个典型的例子是模拟蜂窝形状的建筑。蜜蜂不仅精于采粉酿蜜，而且还是技术高超的“建筑师”。它们用蜂蜡一昼夜就能造出几千间的“房子”，而且每间的体积几乎都是0.25立方米。蜂窝是极规则的等边六角形，壁厚也十分精确，严格保持在0.0731±0.002毫米的范围内。六角形的蜂窝更是独特，不仅能节省材料和获得最大的居住空间，而且还能以单薄的结构而获得最大的强度。人们从蜂窝结构得到启示，已经仿制出材料省、重量轻、强度大、隔音和绝热性能优良的建筑。

思考训练参考题

1.什么叫仿生?仿生学是何时诞生的?仿生学标志的含义是什么?

2.何谓仿生思维方法?它有哪些特点?请举例说明。

3.请你选择一种最熟悉的生物，针对它的特殊的结构和功能，应用仿生思维方法，充分发挥想象力，设计出一种有实用价值的产品方案。

【注释】

[1]韩德民，编著.仿生的奇迹［M］．合肥：安徽科学技术出版社，1996： 3-4．

[2]南方周末，1998-07-17．

[3]武汉晚报，1997-04-07．

[4]参考消息，1997-03-07．

[5]美国新闻与世界报道，2000-02-14．