《人類的“老師”》仿生學(xué)仿生學(xué)（bionics）在具有生命之意的希臘語bion上，加上有工程技術(shù)涵義的ics而組成的詞。大約從1960年才開始使用。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)計方面給了很大啟發(fā)?？膳e出的仿生學(xué)例子，如將海豚的體形或皮膚結(jié)構(gòu)（游泳時能使身體表面不產(chǎn)生紊流）應(yīng)用到潛艇設(shè)計原理上。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。蒼蠅，是細(xì)菌的傳播者，誰都討厭它?？墒巧n蠅的楫翅（又叫平衡棒）是“天然導(dǎo)航儀”，人們模仿它制成了“振動陀螺儀”。這種儀器目前已經(jīng)應(yīng)用在火箭和高速飛機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了自動駕駛。蒼蠅的眼睛是一種“復(fù)眼”，由30O0多只小眼組成，人們模仿它制成了“蠅眼透鏡”?！跋壯弁哥R”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)”，一次就能照出千百張相同的相片。這種照相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版和大量復(fù)制電子計算機(jī)的微小電路，大大提高了工效和質(zhì)量?！跋壯弁哥R”是一種新型光學(xué)元件，它的用途很多。自然界形形色色的生物，都有著怎樣的奇異本領(lǐng)？它們的種種本領(lǐng)，給了人類哪些啟發(fā)？模仿這些本領(lǐng)，人類又可以造出什么樣的機(jī)器？這里要介紹的一門新興科學(xué)——仿生學(xué)。仿生學(xué)是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學(xué)，它是在本世紀(jì)中期才出現(xiàn)的一門新的邊緣科學(xué)。仿生學(xué)研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技術(shù)之中，發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機(jī)器，創(chuàng)造新技術(shù)。從仿生學(xué)的誕生、發(fā)展，到現(xiàn)在短短幾十年的時間內(nèi)，它的研究成果已經(jīng)非常可觀。仿生學(xué)的問世開辟了獨(dú)特的技術(shù)發(fā)展道路，也就是向生物界索取藍(lán)圖的道路，它大大開闊了人們的眼界，顯示了極強(qiáng)的生命力?！救祟惙律蓙硪丫谩孔怨乓詠?，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。勞動創(chuàng)造了人類。人類以自己直立的身軀、能勞動的雙手、交流情感和思想的語言，在長期的生產(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)識生物界上，而且還運(yùn)用人類所獨(dú)有的思維和設(shè)計能力模仿生物，通過創(chuàng)造性的勞動增加自己的本領(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造船，以木槳仿鰭。相傳早在大禹時期，我國古代勞動人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動、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。早在四百多年前，意大利人利奧那多·達(dá)·芬奇和他的助手對鳥類進(jìn)行仔細(xì)的解剖，研究鳥的身體結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥類的飛行。設(shè)計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)為是人類仿生的先驅(qū)，也是仿生學(xué)的萌芽?！景l(fā)人深省的對比】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)計思想和創(chuàng)造發(fā)明的源泉?？茖W(xué)家對于生物學(xué)的研究也只停留在描述生物體精巧的結(jié)構(gòu)和完美的功能上。而工程技術(shù)人員更多的依賴于他們卓越的智慧，辛辛苦苦的努力，進(jìn)行著人工發(fā)明。他們很少有意識的向生物界學(xué)習(xí)。但是，以下幾個事實(shí)可以說明：人們在技術(shù)上遇到的某些難題，生物界早在千百萬年前就曾出現(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)計原始的潛艇時，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，艇身重量增加使可它潛入水中。需要緊急下潛時，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，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)，對于潛艇設(shè)計師的啟發(fā)和幫助已經(jīng)為時過遲了。聲音是人們生活中不可缺少的要素。通過語言，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，水面與水中敵對雙方的斗爭采用了各種手段。海軍工程師們也利用聲學(xué)系統(tǒng)作為一個重要的偵察手段。首先采用的是水聽器，也稱噪聲測向儀，通過聽測敵艦航行中所發(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，能及時發(fā)現(xiàn)敵人。但那時的水聽器很不完善，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。不久，法國科學(xué)家郎之萬（1872～1946）研究成功利用超聲波反射的性質(zhì)來探測水下艦艇。用一個超聲波發(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)接收回波的時間間隔和方位，便可測出目標(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“回聲定位”聲納系統(tǒng)應(yīng)用自如了。生物在漫長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。意大利人斯帕蘭贊尼很早以前就發(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，但是堵塞蝙蝠的雙耳后，它們在黑暗中就寸步難行了。面對這些事實(shí)，帕蘭贊尼提出了一個使人們難以接受的結(jié)論：蝙蝠能用耳朵“看東西”。第一次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，1920年哈臺認(rèn)為蝙蝠發(fā)出聲音信號的頻率超出人耳的聽覺范圍。并提出蝙蝠對目標(biāo)的定位方法與第一次世界大戰(zhàn)時郎之萬發(fā)明的用超聲波回波定位的方法相同。遺憾的是，哈臺的提示并未引起人們的重視，而工程師們對于蝙蝠具有“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。另一個事例是人們對于昆蟲行為為時過晚的研究。在利奧那多·達(dá)·芬奇研究鳥類飛行造出第一個飛行器400年之后，人們經(jīng)過長期反復(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，設(shè)計師又碰到了一個難題，就是氣體動力學(xué)中的顫振現(xiàn)象。當(dāng)飛機(jī)飛行時，機(jī)翼發(fā)生有害的振動，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)過長時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)端上安放一個加重裝置，這樣就把有害的振動消除了?？墒牵ハx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)家在研究蜻蜓翅膀時，發(fā)現(xiàn)在每個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)計師高超的發(fā)明何等相似。假如設(shè)計師們先向昆蟲學(xué)習(xí)翼眼的功用，獲得有益于解決顫振的設(shè)計思想，就可似避免長期的探索和人員的犧牲了。面對蜻蜓翅膀的翼眼，飛機(jī)設(shè)計師大有相見恨晚之感！以上這三個事例發(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年，在它們?yōu)樯娑窢幍拈L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、對外界的識別、導(dǎo)航、定向計算和綜合等，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。【連接生物與技術(shù)的橋梁】自從瓦特（1736～1819）在1782年發(fā)明蒸汽機(jī)以后，人們在生產(chǎn)斗爭中獲得了強(qiáng)大的動力。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)展極大地擴(kuò)大和增強(qiáng)了人的體能，使人們從繁重的體力勞動解脫出來。隨著技術(shù)的發(fā)展，人們在蒸汽機(jī)以后又經(jīng)歷了電氣時代并向自動化時代邁進(jìn)。20世紀(jì)40年代電子計算機(jī)的問世，更是給人類科學(xué)技術(shù)的寶庫增添了可貴的財富，它以可靠和高效的本領(lǐng)處理著人們手頭上數(shù)以萬計的各種信息，使人們從汪洋大海般的數(shù)字、信息中解放出來，使用計算機(jī)和自動裝置可以使人們在繁雜的生產(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。自動裝置對外界缺乏分析和進(jìn)行靈活反應(yīng)的能力，如果發(fā)生任何意外的情況，自動裝置就要停止工作，甚至發(fā)生意外事故，這就是自動裝置本身所具有的嚴(yán)重缺點(diǎn)。要克服這種缺點(diǎn)，無非是使機(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)展的一個主要矛盾。如何解決這個矛盾呢？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、自動控制與統(tǒng)計力學(xué)等一系列的問題上都是一致的。在這樣的認(rèn)識基礎(chǔ)上，1947年，一個新的學(xué)科——控制論產(chǎn)生了?？刂普撌菑南ＥD文而來，原意是“掌舵人”。按照控制論的創(chuàng)始人之一維納（1894～1964)給予控制論的定義是“關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通訊”的科學(xué)。雖然這個定義過于簡單，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ι锖蜋C(jī)器的認(rèn)識聯(lián)系在了一起。控制論的基本觀點(diǎn)認(rèn)為，動物（尤其是人）與機(jī)器（包括各種通訊、控制、計算的自動化裝置）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?？刂葡到y(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，于是人們對生物自動系統(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)在對生物體研究的不同水平上。由簡單的單細(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自動化的工廠，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；它們能對一定的信號和刺激作出定量的反應(yīng)，而且能像自動控制一樣，借助于專門的反饋聯(lián)系組織以自我控制的方式進(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)計思想和原理。于是出現(xiàn)了這樣一個趨勢，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，就主動學(xué)習(xí)生物科學(xué)知識?！旧鷮W(xué)的誕生】隨著生產(chǎn)的需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，從50年代以來，人們已經(jīng)認(rèn)識到生物系統(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)。仿生學(xué)作為一門獨(dú)立的學(xué)科，于1960年9月正式誕生。由美國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)會議。會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)計上去嗎？”斯梯爾為新興的科學(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年我國將“Bionics”譯為“仿生學(xué)”。斯梯爾把仿生學(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)”的一個分支；從工程技術(shù)方面來看，仿生學(xué)根據(jù)對生物系統(tǒng)的研究，為設(shè)計和建造新的技術(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?！痉律鷮W(xué)的研究方法與內(nèi)容】仿生學(xué)是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)學(xué)相互滲透而結(jié)合成的一門新興的邊緣科學(xué)。第一屆仿生學(xué)會議為仿生學(xué)確定了一個有趣而形象的標(biāo)志：一個巨大的積分符號，把解剖刀和電烙鐵“積分”在一起。這個符號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階段：首先是對生物原型的研究。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化，吸收對技術(shù)要求有益的內(nèi)容，取消與生產(chǎn)技術(shù)要求無關(guān)的因素，得到一個生物模型；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)的語言把生物模型“翻譯”成具有一定意義的數(shù)學(xué)模型；最后數(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——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。例如今天的飛機(jī)在許多方面都超過了鳥類的飛行能力，電子計算機(jī)在復(fù)雜的計算中要比人的計算能力迅速而可靠。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)的研究內(nèi)容是極其豐富多彩的，因?yàn)樯锝绫旧砭桶汕先f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)地開展對口的技術(shù)仿生研究。例如：航海部門對水生動物運(yùn)動的流體力學(xué)的研究；航空部門對鳥類、昆蟲飛行的模擬、動物的定位與導(dǎo)航；工程建筑對生物力學(xué)的模擬；無線電技術(shù)部門對于人神經(jīng)細(xì)胞、感覺器宮和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬；計算機(jī)技術(shù)對于腦的模擬似及人工智能的研究等。在第一屆仿生學(xué)會議上發(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)計生物計算機(jī)中的問題”、“用機(jī)器識別圖像”、“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)的研究內(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)正是處于一個各種自然科學(xué)高度綜合和互相交叉、滲透的新時代，仿生學(xué)通過模擬的方法把對生命的研究和實(shí)踐結(jié)合起來，同時對生物學(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養(yǎng)，加速科學(xué)的發(fā)展。閃此，仿生學(xué)的科研顯示出無窮的生命力，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)。【仿生學(xué)的研究范圍】仿生學(xué)的研究范圍主要包括：力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息與控制仿生等。

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)相對運(yùn)動和生物體在環(huán)境中運(yùn)動的動力學(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，是研究與模擬感覺器官、神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。例如，根據(jù)象鼻蟲視動反應(yīng)制成的“自相關(guān)測速儀”可測定飛機(jī)著陸速度。根據(jù)鱟復(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，改變元件之間聯(lián)系的權(quán)重來進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而能實(shí)現(xiàn)模式識別。此外，它還研究與模擬體內(nèi)穩(wěn)態(tài)，運(yùn)動控制、動物的定向與導(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主要領(lǐng)域。一方面由于自動化向智能控制發(fā)展的需要，另一方面是由于生物科學(xué)已發(fā)展到這樣一個階段，使研究大腦已成為對神經(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?？刂婆c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?！阏J(rèn)為，在仿生學(xué)研究中存在下列三個相關(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)長的研究周期，而且解決實(shí)際問題需要多學(xué)科長時間的密切協(xié)作，這是限制仿生學(xué)發(fā)展速度的主要原因?！痉律鷮W(xué)的現(xiàn)象】蒼蠅與宇宙飛船令人討厭的蒼蠅，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觸角上。每個“鼻子”只有一個“鼻孔”與外界相通，內(nèi)含上百個嗅覺神經(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)蒼蠅嗅覺器的結(jié)構(gòu)和功能，仿制成功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，便能發(fā)出警報。這種儀器已經(jīng)被安裝在宇宙飛船的座艙里，用來檢測艙內(nèi)氣體的成分。這種小型氣體分析儀，也可測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。從螢火蟲到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。在眾多的發(fā)光動物中，螢火蟲是其中的一類。螢火蟲約有1500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?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，螢火蟲的發(fā)光器位于腹部。這個發(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)對螢火蟲的研究，創(chuàng)造了日光燈，使人類的照明光源發(fā)生了很大變化。近年來，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)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，不會產(chǎn)生磁場，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作?，F(xiàn)在，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。電魚與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。中等大小的電鰩能產(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；非洲電鯰能產(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物。電魚放電的奧秘究竟在哪里？經(jīng)過對電魚的解剖研究，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500萬塊電板。單個電板產(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