仿生学考研

仿生学这个词是美国的斯蒂尔在1960年根据拉丁词“bios”(生活方式的意思)和后缀“nlc”(有“具有……的性质”的意思)形成的).他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式,或以具有生物系统特征的方式,或以类似于生物系统的方式工作的系统的科学”。虽然人类在文明的进化中不断受到生物界的启发,但仿生学的诞生一般以65438-0960年美国第一次仿生学研讨会的召开为标志。

仿生学的研究范围主要包括:机械仿生学、分子仿生学、能量仿生学、信息与控制仿生学等。

机械仿生是研究和模仿生物的一般结构和精细结构的静态性质,以及生物体内各种成分的相对运动和生物在环境中运动的动态性质。比如模仿壳体建造的大跨度薄壳建筑,模仿股骨结构建造的圆柱,不仅可以消除应力特别集中的区域,而且可以用最少的建筑材料承受最大的荷载。军事上模仿海豚皮的凹槽结构,在船体上应用人造海豚皮包,可以减少航行流量,提高速度;

分子仿生是研究和模拟酶的催化作用、生物膜的选择性和渗透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如,在了解了森林害虫舞毒蛾性信息素的化学结构后,合成了一种类似的有机化合物,可以用百万分之一微克的剂量在野外昆虫诱捕器中诱捕并杀死雄性昆虫;

能量仿生学就是研究和模仿生物电器官的生物发光、肌肉将化学能直接转化为机械能等生物体内的能量转化过程。

信息与控制仿生学是研究和模拟感觉器官、神经元和神经网络等生物体内的信息处理过程,以及高级中枢的智能活动。比如根据象鼻虫的视觉运动反应制作的“自相关测速仪”,可以测量飞机的降落速度。根据鲎复眼侧抑制网络的工作原理,研制成功了一些能够增强图像轮廓、提高对比度的装置,从而有助于模糊物体的检测。建立了100多个神经元模型,并在此基础上构造了新的计算机。

模仿人类的学习过程,制造出一种叫做“感知器”的机器,通过训练和改变组件之间连接的权重来学习,从而实现模式识别。此外,它还研究和模拟生物系统中的控制机制,如稳态、运动控制、动物定位和导航以及人机系统的仿生学。

在一些文献中,分子仿生和能量仿生的部分称为化学仿生,而信息和控制仿生的部分称为神经生物学。

仿生学的范围很广,信息与控制仿生学是一个主要领域。一方面是因为自动化发展到智能控制,另一方面是因为生物科学发展到这样一个阶段,研究大脑成为神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面——生物模式识别的研究,大脑学习、记忆和思维过程的研究和模拟,生物体内控制的可靠性和协调性等。-是仿生学研究的主要方面。

控制与信息仿生学和生物控制论密切相关。两者都研究生物系统中的控制和信息过程,都使用生物系统的模型。但前者的目的主要是构造实用的人工硬件系统;另一方面,生物控制论从控制论的一般原理和技术科学理论中寻求对生物行为的解释。

类比、模拟和模型方法的最广泛使用是仿生学研究方法的一个突出特点。其目的不是直接复制每一个细节,而是以了解生物系统的工作原理,实现特定功能为中心目的。一般认为仿生学研究有三个相关的方面:生物原型、数学模型和硬件模型。前者是基础,后者是目的,数学模型是二者之间必不可少的桥梁。

由于生物系统的复杂性,弄清一个生物系统的机理需要较长的研究周期,需要较长的时间与多门学科密切合作解决实际问题,这是限制仿生学发展速度的主要原因。