糯米txt论坛☆+100仿生学-第2章
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刂朴胪臣屏ρУ纫幌盗械奈侍馍隙际且恢碌摹Ｔ谡庋娜鲜痘∩希�1947年；一个新的学科——控制论产生了。
控制论（Cybernetics）是从希腊文而来；原意是〃掌舵人〃。按照控制论的创始人之一维纳（NorbefWiener；1894～1964）给予控制论的定义是〃关于在动物和机器中控制和通讯〃的科学。虽然这个定义过于简单；仅仅是维纳关于控制论经典著作的副题；但它直截了当地把人们对生物和机器的认识联系在了一起。
控制论的基本观点认为；动物（尤其是人）与机器（包括各种通讯、控制、计算的自动化装置）之间有一定的共体；也就是在它们具备的控制系统内有某些共同的规律。根据控制论研究表明；各种控制系统的控制过程都包含有信息的传递、变换与加工过程。控制系统工作的正常；取决于信息运行过程的正常。所谓控制系统是指由被控制的对象及各种控制元件、部件、线路有机地结合成有一定控制功能的整体。从信息的观点来看；控制系统就是一部信息通道的网络或体系。机器与生物体内的控制系统有许多共同之处；于是人们对生物自动系统产生了极大的兴趣；并且采用物理学的、数学的甚至是技术的模型对生物系统开展进一步的研究。因此；控制理论成为联系生物学与工程技术的理论基础。成为沟通生物系统与技术系统的桥梁。
生物体和机器之间确实有很明显的相似之处；这些相似之处可以表现在对生物体研究的不同水平上。由简单的单细胞到复杂的器官系统（如神经系统）都存在着各种调节和自动控制的生理过程。我们可以把生物体看成是一种具有特殊能力的机器；和其它机器的不同就在于生物体还有适应外界环境和自我繁殖的能力。也可以把生物体比作一个自动化的工厂；它的各项功能都遵循着力学的定律；它的各种结构协调地进行工作；它们能对一定的信号和刺激作出定量的反应；而且能像自动控制一样；借助于专门的反馈联系组织以自我控制的方式进行自我调节。例如我们身体内恒定的体温、正常的血压、正常的血糖浓度等都是肌体内复杂的自控制系统进行调节的结果。控制论的产生和发展；为生物系统与技术系统的连接架起了桥梁；使许多工程人员自觉地向生物系统去寻求新的设计思想和原理。于是出现了这样一个趋势；工程师为了和生物学家在共同合作的工程技术领域中获得成果；就主动学习生物科学知识。
仿生学的诞生
随着生产的需要和科学技术的发展；从50年代以来；人们已经认识到生物系统是开辟新技术的主要途径之一；自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究；促进了生物学的极大发展；对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想；而成了可以做到的事实。生物学家和工程师们积极合作；开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列；而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一起；互相渗透孕育出一门新生的科学——仿生学。
仿生学作为一门独立的学科；于1960年9月正式诞生。由美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿生学会议。会议讨论的中心议题是〃分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的设计上去吗？〃斯梯尔为新兴的科学命名为〃Bionics〃；希腊文的意思代表着研究生命系统功能的科学；1963年我国将〃Bionics〃译为〃仿生学〃。斯梯尔把仿生学定义为〃模仿生物原理来建造技术系统；或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学〃。简言之；仿生学就是模仿生物的科学。确切地说；仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信息控制等各种优异的特征；并把它们应用到技术系统；改善已有的技术工程设备；并创造出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学。从生物学的角度来说；仿生学属于〃应用生物学〃的一个分支；从工程技术方面来看；仿生学根据对生物系统的研究；为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。仿生学的光荣使命就是为人类提供最可靠、最灵活、最高效、最经济的接近于生物系统的技术系统；为人类造福。
仿生学的研究方法与内容
仿生学是生物学、数学和工程技术学相互渗透而结合成的一门新兴的边缘科学。第一届仿生学会议为仿生学确定了一个有趣而形象的标志：一个巨大的积分符号；把解剖刀和电烙铁〃积分〃在一起。这个符号的含义不仅显示出仿生学的组成；而且也概括表达了仿生学的研究途径。
仿生学的任务就是要研究生物系统的优异能力及产生的原理；并把它模式化；然后应用这些原理去设计和制造新的技术设备。
仿生学的主要研究方法就是提出模型；进行模拟。其研究程序大致有以下三个阶段：首先是对生物原型的研究。根据生产实际提出的具体课题；将研究所得的生物资料予以简化；吸收对技术要求有益的内容；取消与生产技术要求无关的因素；得到一个生物模型；第二阶段是将生物模型提供的资料进行数学分析；并使其内在的联系抽象化；用数学的语言把生物模型〃翻译〃成具有一定意义的数学模型；最后数学模型制造出可在工程技术上进行实验的实物模型。当然在生物的模拟过程中；不仅仅是简单的仿生；更重要的是在仿生中有创新。经过实践——认识——再实践的多次重复；才能使模拟出来的东西越来越符合生产的需要。这样模拟的结果；使最终建成的机器设备将与生物原型不同；在某些方面甚上超过生物原型的能力。例如今天的飞机在许多方面都超过了鸟类的飞行能力；电子计算机在复杂的计算中要比人的计算能力迅速而可靠。
仿生学的基本研究方法使它在生物学的研究中表现出一个突出的特点；就是整体性。从仿生学的整体来看；它把生物看成是一个能与内外环境进行联系和控制的复杂系统。它的任务就是研究复杂系统内各部分之间的相互关系以及整个系统的行为和状态。生物最基本的特征就是生物的自我更新和自我复制；它们与外界的联系是密不可分的。生物从环境中获得物质和能量；才能进行生长和繁殖；生物从环境中接受信息；不断地调整和综合；才能适应和进化。长期的进化过程使生物获得结构和功能的统一；局部与整体的协调与统一。仿生学要研究生物体与外界刺激（输入信息）之间的定量关系；即着重于数量关系的统一性；才能进行模拟。为达到此目的；采用任何局部的方法都不能获得满意的效果。因此；仿生学的研究方法必须着重于整体。
仿生学的研究内容是极其丰富多彩的；因为生物界本身就包含着成千上万的种类；它们具有各种优异的结构和功能供各行业来研究。自从仿生学问世以来的二十几年内；仿生学的研究得到迅速的发展；且取得了很大的成果。
就其研究范围可包括电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生等。随着现代工程技术的发展；学科分支繁多；在仿生学中相应地开展对口的技术仿生研究。例如：航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；无线电技术部门对于人神经细胞、感觉器宫和神经网络的模拟；计算机技术对于脑的模拟似及人工智能的研究等。在第一届仿生学会议上发表的比较典型的课题有：〃人造神经元有什么特点〃、〃设计生物计算机中的问题〃、〃用机器识别图像〃、〃学习的机器〃等。从中可以看出以电子仿生的研究比较广泛。仿生学的研究课题多集中在以下三种生物原型的研究；即动物的感觉器官、神经元、神经系统的整体作用。以后在机械仿生和化学仿生方面的研究也随之开展起来；近些年又出现新的分支；如人体的仿生学、分子仿生学和宇宙仿生学等。
总之；仿生学的研究内容；从模拟微观世界的分子仿生学到宏观的宇宙仿生学包括了更为广泛的内容。而当今的科学技术正是处于一个各种自然科学高度综合和互相交叉、渗透的新时代；仿生学通过模拟的方法把对生命的研究和实践结合起来；同时对生物学的发展也起了极大的促进作用。在其它学科的渗透和影响下；使生物科学的研究在方法上发生了根本的转变；在内容上也从描述和分析的水平向着精确和定量的方向深化。生物科学的发展又是以仿生学为渠道向各种自然科学和技术科学输送宝贵的资料和丰富的营养；加速科学的发展。闪此；仿生学的科研显示出无穷的生命力；它的发展和成就将为促进世界整体科学技术的发展做出巨大的贡献。
生物界物理现象的启迪从人造假手谈起
在一次自动控制技术的会议上；当一个没有手的15岁男孩；用假手在黑板上用粉笔写起〃向会议的参加者致敬〃的时候；大厅里顿时响起了雷鸣般的掌声。人们赞叹不绝；不断地向这种新颖控制技术的创造者表示热烈的祝贺。
创造者是怎样使假手能像真手一样工作的呢？这就是我们要介绍的生物电。早在18世纪末叶；人们对生物机体内的生物电流；就已经有所认识。因为生物体内不同的生命活动；能产生不同形式的生物电；如人体心脏的跳动、肌肉的收缩、大脑的思维等等；所以人们就可以借助生物电来诊断各种疾病。
生物电的应用十分广泛；生物电手的应用就是其中之一。我们知道；人双手的一切动作。都是大脑发出的一种指令（即电讯号）经过成千上万条神经纤维；传递给手中相应部位的肌肉引起的一种反应。如果我们把大脑指令传到肌肉中的生物电引出来；并把这个微弱的信号加以放大；那么；这种电讯号就可以直接去操纵由机械、电气等部件组成的假手了。
国外一种假手；从肩膀到肘关节；使用了五只油压马达；手掌及手指的动作利用两只电动马达。手臂在发出动作之前。利用上半身的各肌肉电流来作为假手活动的指令。即在背脊及胸口安放相应的电极；用微型信号机来处理那里产生的电流信息；七只马达就能根据想要做的动作进行运转。这种假手的动作与真手臂大致相同；由于主要部分采用了硬铝及塑料；故其重量还不到2。63公斤。据报道；这种假手已能够做诸如转动肩膀及手臂、掌、弯曲关节等等27种动作了。它能为由于交通及工伤事故而被齐肩截断手臂的残废者解决生活和工作上的许多不便。
国内在研究生物电控制假手方面；上海假肢厂的工人和上海生理研究所的科技人员；经过共同的努力；已经制造了一种重约1。5公斤；握力达1公斤；可以提10公斤的人造假手。其工作能源是由11节镍镉电池提供的。
人造假手的出现不仅为四肢残废的人制造了运用自如的四肢；而且由于生物电经过放大之后；可以用导线或无线电波传送到非常遥远的地方去。显然；这对于扩大人类的生产实践；将会产生具有影响力的改变。到那时；人们可以叫假手到万米深的海底去取宝；或到高炉里、矿井里去操作；甚至可似叫它到月亮上去开垦处女地。
生物电的研究；对于农业生产也具有很大的意义。我们常常见到的向日葵；它们的花朵能随着太阳的东升西落而运动；
