仿生学发展过程的分析刘福林 (商丘师范学院生命科学系,河南商丘476000)摘要 仿生学在科学创新中具有重要作用,国内外学者对此进行了大量研究。
在回顾分析仿生学重大事件的基础上,提出了仿生学经历了4个发展时期:萌芽时期、建立时期、巩固时期与现代时期,指出了仿生学的重大贡献是源头创新的研究理念与方法,并能在未来的所有领域内应用、取得突破性研究成果。
关键词 仿生学;重大事件;发展时期;研究方法中图分类号 Q811 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2007)15-04404-02A na lysis of the Developm ent P ro gress o f Bio nicsLIU Fu-lin (Depart ment of Life Scien ce,S hangq iu Normal College,Shangqiu,Henan476000)A bstract The research on the bionics is imp ortan t in science innovation all over the word.In the article four devel op ment periods of b ionics includ in g bu ddin g,b uild ing,strengthen and modern were reviewed.The i mportant contribution of bionics to research idea and means of resource in novation was pointed out,which may be ap plied in all fiel ds in future for unpreced ented res earch results.Key w ords B ion ics;Great event;Devel op ment period;Research means 仿生学的诞生与发展过程分为4个时期:仿生学萌芽时期;仿生学建立时期;仿生学巩固时期;现代仿生学时期。
1 仿生学的萌芽时期(远古时代至1940年)在人类文明的早期,为了生存,人类不得不对其赖以饱腹的动植物的生活习性以及周围世界的各种自然现象进行观察。
因此,从远古时代起,人们实际上就已在从事仿生学工作。
例如,相传春秋战国时代(公元前450～500年),鲁班上山伐木途中,手指为茅草划破,从而受到启发,经反复实践,终于制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯[1]。
2300多年前墨子和他的300弟子,花了3年时间,造成一只“会飞的木鸟”,同时间希腊人阿奇太也制成一只“机械鸽子”。
自古就有许多中外人士模仿鸟类飞行试制飞行器,但都不成功,原因在于不了解鸟类的形态构造和生理机能适于飞行的科学原理;又不了解人不具备飞行的生理条件,人要上天,必须依靠机械动力才有可能。
1903年12月17日,美国人莱特兄弟飞机飞行的成功便是一例。
另外,1884年,人们受到蚕食桑叶吐丝的启迪,利用硝酸液处理棉绒,制成硝酸纤维素,由法国化学家德贝尔尼戈·夏尔多内首次成功地将硝酸纤维素制成硝酸纤维。
同年,英国人查尔斯·克劳斯(Charles·F·Cr oss)和爱德华·贝文(Edwa rd·J·Be van)申请了第1个醋酸纤维制造方法的专利,这两种纤维的问世是仿生学运用的成果。
但这些发明和尝试,在人类文明史上犹如点点星火,一闪而灭,始终未能形成一门独立的学科[2]。
总之,20世纪40年代前,人们对于生物体与机器之间有无共同之处,还缺乏明确认识,还不具备将二者进行类比的必要的基础知识。
工程技术人员还不了解生物系统可成为各种技术思想、设计原理以及发明创造的源泉,生物学家也只局限于研究和描述生物结构的精巧、功能的神奇。
因此,从远古到1940年属于仿生学的萌芽时期。
该时期,人类的各种仿生现象与成果不断涌现,为这门科学的诞生积蓄了实践经验与感性认识。
2 仿生学的建立时期(1940～1960年)20世纪40年代,工程技术领域中出现了调节理论,人们开始在一般意义上把生物与机器进行类比,认识到二者具有作者简介 刘福林(1965-),男,河南商丘人,副教授,从事管理仿生学研究。
收稿日期 2007-02-28自动调节系统。
1944年,一些科学家已经明确机器与动物在自动控制、通信和统计动力学等一系列问题上是统一的,具有共同之处。
同一个时期,美国的一位年轻工程师申农(C. Sha nnon)提议建立了一门叫作“信息论”的科学。
从此,开展了大量关于信息传递与处理的研究工作,深刻认识到一切通信与控制系统所共有的特点。
对许多研究工作得到的结果进行理论概括,并将技术控制系统的控制机理与现代生物科学所发现的动物体中的某些控制机理进行类比,又逐渐形成了一门新的科学“控制论”。
1949年,控制论创始人、美国科学家维纳(N.Wie ner)出版了《控制论》一书,对这一学科的思想和概念等作了比较全面的论述。
维纳着重指出,控制论是研究机器和生物体中控制与通信的科学。
科学研究和生产实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。
而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来,成为在原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁,奠定了生物与机器在控制与通信上进行类比的科学理论基础。
随着这两门学科的结合与渗透,人类就为自已找到了一条新的技术发展道路———向生物界索取设计蓝图,并于1960年9月诞生了一门新的交叉科学———仿生学。
1960年9月13～15日,在美国俄亥俄州达顿城(Da yto n)的一个空军基地,召开了美国第一届仿生学讨论会。
在20世纪50年代已成为一门独立学科的“仿生学”,在这次会议上被正式命名。
一位专长于精神病学和神经学、又受过数学和电子学训练的美国军医J.E.斯蒂尔(Jac k Ellwo od Steel)博士,给这门新诞生的科学分支起了一个名字叫做bionics(仿生学)。
斯蒂尔博士给它下了这样一个定义:“仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统,或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学”,简单一句话,仿生学就是“模仿生物的科学”[3]。
因此,从1940～1960年属于仿生学的建立时期。
该时期,人类在仿生学研究中的最大贡献是建立了仿生学理论。
从实质上看,仿生学的诞生带给人类的是创新的理念与方法,即向生命系统学习的理念,模拟生命系统的方法。
使人类从一个崭新的视角透视世界,发现前人未发现的事物,实现科学技术的原始创新,这是其他科学无法比拟的优势。
“提出模型,进行模拟,这就是仿生学的基本研究方安徽农业科学,J ou rn al of An hui Agri.Sci.2007,35(15):4404-4405,4408 责任编辑 罗芸 责任校对 李洪法。
”[3]在仿生学的研究过程中,模型是生物科学与技术科学间的桥梁,它连接并指导着这两个领域的研究工作。
数学模型与技术模型来源于生物模型,反过来又指导对生物系统的研究,更深刻地揭示其奥秘,并最终使它自己机能上更接近于生物系统。
模拟是仿生学理论的实质所在,是通过联想-心理过程来获得由一种事物到另一事物的思维的推移与呼应,是从生命系统的角度研究其他问题的重要方法。
模拟有其一定的适用范围。
不恰当的模拟也会适得其反。
最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。
其目的不在于直接复制每一个细节,而是要理解生物系统的工作原理,以实现特定功能为中心目的。
一般认为,在仿生学研究中存在3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,而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。
3 仿生学的巩固时期(1960～1990年)美国从1960年起,先后召开过4次全国性的仿生学学术讨论会。
北约组织下属的一个机构(宇宙空间研究和发展顾问小组)也曾经召开过一次仿生学会议,由北约6国(美、英、法、比、西德、荷兰)参加,专门讨论了仿生学与宇宙空间研究的关系。
前苏联的仿生学研究是在前苏联科学院控制论委员会领导下专设一个仿生学局,以协调全苏的仿生学研究工作。
至1975年已召开4次全苏仿生学座谈会,同时,还举行过多次加盟共和国仿生学专业会议。
我国的仿生学研究工作始于1964年前后。
1975年12月26日～1976年1月3日,中国科学院在北京主持召开了我国第1次仿生学座谈会。
1977年的“全国自然科学学科规划会议”正式、全面地制定了我国的仿生学研究规划。
自此,仿生学已普遍引起了国内许多学科和部门的关注,并陆续开展了研究工作。
以后,在由中国生物物理学会主持召开的一些全国性学术会议上,经常宣读仿生学方面的学术论文。
我国的仿生学研究工作,正在形成队伍,不断扩展着研究范围和研究深度,并已取得一些可喜的研究成果。
从仿生学诞生到20世纪70年代初期,美、俄(前苏联)等许多国家都曾对仿生学知识进行过广泛宣传,大量的知识性文章和书籍相继出版。
仿生学方面的学术论文,纷纷在各学科的学报和杂志上发表,每开过一次仿生学学术会议,立即就有篇幅很大的会议录问世。
所有这一切工作,都为人们深入了解这门新兴的边缘学科作出了积极的贡献。
中国科学院图书馆在中国科学院生物物理研究所等单位的协助下,曾广泛收集这些文献资料,编印了4册《仿生学文献索引》[3]。
至1990年,随着仿生学向各个领域的渗透,它的研究方法也已纳入了各领域的研究工作之中。
总之,1960～1990年各国政府及科研单位、科研人员对仿生学倾注了极高的热情与支持,已广泛地唤起整个社会对仿生学的理解与支持,所以,属于仿生学的巩固时期。
该时期,人们借助仿生学的研究理念与方法在信息仿生学、控制仿生学、力学仿生学、化学仿生学、医学仿生学等领域中取得了新的成就,进一步巩固了仿生学的科学地位。
4 现代仿生学时期(1990年至今)20世纪90年代初,各国都在为发展仿生学这门交叉学科的基础研究作精心长期的计划准备。
美国有一项优先发展制造、先进材料以及先进军事装备研究等领域的长期计划,德国的研究与技术部已就“21世纪的技术”为题在适应电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感器等领域投入了相当大的财力和人力。
英国政府早在1993年5月就发表了科学大臣沃德格雷夫主持撰写的科技白皮书,题为《运用我们的潜力———科学、工程和技术战略》。
日本、俄罗斯以及韩国等国都有相应的中长期计划,在先进制造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础性研究。
这是一场在仿生科学技术研究领域内展开源头研究的全球竞争。
为适应我国科学和技术源头创新的需要,进一步推动我国经济和社会实现跨越式发展,中科院香山科学会议于2003年12月11～13日召开了题为《仿生学的科学意义与前沿》的第220次学术讨论会。