智能仿生技术——引领智能化时代

特约通讯员 张国栋

一直以来，人类都在不断地向大自然学习。发展到上世纪中期，仿生学应运而生，创造出了丰硕的成果。经过几十年的系统研究和快速发展，仿生目前已进入智能化时代。

在南非世界杯期间，亿万中国球迷在欣赏外国球队精彩表现的同时，也深深地为中国足球的不争气而扼腕叹息。可是在另一项足球赛事上，来自中国的队伍却不负众望，一路过关斩将，最终取得冠军，这就是在新加坡举行的“2010RoboCup机器人世界杯”比赛。由北京信息科技大学师生组成的“Water”机器人足球队，斩落了荷兰、葡萄牙等传统强队，摘得桂冠。

参加比赛的机器人几乎是自动控制的，也就是说它们自己决定如何踢球，而机器人世界杯的最终目标是:到2050年，开发完全自主仿人机器人队，能赢得人类足球世界冠军队。你是不是觉得这个目标不可思议，实际上这只不过是智能仿生蓬勃发展的一个缩影。

智能仿生是随着计算机技术发展和人们对自然界的深入理解而发展起来的，它强调对人类和其它生物智能行为的模仿，注重向自然界学习、汲取其中有益的规律和原理。智能仿生的研究成果已经在很多领域得到了应用，主要有：

1.人体仿生

德国最新研制一种微芯片仿生眼，可植入患者眼球后方，现经过测试显示，失明患者使用仿生眼后能够恢复视力，看到日常生活用品，可显著提高生活便利性。这种仿生眼是由德国视网膜植入AG公司研究发明的，在3毫米□3毫米大小的超薄微芯片上集成了1500个光传感器。仿生眼被植入视网膜下方后，直接代替视网膜性变患者所缺失的光受体发挥作用。待眼部光检测期结束后，随着患者眼部运动，仿生眼会利用眼部自然图像处理能力形成稳定的视觉感知，即让失明者看见事物，它将为因疾病导致视网膜受损患者带来福音。

图1 机器人足球赛

图2 仿真眼原理图

除了仿生眼外，现在世界各国研究人员正致力于人体几乎每一个部位的智能仿生品的设计，如皮肤、骨骼、血液、关节等，并且一些医疗产品公司已经能够制造人体若干部分的替代品，这将极大地促进生物医学的发展。

2.仿生机械

仿生机械是通过研究和探讨生物机制，模仿生物的形态、结构和控制原理设计而制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。研究仿生机械的学科称为仿生机械学，它是20世纪60年代末期由生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而形成的一门边缘学科。仿生机械研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。由于能制造出在结构、功能、材料、控制、能耗等诸方面相对更加合理的机械系统，仿机械学正越来越受到重视。

3.仿生制造

模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统与制造过程称为“仿生制造”(Bionic Manufacturing)。它通过模拟生物器官的自组织、自愈、自增长与自进化等功能，以迅速响应市场需求并保护自然环境。

就制造系统而言,现在已越来越趋向于大规模、复杂化、动态及高度非线性化。因此，在生命科学的基础研究成果中选取富含对工程技术有启发作用的内容，将这些研究成果同制造科学结合起来，建立新的制造模式和研究新的仿生加工方法，将为制造科学提供新的研究课题并丰富制造科学的内涵。此外，进行与仿生机械相关的生物力学原理研究，将昆虫运动仿生研究与微系统的研究相结合，并开发出新型智能仿生机械和结构，将在军事、生物医学工程和人工康复等方面有重要的应用前景。

图3 仿生机械手

目前这方面的研究内容有：

·自生长成形工艺，即在制造过程中模仿生物外形结构的生长过程，使零件结构最外层各处形状随其应力值与理想状态的差距作自适应伸缩直至满意状态为止；又如，将组织工程材料与快速成形制造相结合，制造生长单元的框架，在生长单元内部注入生长因子，使各生长单元并行生长，以解决与人体的相容性和与个体的适配性及快速生成的需求，实现人体器官的人工制造。

·仿生设计和仿生制造系统，即对先进制造系统采用生物比喻的方法进行研究，以解决先进制造系统中的一些关键技术问题。

·生物成形制造，如采用生物的方法制造微小复杂零件，开辟制造新工艺。

4.智能材料

在这个新材料层出不穷的时代，智能材料也是独领风骚的一朵奇葩。智能材料是模仿生命系统兼有感知和驱动双重功能的材料。智能材料的构想来源于仿生，它的目标就是想研制出一种材料，使它成为具有类似于生物的各种功能的“活”的材料。因此智能材料必须具备感知、驱动和控制这三个基本要素。智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。

目前智能材料研究方兴未艾，其研究成果已经在某些领域成功应用。如在在建筑方面，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况的材料。英国科学家已开发出了两种“自愈合”纤维。这两种纤维能分别感知混凝土中的和钢筋的腐蚀，并能自动粘合混凝土的裂纹或阻止钢筋的腐蚀。粘合裂纹的纤维是用玻璃丝和聚丙烯制成的多孔状中空纤维，将其掺入混凝土中后，在混凝土过度挠曲时，它会被撕裂，从而释放出一些化学物质，来充填和粘合混凝土中的裂缝。防腐蚀纤维则被包在钢筋周围。当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层就会溶解，从纤维中释放出能阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。

5.智能计算

硬件性能越来越高的计算机为人类完成各类计算提供了强有力的工具。然而，有许多困难的问题由于其需要搜索的解空间异常庞大，如果没有好的算法，即使采用再强大的计算机来求解也是不现实的，需要花费相当长的时间。这促使人们在不断强化计算工具的同时，也积极地探索和设计好的算法。为此，人们将目光投向自然界甚至是人类社会自身，希望能从中得到启发。经过不懈努力，众多简单实用有效的算法被提出，其中包括人工神经网络、遗传算法以及蚁群算法，等等。这些算法都是通过类比和模仿生物的某些行为或者是某种物理现象而获得的。以遗传算法为例，遗传算法是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程的计算模型，是一种通过模拟自然进化过程搜索最优解的方法。它们的出现为人类解决问题提供了更多可供选择的方法，促进了包括数学、计算机和生物等在内的众多学科的发展，并形成了一门新的交叉学科分支，即智能计算。

与传统方法相比，智能计算更具有柔性和自适应能力。它不需要太多的领域知识，可以解决许多问题，尤其是一些大规模的复杂问题。智能计算将不同的学科紧密联系起来，它不仅是计算机科学中求解问题的一种计算方法，更是人们研究自然以及人类社会自身的一种非常有效的手段，其应用前景非常广阔。

当然，智能仿生技术在别的领域内都还有很大的发展潜力。我们已经看到越来越多的新型智能仿生产品的出现。让我们看看在各类媒体杂志上看到的具体的新进展：不沾水自清洁的仿生荷叶薄膜、仿生催化技术有效降低吸烟危害、仿生催化氧化制环己酮新工艺、仿生口罩器、从银杏中提取仿生杀菌剂获成功、仿生功能材料、新型仿生杀菌剂、仿生耐磨钢基梯度复合材料、仿生抗菌纤维的研究取得重要成果、仿生催化法生产聚乳酸及乳酸共聚物……太多的智能仿生应用！我们有理由相信智能仿生技术前景广阔、潜力无限！让我们期待机器人足球队队战胜世界杯冠军队的日子早日到来。

参考资料：

1.http://www.fangshengxue.com

2.http://www.retinaimplant.de/en/default.aspx

3.周清艳.浅谈智能计算及其研究方法[J].研究与开发，2009,(371):51-53.