仿生学的创新应用研究

朱书启

摘 要：本文深刻分析了现代工业化发展所遇到的新问题，剖析了仿生学在现代社会中的经济作用、仿生学在发明创造过程中发挥的重要作用，着重阐述了仿生学对企业创新投资的指导作用。本文主要阐述了以下几方面的论点：（1）仿生学的应用产生了越来越多的社会价值，如仿生学的环保价值，可循环利用的价值等。（2）通过案例分析了仿生学在社会生产中的典型应用，提出了仿生学的创新应用思维。如研究苍蝇的躲避机理，借鉴其机理并运用到了汽车上，通过摄像头的视觉捕捉，汽车上的仿造苍蝇大脑的智能系统，能够判断这车前的行人车辆和固定障碍物，并通过计算来决定是否要自动刹车来躲避危险，这样的视觉防碰撞系统，在某些情况下可靠性上甚至超过了传统的雷达刹车系统，更好地实现了保护作用。（3）分析了仿生机构及系统的应用研究及仿生学的应用前景。

关键词：仿生学 低耗高效 潜力 产业

中图分类号：Q81 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）02（b）-0097-04

从第一次工业革命到今天，人类社会一直倍加推崇机械化生产。但事实上，我们对于原料的利用水平仍停留在加热、加压、化学处理之类的做法上。与此同时，人们显然不能忽视这种做法所带来的负面效应，越来越严重的温室效应，导致南北两极的冰山加速溶化。南半球的臭氧空洞使得某些地区的紫外线计量达到了可以致癌的程度，化学加工所产生毒性副产品导致触目惊心的环境污染，另一个无法忽视的事实在于不可再生资源的迅速消耗。

自从20世纪开始对于资源的争夺成为了战争的导火索之一。如今，全世界对石油、煤炭和天然气等石化资源的需求量不断增长，但存储量却在不断减少。2013年来自英国石油公司的一份报告指出倘若按当年石油日需求量9200万桶来计算的话，全球剩余石油仅够半个世纪使用。在这个人类自认为有史以来最好的时代中，一个不可避免的问题便是发展方式所带来的破坏性。许多发展是以破坏既有生态链条为代价的。过度追求发展而产生的大量排放早就令大自然无法承受。而随着时间推移，人类透支大自然造成的破坏性必将成倍的返还到人类自己身上。

这一方面的教训已经不少，经过亿万年的演变，大自然以低耗高效的方式持续维持着生态系统的运转。如果人类能从大自然中获得启示，将为人类的发展开创一条资源节约、环境友好型的道路。新黄金时代，可能来自仿生学。在人来以往的工业革命中，经过技术创新，人类确实在生产力方面得到了巨大的提高，但事实上，真正得到改变的是单位时间产品的产出而已。至于浪费了多少能量与材料，只要不被计入成本，一切都不在人类的考量范围之内。大自然的做法则完全不同，自然选择与进化的结果缘于对资源与能量的极致利用以及对环境所保持的友好特性。当今世界，虽然人类需要迎接来自各个方面的层层挑战，但一个全新的领域蕴藏着巨大的机遇，并且不会破坏环境，这个行业带来了全新的模式并掀起了一股新时代的淘金潮，这就是仿生学。

1 对仿生学社会价值的分析

时至今日，仿生学产业更是拥有着巨大的潜力。和传统生产相比，效仿大自然的仿生學具备三大优势：

（1）成本低，不浪费资源，例如纳米技术每次合成的仅仅是所需的一个分子，这就意味着没有任何多余的边角料。

（2）污染低，绿色化学便是仿生学的一个分支，其中无论是原材料还是产物副产品都是可降解的。

（3）可循环利用，正是这些优势使仿生学开创黄金时代成为可能，在2010年，全球投向可持续发展企业的资金便超过了2000亿美元，比2009年增长了40%之多。据推测，到2025年各国利用仿生学所创造的国内生产总值将高达10000亿美元，其中仅美国一国便可达3000亿美元。

届时，仿生学对化工产业、垃圾处理、环境治理三大领域的影响将达到15%。而与此同时建筑业和工程服务、纺织品生产运输设备和公共设施领域10%的产品都将具备仿生学的特点。在食品产品建筑工程、塑料制品、计算机设备和通信领域，仿生学也将创造5%的产值。以上数字意味着仿生学除了能带来拯救地球环境的社会效应，还蕴藏着真金白银的巨大商机。

2 对仿生学应用案例的分析

仿生学早已渗透在生活的方方面面，也许在不经意间已经接触并感受到了仿生学的巨大魅力。许多人都知道古希腊有个著名的科学家阿基米德，他的阿基米德定律解释了浮力的存在机制，成为了流体力学的基础。而事实上阿基米德也是有史以来最早的仿生学家之一。在前往古埃及亚历山大古城时，阿基米德遇到了一个现实问题，在夏天的烈日下，农民在尼罗河水边使用水桶积水，而这种做法做法低下的效率使得他们只能灌溉很少的土地，如何解决这一问题呢？阿基米德受到了海螺壳线条的启发，发明出了一种神奇的水泵，这种水泵中只有一个人造螺旋在水管中转动，借此将尼罗河的水从低处抽到高处。由此干涸的土地得到了充足的滋润。而埃及此后成为整个地中海地区的粮仓，恐怕这一神奇的发明也是功不可没的。这种水泵被冠以阿基米德提水器的名声。和螺壳一样，它的结构简单而坚实，同时也不会因为吸入石子而堵塞。一直到2000多年后的现代社会使用这种原理的设备依然在世界各地为人民提供种服务。

接下来了解一下鲨鱼皮怎么帮助运动员赢得世界冠军的：在多数人的概念里，物体表面越光滑，就意味着阻力越小，这似乎已经成为一种常识，然而在2008年的奥运会上，那些驰骋泳道的健将却偏爱一种表面粗糙的连体泳衣。正式这种特殊的泳衣大大的减小了运动员在水中受到的阻力。从而提高了竞赛成绩。在北京奥运会上创造世界记录的25名选手中，有23人穿有鲨鱼皮泳衣。

作为海洋中的猎食动物霸主，鲨鱼特殊的生理结构使它豪不停歇游动，才能保证不间断的摄入氧气，正因为如此，对于5亿年前就已经出现的鲨鱼来说，如何降低游动阻力便成为了进化过程中关乎生死存亡的要素。在仔细研究鲨鱼表皮的过程中，科学家们惊讶的发现鲨鱼的皮肤并非光洁无暇，而是满是细小的垂直鳞片，这种鳞片被称为盾鳞或复翅，当鲨鱼用鱼鳍或鱼尾在身后拍打出旋涡以推动身体前进时，复翅能够避免身体表面吸附并拖拽水流，从而影响游动的速度，借鉴了上述理念的鲨鱼皮连体泳衣，将运动员们从头到脚都包裹了起来，隔开了水流而应动员的每一次划水，也不再会因为受到附近水体的拖拽而耗费额外的力气，从而减少了3%的阻力，对于动辄零点一秒决定胜负的游泳项目而言，这几个百分点的差别往往决定了谁能站在领奖台上手握金牌，笑容绽放，谁又能在背景中黯然落泪。

下面看一看蝴蝶的翅膀，蝴蝶的翅膀可以帮助全世界省电80%，蝴蝶的翅膀色彩斑斓，绚丽夺目，确实令人着迷。不过，谁又能想到蝴蝶的翅膀将在照明和显示器这两个领域掀起一股改革的狂潮呢？从白炽灯到节能灯，再到发光二极管，随着技术的进步，每个家庭中的照明能耗也在不断降低，倘若LED能够普及的话，全世界用于照明的电费便能降低80%之多，这背后的荧光形成机理，启发了科研人员对LED发光二极管进行改进，通过模仿蝴蝶翅膀的发光体系，科学家改进了发光二极管内部的反射结构，从而将发光效率提升了一倍之多。此外蝶翼的荧光效果也给显示器的制造带来了灵感，在强烈的阳光下，我们往往会抱怨手机屏幕太过暗淡，难以看清上面的内容，而蝶翼的荧光特性，却能够借助外界的光线来增强其显示效果，倘若这项研究最终被运用到显示屏上，那么即便是在烈日的直射之下，手机上的内容也会借助荧光的增强效果，依然清晰如故。

说了蝴蝶，让我们再来看一看苍蝇逃命的绝技，它可以帮助我们造出更安全的汽车，不管在世界的哪个角落，苍蝇无疑都是令人生厌的生物，他们会肆无忌惮地落在你的饭菜上，污染的食物，然后便逃之夭夭，更令人恼火的是，每当我们试图拍死苍蝇时，他们的反应总是那么敏捷灵巧，用一技弹跳便躲开了那原本致命的一击，然后如同示威一般继续在我们周围绕来绕去，超级慢动作相机显示，当我们试图拍死苍蝇时，他们就像在跳芭蕾舞一般，灵活而协调，瞬间将腿和身体调整到位，让整个躲避过程在霎那间完成，更为惊人的是，苍蝇的脑袋能够察觉到威胁及其来源方向，然后计算出最佳逃跑路线，并指挥身体通过脚尖的旋转跳到安全的地方，而这一切动作只需1/10s。

研究苍蝇的躲避机理用处很大，目前已经有借鉴其机理的设备运用到了汽车上，通过摄像头的视觉捕捉，汽车上的仿造苍蝇大脑的智能系统，能够判断这车前的行人车辆和固定障碍物，并通过计算来决定是否要自动刹车来躲避危险，这样的视觉防碰撞系统，在某些情况下可靠性上甚至超过了传统的雷达刹车系统，更好地实现了保护作用。

在很多文化中，莲花都是纯净的象征。在我国，宋代《爱莲说》里，将这种纯净的特性，描述为出淤泥而不染，濯清涟而不妖，描述了荷叶自我清洁的神奇能力。事实上，笼罩在莲花之上的纯洁光环确实不只是文人墨客的想象，而是真实存在的。特殊结构所带来的防水防污效果，直到20世纪80年代末，借助高倍显微镜的帮助，工程师们才弄清楚了荷叶无尘化表面的清洁机制，荷叶表面的微观结构，充满了几微米大小的突起，在表面张力的作用下，落在荷叶上的水成为了滚来滚去的水珠，不仅不会沾湿荷叶，反而在滚动中将其表面的泥土和灰尘颗粒一起带走。现在，模仿荷叶机理所研发出的涂料和表面结构已经得到了广泛的应用。

在欧洲，有30多万栋建筑物使用荷叶涂料处理外墙，如此一来，不仅墙面能够在多年内保持清洁，霉菌和藻類也无从落脚，连绵阴雨天气之下，房屋也能始终保持着良好的外观，至于户外运动所使用的冲锋衣上，也同样存在着荷叶式的结构，使得衣料能够同时兼顾透气与防水。

接下来让我们再看一看榴莲是怎样帮助我们移民火星的？榴莲的口感绵软甜美，是时下颇受欢迎的水果类型，其特殊的味道也着实使得不同的人群爱憎分明。在炎炎夏日，品尝着榴莲甜点你是否会想到这种水果将会给未来的火星定居的宇航员提供帮助呢？看过电影《火星救援》的朋友们，也许还记得，火星上气密房间破裂时的惊险一幕，空气裹挟着宝贵的蔬菜土壤，如同一阵狂风一般冲出房间，消散在了火星近乎真空的微博大气层之中，而主角的命运，也因为这样一次事故，而变得更为凶险起来，事实上，倘若马特达蒙的菜地能够以榴莲为结构进行设计的话，这样的情况也许就能够得到避免，不过剧情也就无法进行下去了，在榴莲内部，每个种子都被单独密封在一个个独立的加压器室中，而这些气室互相连接成为一个整体，既能抵御火星上的恶劣条件，还能在不使用钢筋架构的情况下增强建筑物的强度。

对于绝大多数人来说，打针恐怕不是什么愉快的经历，经历了消毒棉球的摩挲之后，一针入肉，酸痛肿胀的感觉随之而来，根据统计，全球超过两成的人，在打针的时候会有昏厥或眩晕的感觉，这就是传说中的晕针。不管针头有多细多尖，针尖刺入肌肤时的痛感还是难以抹去，不过真的所有针头都会如此让人痛苦吗？那倒未必，至少，当蚊子用嘴在吃透人的皮肤离开时，红种才会被发现，这个时候蚊子却早已经逃之夭夭了。原来，蚊子进化出了一种高度锯齿状的喙，其形状类似面包刀，在刺入时几乎不会接触到皮肤中的神经，这一点被日本大阪关西大学的科研人员使用到了实践中，他们模仿蚊子喙的形状，发明出了一种用二氧化硅制作的锯齿状针头，其直径仅1/10mm，相当于人类头发的宽度，倘若这种无痛针头能够用于血液成分监测的话，就能为数量日渐增长的糖尿病患者带来福音，对他们而言，每天都要进行的血糖检查，无疑是最需避免痛苦的过程。

3 仿生机构与系统的应用

仿生机构及系统的制造是以仿生学为指导，在提取自然界生物的优良性能特征基础上，模仿生物的形态、结构、 材料和控制原理，设计制造具有生物特征或优异功能的机构或系统的过程。

例如动物肢体是由骨骼、韧带和肌腱组成，仿生机构及系统是由刚性构件、柔韧构件、仿生构件以及动力元件等人为实物而制成的机械系统。通过运动副或仿生关节的连接，系统各部分在控制系统的指挥下，可实现某种程度上模拟特定生物的运动功能。

仿生机构及系统中的刚性构件是整个机构的基础，是机构中作刚体运动的单元体，决定着机构的自由度数及活动范围；柔韧构件是指弯曲刚度小且不会伸长或缩短的带状构件，这种机构是传统机构学中所没有的，它决定着刚性构件的驱动方式及机构运动的确定性；仿生构件是指那些为模仿生物运动器官的力学特性而增设的，在机构中独立存在， 不影响机构的相对运动，只起到改善传动质量的构件；动力元件是指一类能在系统控制下直接对柔韧构件施加张力的动力源， 其功能相当于动物的肌肉。

人手的功能和灵巧性几乎是不可能复制的，但全球不少生物技术公司正在开发新一代假肢，它可以使假手能够做更精细灵巧的工作。例如，一种轻型人工智能假手 FluidHand，它的每个关节都由一个微型液压推动系统提供动力， 并在截肢者肢体残端肌肉中植入传感器，通过肌肉张紧松弛的肌电信号控制每个手指的动作， 这种推动和控制系统使得手指表现得更加自然，并使其比一般假肢更具靈活性。

随着科技、信息和经济的快速发展，以及人们对智能化、人性化和集成化的产品需求迅速增加，仿生机械的功能部件、仿生智能假肢和仿生服务机器人等功能将得到进一步提高和发展，将在工业、医疗、养老和社会服务领域得到广泛的应用。

4 仿生学的应用前景

以上是仿生学转化为产品或产品理念的一些经典案例，那么仿生学真的能从一个奇思妙想的学科变成一个充满前途的产业吗？仿生学的变革能为整个人类带来利益吗？毫无疑问，仿生学企业将会面临和传统企业大小不同的困难，不过只要能够很好地把握仿生学企业的特点，投资这种不走寻常路的行为，同样能够带来巨大的经济与社会效益。

对于那些试图用仿生学改变的传统行业而言，现存的跨国资本集团犹如既定航线上急速前行的巨轮，任何方向的转变，动力的更换，都会引起船上乘客的不满，对于那些受到严密监管的制药企业，以及可望长盛不衰的汽车生产商而言，趋利避害才是第一要务，巨大的现有市场份额，往往使得人们见利忘义，而工程技术人员在职业方面的既得利益，思维惯性，也可能成为难以逾越的一道障碍。正因为如此，为仿生学企业所设立的目标，便是改变行业的方向，重塑整个领域的利益分配与产业结构。相比IT金融来钱快的产业，仿生学需要长期的布局才能带来收益，因而在获利的节奏方面显得稍慢一筹。

与众不同的创新给仿生学产品带来了优势，但这种特殊性却也需要更多的审查，更长时间的接受才能最终在市场方面获得良好的反馈。开发仿生学产品，就意味着深度耕耘，在寻找风险投资时，仿生学企业则要牢记一点，那就是他们的投资回报周期更长。谷歌和FaceBook，这样的公司不需要去建造一个绿色城市，所以既不需要申请许可，也不需要通过冗长的临床实验，以证明药品或医用粘合剂的无毒无害，为此需要找到一个有耐心愿意等待投资回报的风险投资公司进行合作。许多公司的发展模式犹如杂草一样，盲目的追求过快的扩张速度，现代西方企业的战略规矩，往往只有短短2～5年时间，在将资源和发展空间耗尽之后，这样的企业便走向衰落。相比之下，一个优秀的仿生学企业，应当像一片红树林一样进行发展，维持自身可持续的同时，通过自我发展创造出多样性和丰富性，由此屹立不倒并愈发繁盛下去。

5 结语

本文结合社会生产实际，深刻分析了仿生学在国民社会生产中的应用方法及创新思维，深刻分析了仿生学的社会应用价值，并剖析了仿生学的发展趋势以及其未来社会的影响以及对仿生学产业投资方形进行了独到的阐述。随着对仿生学研究的不断深入，仿生学对我们日常生和及社会的发展也将会产生越来越大的影响。本文通过独特的视角和创新的思维分析，进一步引导我国仿生学的发展和应用。

参考文献

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