现代制造与仿生学

刘仁志

0 前 言

当代世界的物质文明得到了空前发展，已达到了惊人的高度。将物质组装成各式各样的产品供人类生产、生活和娱乐的需要，是人类使用材料用于制造的结果，也是人类文明不断进步和发展的体现。

人类经历几十万年的进化，学会了利用自然材料制造工具和产品，这是人类智慧发展的重要表现。材料一直是人类发展史中的重要标志物，如石器时代、青铜时代、铁器时代、轻金属时代等各时代制造的工具，很好地反映了当时人类的生活水平。工具也是人类文明发展的重要生产力要素，材料和工具加上人的智慧，组成了生产力的三要素。生产力是指人类使用工具和材料创造物质文明的能力，而最能体现这种能力的是各个时代的标志性产品。如我们熟悉的蒸汽机、电动机、汽车、飞机、宇宙飞船等，都是具有鲜明时代特征的产品。手机也已经成为现代文明的一个重要标志，虽然它的体积相比于以前的那些标志产品较小，但其在现代社会中的重要性无可替代。

除了材料本身，工具和产品也是实现制造的重要因素。人类制造工具和产品的能力，不是凭空而来，而是在日常社会生活中学习、模仿而来。教会人类制造工具和产品的是大自然，是生物圈中的众多生物。生物的结构和行为启发了人类，人类从中分析、学习，最后掌握了制造的方法。可以说，人类的工具和产品的设计源于仿生学。

1 仿生学

仿生学是人类最早应用的学科之一，但其发展并最终成为一门学科则是近代的事情。

人类生存和发展过程中的各种工具的创造和使用，都源于自然的启发。雷电引起的森林大火让人类认识了火，从而学会了用火；水中漂浮的树木让人类学会了制作独木舟；用石器刨挖粗大的树干，快速刨动引起的高热导致树木碎屑的发烟起火，启发人类学会了钻木取火；有边刺的植物启发人类发明了锯子，乃至近代蒸汽机的发明、飞机的上天等，都是人类向自然学习和模仿的结果。

作为一门独立的学科，仿生学正式被提出是在1960年9月。当时，美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通组织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?”。由于飞机是仿照鸟类飞行的原理而仿制出来的成功的仿生学案例，因此，这次会议由空军航空局组织具有一定的权威性。对仿生学这一学科十分关注的美国空军J.E斯蒂尔少校为这门新兴的科学命名为“Bionics”，希腊文的意思是研究生命系统功能的科学。1963年我国将“Bionics”译为“仿生学”。

斯蒂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行为的科学。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性，并把它们应用于技术系统，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，为人类服务。因此，仿生学也是现代制造创新的一个重要领域。

事实上，大自然一直是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。大自然中许多的生物，特别是动物，其生物行为和结构特征都是仿生学的重要研究对象。

2 仿生学应用的经典型例子

人类运用聪明的才智和灵巧的双手，通过生产运动制造工具，从而在自然界里获得更多的利益和自由。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物上，还用在人类独有的思维和设计上，通过模仿生物来增加自己的本领。其中一个典型的例子就是，人类看到鱼儿在水中自由来去，就模仿鱼类的形体制造出船只。相传在大禹时期，我国古代劳动人民观察到水中的鱼儿通过尾巴的摇摆来掌控游动转弯和方向，于是模仿它们，在船尾上架置木桨。经过反复的模仿和实践，最后改成橹和舵。这一新工具的发明不仅增加了船的动力，还让人们掌握了控制船只转弯的方法，提高了安全航行的能力。

另一个典型的例子便是人类的飞翔之梦。在古代，模仿鸟类在空中自由飞翔一直是人类的梦想。我国古代技术人才很早就做出过尝试。据《韩非子》记载，鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。于是就有人设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。直至美国莱特兄弟于1903年制造出他们的“飞行者1号”，人类飞行的梦想才最终被实现。莱特兄弟的成功飞行掀起了席卷世界的航空热潮，他们的名字也因此被全世界人民记住。

还有潜水艇的发明也与仿生学息息相关。第一次世界大战时期，出于军事上的需要，为使舰艇在水下隐蔽航行，潜水艇应运而生。这种新型舰艇一经出现，就改写了海战的战略，直到现在，先进的潜艇仍然是评价各国海军军事力量的重要战略指标，是大国争相研发的重要军事装备。但目前的潜艇技术还远没有达到海洋鱼类的潜游水平。

当初，工程技术人员学习鱼类的潜浮能力，在设计原始的潜艇时，先用石块或铅块装在潜艇上使它下沉。待需要升至水面时，将携带的石块或铅块扔掉，使艇身浮出水面。后期经过多次改装，采用在潜艇上增加浮箱，利用浮箱交替充水和排水的方法来改变潜艇的重量，以此达到潜浮的效果。之后，又逐渐改成压载水舱，通过调节水舱的压力来实现下潜和上浮。

此外，声纳也是典型的仿生学应用案例。声音是人们生活中不可或缺的要素。声音不仅可以用于交流思想和感情，还可以应用于工业生产和军事技术中。自潜水艇问世以来，潜艇的追踪和反追踪技术便成为了评价各国海军军事力量的重要指标。海军工程师们将声学系统作为一个重要的潜艇位置侦察手段。早期采用的是水听器，也称噪声测向仪，它的原理是通过听测敌舰航行中所发出的噪声来判断敌舰的位置。但那时的水听器功能很不完善，一般只能收到自身舰只的噪声，想追踪敌舰位置，则必须减慢舰只航行速度甚至完全停车，才能准确接收噪声信号并加以分析和判断，很不利于战斗行动。之后，法国科学家郎之万(1872～1946)研究利用超声波反射的性质来探测水下舰艇，并取得成功。超声波侦查的工作原理是利用超声波发生器向水中发出超声波，超声波遇到目标后便反射回来，由接收器收到。人们根据接收回波的时间间隔和方位，再计算出目标的方位和距离，这便是人们常说的声纳系统。人造声纳系统的发明及在侦察敌方潜水艇方面获得的突出成果，曾使人们惊叹不已。但其实这种“回声定位”声纳系统是受蝙蝠和海豚的启发而发明出来的。

最后一个例子是关于人们对于昆虫飞行行为的研究。1903年，当人们发明了飞机，实现了飞上天空的梦想之后，飞机制造工艺仍一直在不断改进，制造出的飞机不论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类，显示了人类的智慧和才能。但是在研制飞得更快更高的飞机时，设计师又碰到了一个难题，即气体动力学中的颤振现象。当飞机飞行时，机翼发生有害的振动，飞行越快，机翼的颤振越强烈，甚至使机翼折断，造成飞机坠落。飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究消除有害的颤振现象，经过长时间的努力才找到解决这一难题的方法，即在机翼前缘的远端上安放一个加重装置。这一解决方法源自于蜻蜓的翼眼功能。生物学家在研究蜻蜓翅膀时，发现在每个翅膀前缘的上方都有一块深色的角质加厚区--翼眼或称翅痣。如果把翼眼去掉，蜻蜓就无法稳定飞行。经过分析证明，正是翼眼的角质组织使蜻蜓飞行的翅膀消除了颤振的危害。

3 仿生学的尖端--智能机器人

人工智能是21世纪三大尖端技术（基因工程、纳米技术、人工智能）之一。从发展趋势来看，它将是未来最重要的技术之一，而最能体现这一技术的便是智能机器人。

人工智能的传说可以追溯到古埃及，但随着1941年以来电子计算机的发展，人们已经可以创造出机器智能。 “ 人工智能” （ARTIFICIAL INTELLIGENCE）一词最初于1956年在DARTMOUTH学会上被提出。之后被研究者们持续研究，并逐渐发展出多种理论和原理，人工智能的概念也随之扩展。在高新科技的发展过程中，人工智能的发展速度相对较慢，但一直在进步。从现世至今，人工智能在许多领域得到了广泛应用，同时也带动了其他相关技术的发展。

如今，我国是工业机器人应用大国，特别是在汽车制造业上，工业机器人的应用已经非常普及，如汽车制造中的焊接和涂装，目前已完全由工业机器人承担。不仅如此，其他所有大型和批量生产的金属、非金属结构的内外涂装几乎也都是采用机器人作业。人工机器人的广泛应用极大地提高了生产效率，改善了生产环境，也提高了产品质量。

机器人在表面工程领域的应用将随着机器人技术特别是智能化技术的发展，越来越广泛和深入，如热喷涂、粉末喷涂、激光表面处理等都已经可以由智能机器人完成。全自动电镀生产线也在向智能化应用发展。这些智能化技术的应用对进一步改善工业生产环境、提高企业经济效益和社会效益都有重大意义。

我们理解的所谓的智能机器人是一个独特的进行自我控制的活物。其实，这个自控活物的主要器官并没有真正的人那样微妙而复杂。智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，还有效应器。效应器就如同筋肉，或称自整步电动机，它能控制手、脚、长鼻子、触角开展行动，是机器人作用于环境的手段。由此可知，智能机器人至少要具备三个要素：感觉要素，反应要素和思考要素。对具有三要素的机器人，我们统称为自控机器人。它是控制论产生的结果，控制论主张的是生命和非生命有目的的行为在很多方面是一致的。正像一个智能机器人制造者所说的，机器人是一种系统的功能描述，这种系统过去只能从生命细胞生长的结果中得到，现在它们已经成了我们自己能够制造的东西了。这就是仿生学的最高境界。

智能机器人能够理解人类语言，用人类语言同操作者对话，在它自身的意识中单独形成了一种使它得以生存的外界环境--实际情况的详尽模式。它能分析出现的情况，调整自己的动作以达到操作者所提出的全部要求，能拟定所希望的动作，并在信息不充分的情况下和环境迅速变化的条件下完成这些动作。

目前关于人形机器人的开发，以日本的研究成果最为瞩目，我国也已经开始了在高智能机器人上的布局。相信在未来的某一天，随处就能遇到与你擦肩而过的高智能机器人。