特約通訊員 張國棟

一直以來，人類都在不斷地向大自然學(xué)習(xí)。發(fā)展到上世紀(jì)中期，仿生學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，創(chuàng)造出了豐碩的成果。經(jīng)過幾十年的系統(tǒng)研究和快速發(fā)展，仿生目前已進(jìn)入智能化時代。

在南非世界杯期間，億萬中國球迷在欣賞外國球隊(duì)精彩表現(xiàn)的同時，也深深地為中國足球的不爭氣而扼腕嘆息?？墒窃诹硪豁?xiàng)足球賽事上，來自中國的隊(duì)伍卻不負(fù)眾望，一路過關(guān)斬將，最終取得冠軍，這就是在新加坡舉行的“2010RoboCup機(jī)器人世界杯”比賽。由北京信息科技大學(xué)師生組成的“Water”機(jī)器人足球隊(duì)，斬落了荷蘭、葡萄牙等傳統(tǒng)強(qiáng)隊(duì)，摘得桂冠。

參加比賽的機(jī)器人幾乎是自動控制的，也就是說它們自己決定如何踢球，而機(jī)器人世界杯的最終目標(biāo)是:到2050年，開發(fā)完全自主仿人機(jī)器人隊(duì)，能贏得人類足球世界冠軍隊(duì)。你是不是覺得這個目標(biāo)不可思議，實(shí)際上這只不過是智能仿生蓬勃發(fā)展的一個縮影。

智能仿生是隨著計算機(jī)技術(shù)發(fā)展和人們對自然界的深入理解而發(fā)展起來的，它強(qiáng)調(diào)對人類和其它生物智能行為的模仿，注重向自然界學(xué)習(xí)、汲取其中有益的規(guī)律和原理。智能仿生的研究成果已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，主要有：

1.人體仿生

德國最新研制一種微芯片仿生眼，可植入患者眼球后方，現(xiàn)經(jīng)過測試顯示，失明患者使用仿生眼后能夠恢復(fù)視力，看到日常生活用品，可顯著提高生活便利性。這種仿生眼是由德國視網(wǎng)膜植入AG公司研究發(fā)明的，在3毫米□3毫米大小的超薄微芯片上集成了1500個光傳感器。仿生眼被植入視網(wǎng)膜下方后，直接代替視網(wǎng)膜性變患者所缺失的光受體發(fā)揮作用。待眼部光檢測期結(jié)束后，隨著患者眼部運(yùn)動，仿生眼會利用眼部自然圖像處理能力形成穩(wěn)定的視覺感知，即讓失明者看見事物，它將為因疾病導(dǎo)致視網(wǎng)膜受損患者帶來福音。

圖1 機(jī)器人足球賽

圖2 仿真眼原理圖

除了仿生眼外，現(xiàn)在世界各國研究人員正致力于人體幾乎每一個部位的智能仿生品的設(shè)計，如皮膚、骨骼、血液、關(guān)節(jié)等，并且一些醫(yī)療產(chǎn)品公司已經(jīng)能夠制造人體若干部分的替代品，這將極大地促進(jìn)生物醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

2.仿生機(jī)械

仿生機(jī)械是通過研究和探討生物機(jī)制，模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理設(shè)計而制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機(jī)械。研究仿生機(jī)械的學(xué)科稱為仿生機(jī)械學(xué)，它是20世紀(jì)60年代末期由生物學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械工程、控制論和電子技術(shù)等學(xué)科相互滲透、結(jié)合而形成的一門邊緣學(xué)科。仿生機(jī)械研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、控制體和機(jī)器人。由于能制造出在結(jié)構(gòu)、功能、材料、控制、能耗等諸方面相對更加合理的機(jī)械系統(tǒng)，仿機(jī)械學(xué)正越來越受到重視。

3.仿生制造

模仿生物的組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的制造系統(tǒng)與制造過程稱為“仿生制造”(Bionic Manufacturing)。它通過模擬生物器官的自組織、自愈、自增長與自進(jìn)化等功能，以迅速響應(yīng)市場需求并保護(hù)自然環(huán)境。

就制造系統(tǒng)而言,現(xiàn)在已越來越趨向于大規(guī)模、復(fù)雜化、動態(tài)及高度非線性化。因此，在生命科學(xué)的基礎(chǔ)研究成果中選取富含對工程技術(shù)有啟發(fā)作用的內(nèi)容，將這些研究成果同制造科學(xué)結(jié)合起來，建立新的制造模式和研究新的仿生加工方法，將為制造科學(xué)提供新的研究課題并豐富制造科學(xué)的內(nèi)涵。此外，進(jìn)行與仿生機(jī)械相關(guān)的生物力學(xué)原理研究，將昆蟲運(yùn)動仿生研究與微系統(tǒng)的研究相結(jié)合，并開發(fā)出新型智能仿生機(jī)械和結(jié)構(gòu)，將在軍事、生物醫(yī)學(xué)工程和人工康復(fù)等方面有重要的應(yīng)用前景。

圖3 仿生機(jī)械手

目前這方面的研究內(nèi)容有：

·自生長成形工藝，即在制造過程中模仿生物外形結(jié)構(gòu)的生長過程，使零件結(jié)構(gòu)最外層各處形狀隨其應(yīng)力值與理想狀態(tài)的差距作自適應(yīng)伸縮直至滿意狀態(tài)為止；又如，將組織工程材料與快速成形制造相結(jié)合，制造生長單元的框架，在生長單元內(nèi)部注入生長因子，使各生長單元并行生長，以解決與人體的相容性和與個體的適配性及快速生成的需求，實(shí)現(xiàn)人體器官的人工制造。

·仿生設(shè)計和仿生制造系統(tǒng)，即對先進(jìn)制造系統(tǒng)采用生物比喻的方法進(jìn)行研究，以解決先進(jìn)制造系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。

·生物成形制造，如采用生物的方法制造微小復(fù)雜零件，開辟制造新工藝。

4.智能材料

在這個新材料層出不窮的時代，智能材料也是獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的一朵奇葩。智能材料是模仿生命系統(tǒng)兼有感知和驅(qū)動雙重功能的材料。智能材料的構(gòu)想來源于仿生，它的目標(biāo)就是想研制出一種材料，使它成為具有類似于生物的各種功能的“活”的材料。因此智能材料必須具備感知、驅(qū)動和控制這三個基本要素。智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化?？茖W(xué)家預(yù)言，智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命。

目前智能材料研究方興未艾，其研究成果已經(jīng)在某些領(lǐng)域成功應(yīng)用。如在在建筑方面，科學(xué)家正集中力量研制使橋梁、高大的建筑設(shè)施以及地下管道等能自診其“健康”狀況的材料。英國科學(xué)家已開發(fā)出了兩種“自愈合”纖維。這兩種纖維能分別感知混凝土中的和鋼筋的腐蝕，并能自動粘合混凝土的裂紋或阻止鋼筋的腐蝕。粘合裂紋的纖維是用玻璃絲和聚丙烯制成的多孔狀中空纖維，將其摻入混凝土中后，在混凝土過度撓曲時，它會被撕裂，從而釋放出一些化學(xué)物質(zhì)，來充填和粘合混凝土中的裂縫。防腐蝕纖維則被包在鋼筋周圍。當(dāng)鋼筋周圍的酸度達(dá)到一定值時，纖維的涂層就會溶解，從纖維中釋放出能阻止混凝土中的鋼筋被腐蝕的物質(zhì)。

5.智能計算

硬件性能越來越高的計算機(jī)為人類完成各類計算提供了強(qiáng)有力的工具。然而，有許多困難的問題由于其需要搜索的解空間異常龐大，如果沒有好的算法，即使采用再強(qiáng)大的計算機(jī)來求解也是不現(xiàn)實(shí)的，需要花費(fèi)相當(dāng)長的時間。這促使人們在不斷強(qiáng)化計算工具的同時，也積極地探索和設(shè)計好的算法。為此，人們將目光投向自然界甚至是人類社會自身，希望能從中得到啟發(fā)。經(jīng)過不懈努力，眾多簡單實(shí)用有效的算法被提出，其中包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法以及蟻群算法，等等。這些算法都是通過類比和模仿生物的某些行為或者是某種物理現(xiàn)象而獲得的。以遺傳算法為例，遺傳算法是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過程的計算模型，是一種通過模擬自然進(jìn)化過程搜索最優(yōu)解的方法。它們的出現(xiàn)為人類解決問題提供了更多可供選擇的方法，促進(jìn)了包括數(shù)學(xué)、計算機(jī)和生物等在內(nèi)的眾多學(xué)科的發(fā)展，并形成了一門新的交叉學(xué)科分支，即智能計算。

與傳統(tǒng)方法相比，智能計算更具有柔性和自適應(yīng)能力。它不需要太多的領(lǐng)域知識，可以解決許多問題，尤其是一些大規(guī)模的復(fù)雜問題。智能計算將不同的學(xué)科緊密聯(lián)系起來，它不僅是計算機(jī)科學(xué)中求解問題的一種計算方法，更是人們研究自然以及人類社會自身的一種非常有效的手段，其應(yīng)用前景非常廣闊。

當(dāng)然，智能仿生技術(shù)在別的領(lǐng)域內(nèi)都還有很大的發(fā)展?jié)摿?。我們已?jīng)看到越來越多的新型智能仿生產(chǎn)品的出現(xiàn)。讓我們看看在各類媒體雜志上看到的具體的新進(jìn)展：不沾水自清潔的仿生荷葉薄膜、仿生催化技術(shù)有效降低吸煙危害、仿生催化氧化制環(huán)己酮新工藝、仿生口罩器、從銀杏中提取仿生殺菌劑獲成功、仿生功能材料、新型仿生殺菌劑、仿生耐磨鋼基梯度復(fù)合材料、仿生抗菌纖維的研究取得重要成果、仿生催化法生產(chǎn)聚乳酸及乳酸共聚物……太多的智能仿生應(yīng)用！我們有理由相信智能仿生技術(shù)前景廣闊、潛力無限！讓我們期待機(jī)器人足球隊(duì)隊(duì)?wèi)?zhàn)勝世界杯冠軍隊(duì)的日子早日到來。

參考資料：

1.http://www.fangshengxue.com

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

3.周清艷.淺談智能計算及其研究方法[J].研究與開發(fā)，2009,(371):51-53.