人們根據飛鳥、蟲類和魚類為在飛行或遊動中減少空氣或水的阻力,而逐漸演化生成的合理體形,進行飛機、汽車、潛艇等造型(外形)設計,收到良好效果。蝙蝠具有十分靈敏的“回聲定位”功能的器官,響尾蛇頭部能感覺0.001℃的溫度變化(熱定位),都給人類創造活動以借鑒和啟迪,並研製成各種現代化的儀器,如響尾蛇導彈的製導裝置雷達等。
隨著仿生學的不斷發展,仿生學的研究內容不斷擴大,包括電子仿生、控製仿生、機械仿生、化學仿生、醫學仿生、建築仿生等。仿生法的運用將更加廣泛,人類社會的生產品將更加豐富。
(2)仿生法的主要特征仿生法的主要特征有:首先,仿生法的運用起點高。運用仿生法一般有兩種情況:一是根據要解決的問題去尋找生物界與問
題相似的現象或事物;二是根據生物界一些較奇異的現象,將其原理應用到要解決的問題中去,而引發創造靈感。兩種情況都與生物的某些現象相關,因此,仿生法的研究起點是由生物現象與待解決問題共同形成的,仿生法運用起點高的原因就在於不僅要尋求現象與問題的耦合,而且要對現象、結構、機理作深入的分析研究才能進行創造活動。
例如,蜜蜂采蜜活動範圍為幾十公裏,卻能在任何天氣狀況下準確無誤的飛回蜂巢,辨向能力之強是罕見的,而廣闊的海洋中準確的判定行駛方向也是非常需要的,兩者的結合才構成了仿造蜜蜂辨向功能,創造航海邏盤的思維起點。
第一步,要從蜜蜂之所以有辨向功能的原因入手分析,蜜蜂的複眼具有特殊的結構,能夠看到太陽偏振光的振動方向,而這種方向與太陽的位置有確定關係,所以蜜蜂能隨時辨別太陽的方位確定自身的運動方向,準確無誤地找到蜜源和回巢方向。
第二步,在找到現象原因後,要按照蜜蜂的視覺器官——複眼結構進行分析,尋求對偏振光振動方向感應的機理和定向機理,為進一步發明儀器的結構創造打下結構和原理基礎。
最後,在獲得創造原理的基礎上,根據現在科學技術條件,進行儀器結構功能創造。人們仿造蜜蜂方向的現象與機理,創造出根據天空偏振光導航的航海儀器——“偏光天文羅盤”。應用這種羅盤,即使在黎明、傍晚或陰雲密布看不到太陽的時候,也不會迷失方向,特別是在極地(南、北極)附近高緯度地區磁羅盤不能起作用時完成導航任務。
上述例證也充分證明了仿生法的創造概念或創造題目,其知識含量較高,
知識程度深,技術要求一般都比較精確,因此說仿生法一般具有高研究起點。第二,仿生法創造過程相對較長。仿生法創造過程,是從聯想、類比問題與生物現象偶合,最後形成創造
概念的過程。整個過程需要對問題與生物現象作深入分析研究;不僅要有縝密地啟發、分析過程,而且要認真地概括與綜合。因此,必然需要較長的過程而不同於一般創造的靈感與頓悟。
第三,仿生創造一旦成功都有較好而且意義深遠的成果。
大多數仿生創造成果都屬於高難度、高精度、高水平的創造成果。表麵看來生物表現出來的某種現象可能很小,但是仿生涉及生物的生理機能,就其本身已經是難度較大的研究項目,進一步發展為仿生創造課題創造過程也就長了。
(3)仿生創造的實施步驟與要點仿生法模仿對象主要是生物,是以生物為對象的類比方法。運用仿生法
進行創造要掌握以下幾個要點:首先,明確發明創造的目的或功能,並抽象出具體功能、本質或關鍵問題。其次,根據要解決的問題和自然界的生物學知識,尋找與問題相似的現
象或與功能相似的生物體,有目的的選擇模擬對象。再次,研究生物體的結構、功能和生理機製等。最後,將研究所得的生物資料用分析、歸納、抽象成通用的數學模型或
其他係統模型,進行工程技術實驗以獲取創造成果。
由於仿生法的前提是問題與生物現象的偶合機製,因而創造過程也可以反其道而行之:就是充分注意各種生物現象,從中尋求新奇的現象、可利用的現象,結合現實需要確定仿生課題。對課題目標或功能與選定生物現象進行比較分析,深入研究和爭取求得實用的創造成果。比如,汶川地震
·第三章.創造原理·
搜尋幸存者的工作異常繁重,現行科學的方法是利用搜救犬、熱定位儀等方法。如果能依照仿生原理研製出像響尾蛇一樣蛇形機器人,熱敏感度達到0.001℃且可鑽入地下縫隙中搜救效果一定會更好。
(4)仿生創造類型與實例首先,結構仿生。結構仿生是指在新的創造事物中,仿造某種生物的結構形成或特征的方法。
非洲納米比亞沙漠有一種“取霧甲蟲”,它每天清晨在寒冷的沙丘上倒立,倒豎後腿,霧氣在後腿冷凝成水珠,沿身體流進甲蟲口中,得以補水生存。英國土木工程師克恩斯和蘇聯工業設計師貝爾連受“取霧甲蟲”依照自身肢體結構取水的啟發,聯想到改造沙漠,種植綠色植物使其變為綠洲的問題。他們模仿“取霧甲蟲”設計一種“水甲蟲集水器”,利用日(高溫)夜(低溫)溫差,為植物根部供應水分。設計結構為三根中空鋼“腿”,頂著一個圓筒,圓筒中吊著一把由玻璃纖維(不吸水、光滑)製造的刷子,刷下有個蠟球,作為控製觸發裝置。當霧氣在刷子上凝成水珠後,由蠟球推動的杆子將附滿水滴的刷子拉回筒內。臘球在氣溫上升時會膨脹,因而推動杆子,當溫度繼續上升時,蠟球便脹大至封住圓筒。此時,熾熱的氣溫使圓筒內的水再次蒸發,水汽經中空鋼腿向下流,接觸地麵時再冷凝為水滴,滋潤埋在集水器下麵的耐旱植物種子,使其發芽、生長,綠化沙漠。
蜻蜓和蒼蠅等複眼的角膜具有一種奇特的成像特點,取複眼的角膜在顯微鏡下觀察,盡管在角膜前麵隻放一個目標,通過角膜卻可以看到許多個像。因為這種複眼角膜是由許多六角形的小眼角膜排列構成,而每個小角膜又都能形成一個像。人們從這裏得到啟示(從現象產生創造靈感)模仿這些昆蟲複眼角膜的結構,用許多小的科學透鏡,有規則地排列起來,製成新型光學元件——複眼透鏡。用它作鏡頭製成的“複眼相機”一次可照出千萬張不同的像。這種複眼相機已用於印刷製版和大量複製大規模集成電路中精細的顯微電路,大大地提高了工效與質量。
其次,功能仿生。功能仿生是指在新的創造物中,仿照某種生物的功能(含質量、性能)的方法。
例如:“電子蛙眼”,就是模仿蛙眼的視覺原理創造出來的。蛙眼能敏捷地發現具有特定形狀的運動目標準確地確定目標的位置、運動方向和速度,並能選擇最佳的攻擊時刻。人們根據蛙眼的視覺原理和機能特性,借助電子技術,製成了多種“電子蛙眼”。有一種蛙眼可以像真蛙一樣,從出示給它的各種形狀的物體中識別出類似蒼蠅等昆蟲形狀的物體;這種圖像識別能力,正是雷
達係統所需要的。不斷改進這種電子蛙眼,並把它用到雷達係統中,不僅提
高了雷達係統所需要的抗幹擾能力,而且可以準確地把預定要搜索的目標同
其他物體分開,特別是將目標和背景分開,使顯示屏顯示出清晰的目標。裝
有電子改進了的蛙眼的雷達係統,還有可能根據導彈的飛行特性分清真假導
彈,使人們能及時地攔截真導彈而不被假導彈所迷惑。
再如:金槍魚和電鰻體內有自行控製的發電器官,能發出功率達幾千瓦
的電力,並在自身周圍產生電場。如電場中出現絕緣體與導體,都會引起電
場紊亂,魚也能立刻感覺到這種現象。人們發現這些現象,研究了這種“電
魚雷達”原理,並進一步研製出一種探測潛艇位置的儀器;模仿這種原理製
成的儀器還可以用於探礦。
最後,結構、能量綜合仿生。結構、能量仿生是指在新的創造事物中,
綜合考慮生物的結構形式、特征、功能、性能並進行仿造的方法。
例如:企鵝在南極生存近2000萬年,不斷地進化發展,完全適應了極地
生存條件:水下遊動速度可達36km/h,陸上(冰、雪上)時常步履蹣跚,一
旦遇到險情“跑”起來時速也高達30km。其實,企鵝的“跑”法很特殊,實
質上它是肚腹貼地,用雙腳交替蹬地(冰、雪地麵)形同滑雪用的雪杖,在
雪地上快速滑行。在冰天雪地的南極,地麵附著力極差,普通輪式車輛通行
十分困難,履帶車速度較低,如何創造出適應冰雪路麵的車輛?蘇聯科學院
動物研究所的科學家注意到企鵝快速滑行的狀態,並在其啟發下設計出一種
新型汽車——“企鵝”牌極地越野汽車,這種車寬的底部直接貼在雪麵上,
用輪勺撐動前進行駛速度可達50km/h,是一種較好的結構功能綜合仿生發明。