昆虫结构与仿生学
仿生学是在具有生命意义的希腊文bion上加上具有工程意义的ics而形成的一个词。从1960左右才开始用。生物的功能远远优于任何人工机械，仿生学是一门在工程中实现并有效应用生物功能的学科。比如关于信息接收(感觉功能)、信息传递(神经功能)、自动控制系统等。，这个有机体的结构和功能给了机械设计很大的启发。可以举出仿生学的例子，比如将海豚的体型或皮肤结构(游泳时可以防止体表出现湍流)运用到潜艇的设计原理中。仿生学也被认为是与控制论密切相关的一门学科，控制论主要是将生命现象与力学原理进行比较，并对其进行研究和解释。
苍蝇是细菌的传播者，大家都很讨厌。而苍蝇的翅膀(也叫平衡杆)是“天然的导航仪”，人们模仿它们制作“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞行器上，实现了自动驾驶。蝇眼是一种“复眼”，由30O0多个小眼睛组成。人们模仿它，制成“蝇眼透镜”。“复眼镜头”是由数百个或数千个小镜头按顺序排列而成的，它可以作为镜头制成“复眼相机”，一次可以拍摄数千张完全相同的照片。这种相机已用于印刷制版和复制电子计算机的大量微小电路，大大提高了工作效率和质量。“复眼透镜”是一种新型光学元件，有多种用途。
自然界的各种生物都有哪些奇特的技能？他们的技能给了人类什么启发？人类模仿这些技能可以造出什么样的机器？这里要介绍一门新的科学——仿生学。
仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，是本世纪中叶出现的一门新兴边缘科学。仿生学研究物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植到工程技术中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生和发展到现在短短几十年，其研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了一条独特的技术发展之路，即向生物界要蓝图之路，极大地开阔了人们的视野，显示出强大的生命力。
人体仿生历史悠久。
自古以来，大自然就是人类各种技术思想、工程原理和重大发明的源泉。经过漫长的进化过程，种类繁多的生物群落能够适应环境的变化，从而生存和发展。劳动创造了人类。人类在长期的生产实践中，以其直立的身体、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，促进了神经系统特别是大脑的发育。所以人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有群体。人类通过劳动，用自己的聪明和灵巧的双手制造工具，从而在自然界获得更大的自由。人类的智慧不仅仅停留在对生物世界的观察和认识上，还利用人类特有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性劳动增加技能。鱼有在水中来去自如的能力，所以人们模仿鱼的形状来造船，用木桨模仿鱼鳍。相传早在大禹时期，中国古代的劳动人民就观察到鱼在水中摆动着尾巴游动和转弯，他们就在船尾放上木桨。通过反复观察、模仿、练习，逐渐改为桨舵，增加了船的动力，掌握了翻船的手段。这样，即使在滚滚的河流中，人们也能让船只自由航行。
鸟儿可以展开翅膀，在空中自由飞翔。据《韩非子》记载，鲁班以竹为鸟，“飞成功后，非三日也”。然而，人们更喜欢模仿鸟类的翅膀，让自己在空中飞翔。早在400多年前，意大利人达芬奇和他的助手就仔细解剖鸟类，研究它们的身体结构，仔细观察它们的飞行。设计并制造了一架扑翼飞机，这是世界上第一架人造飞机。
这些模仿生物结构和功能的发明和尝试，可以认为是人类仿生学的先驱和仿生学的萌芽。
发人深省的对比
虽然人类的仿生行为已经有了雏形，但在20世纪40年代之前，人们并没有自觉地把生物作为设计思想和发明的源泉。科学家对生物学的研究仅仅停留在描述生物体的精巧结构和完美功能上。而工程技术人员更多的是依靠自己优秀的智慧、努力和人工发明。他们很少有意识地学习生物学。但以下事实可以说明，人们遇到的一些技术问题，早在几百万年前生物界就出现了，并在进化过程中得到解决。但是，人类并没有从生物界得到应有的启示。
在第一次世界大战期间，潜艇是为了军事需要而建造的，以使船只在水下航行。工程技术人员在设计原始潜艇时，首先在潜艇上放上石块或铅块，使其下沉。如果它需要升到水面，他们会扔掉随身携带的石头或铅块，使船体回到水面。后来经过改进，通过在浮箱中交替注水和排水来改变潜艇的重量。后来改成压载舱，舱体上部有排气阀，下部有注水阀。当水箱装满海水时，船体的重量增加，这样它就可以潜入水中。紧急情况下需要潜水时，还有极速潜水舱。船体潜入水中后，速潜舱内的海水被排出。如果压载舱的一部分装满水，另一部分是空的，潜艇就可以处于半潜状态。当潜艇要上浮时，向水箱中通入压缩空气排出海水，艇内海水重量减轻后，潜艇就可以上浮了。如此优越的机械装置，实现了潜艇的自由沉浮。但是后来发现，鱼的起伏系统比人们发明的要简单得多，鱼的起伏系统只是一个充气的鱼鳔。鱼鳔不是由肌肉控制的，而是靠向鱼鳔内分泌氧气或重吸收鱼鳔内的部分氧气来调节鱼鳔内的气体含量，促进鱼自由沉浮。然而，如此巧妙的鱼的沉浮系统，对潜艇设计师的启发和帮助却为时已晚。
声音是人们生活中不可或缺的元素。通过语言，人们交流思想和感情，优美的音乐使人们享受艺术，工程技术人员也将声学系统应用于工业生产和军事技术，成为最重要的信息之一。潜艇问世以来，随之而来的是水面舰艇如何找到潜艇的位置，防止偷袭；潜艇沉入水中后，还需要准确确定敌舰方位和距离，以便于攻击。所以第一次世界大战期间，在海洋上，在水中和水中对立双方的斗争中，使用了各种手段。海军工程师也将声学系统作为一种重要的侦察手段。首先，水听器，又称噪声测向仪，是通过监听敌舰航行时发出的噪声来发现敌舰的。只要有敌舰在周边海域航行，机器和螺旋桨就会发出噪音，通过水听器可以听到，及时发现敌人。但当时水听器还不完善，一般只能接收到自己船的噪音。要监听敌舰，就必须减慢船速甚至完全停下来，以分辨潜艇的噪音，这不利于作战行动。很快，法国科学家朗之万(1872 ~ 1946)利用超声波反射的性质，成功地探索出水下船只。用超声波发生器向水中发射超声波，如果遇到目标，就会反射回来，被接收器接收。根据接收回波的时间间隔和方向，可以测出目标的方向和距离，这就是所谓的声纳系统。人工声纳系统的发明及其在探测敌方潜艇方面的卓越成就让人们惊叹不已。难道不知道早在人类出现在地球上之前，蝙蝠和海豚就已经自由使用回声定位声纳系统了吗？
长期以来，生物生活在声音环绕的大自然中。它们利用声音寻找食物，躲避敌人的伤害，交配和繁殖。因此，声音是生物的重要信息。意大利人Spalanzanni很久以前就发现蝙蝠可以在完全黑暗的环境中自由飞行，不仅可以躲避障碍物，还可以捕食飞虫。然而，堵住耳朵后，蝙蝠在黑暗中无法行动。面对这些事实，帕兰萨尼提出了一个令人难以接受的结论:蝙蝠可以用耳朵“看”。第一次世界大战结束后，1920年，哈塔伊认为蝙蝠发出的声音信号频率超出了人耳的听觉范围。还指出，蝙蝠定位目标的方法与朗·万智在第一次世界大战中发明的超声波回波法相同。遗憾的是，哈塔伊的提示并没有引起人们的重视，工程师们也无法相信蝙蝠拥有“回声定位”的技术。直到1983采用电子测量仪，才完全确认蝙蝠是通过发射超声波来定位的。但这对雷达和声纳的早期发明已经没有帮助了。
再比如，人们研究昆虫行为太晚了。在达芬奇研究鸟类飞行并制造出第一架飞机的400年后，人们经过长期的反复实践，终于在1903年发明了飞机，让飞上天空的梦想成为现实。由于不断改进，30年后，人的飞机在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类，显示了人类的智慧和天赋。然而，在继续研发速度更快、飞得更高的飞行器的同时，设计师们遇到了另一个难题，那就是气体动力学中的颤振现象。飞机飞行时，机翼振动有害。飞行速度越快，机翼的颤动越强，甚至机翼断裂，导致飞机坠落，许多试飞员丧生。飞机设计者在消除有害的颤振现象上花费了大量精力，也花了很长时间才找到解决这个问题的方法。加重装置放置在机翼前缘的远端，从而消除了有害的振动。然而，昆虫早在3亿年前就在空中飞行，它们也无一例外地受到颤振的危害。经过长期的进化，昆虫已经成功地获得了防止颤振的方法。生物学家在研究蜻蜓翅膀时，发现每只翅膀的前缘上方都有一个深色的角蛋白增厚区域——翼眼或翼痣。如果去掉翼眼，飞行就会变得摇摆。实验证明，正是翼眼的角质组织使蜻蜓的飞行翅膀消除了扑动的危险，这类似于设计者的高超发明。如果设计者先从昆虫身上学习翼眼的功能，得到有利于解决颤振的设计思路，就可以避免长时间的探索和人员牺牲。面对蜻蜓翅膀的目光，飞机设计师有一种相见恨晚的感觉！
这三个例子发人深省，给人很大启发。早在地球上出现人类之前，各种生物就已经在自然界生活了亿万年，并在长期的生存斗争进化中获得了适应自然的能力。生物学研究可以表明，在进化过程中形成的极其精确和完善的机制，使它们具有适应内外环境变化的能力。生物学中有许多卓有成效的技能。如体内的生物合成、能量转换、信息接收和传递、对外界的识别、导航、定向计算和合成等。，展现了很多机器无法比拟的优势。生物的小，灵敏，快速，高效，可靠，抗干扰，真的很神奇。
生物学和技术之间的桥梁
自从1782年詹姆斯·瓦特(1736 ~ 1819)发明蒸汽机以来，人们在生产斗争中获得了巨大的动力。工业技术方面，基本解决了能量转换、控制和利用的问题，引发了第一次工业革命，各种机器雨后春笋般出现。工业技术的发展极大地扩展和增强了人们的体质，把人们从繁重的体力劳动中解放出来。随着科技的发展，人们经历了蒸汽机之后的电气时代，走向了自动化时代。
20世纪40年代电子计算机的出现，为人类科技宝库增添了宝贵的财富。它以可靠高效的技能处理了人们手中数万种信息，把人们从汪洋的数字和信息海洋中解放出来。使用计算机和自动化设备可以使人们在面对复杂的生产程序时变得轻松省力。他们精确地调整和控制生产程序，使产品规格准确无误。然而，自动控制装置是按照人们制定的固定程序工作的，这使得它的控制能力有很大的局限性。自动装置缺乏对外界的分析和灵活反应能力。如果出现任何意外情况，自动装置就会停止工作甚至发生事故，这是自动装置本身的严重缺点。要克服这个缺点，无非是机器各部分之间、机器与环境之间的“沟通”，即自动控制装置具有适应内外环境变化的能力。要解决这个问题，在工程技术上需要如何接受和转化。使用和控制信息的问题。因此，信息的使用和控制已经成为工业技术发展的主要矛盾。如何解决这个矛盾？生物界给人类提供了有益的启示。
为了从生物系统中得到启示，人类需要首先研究生物和技术装置之间是否存在* * *相同的特征。1940出现的调节论，是在一般意义上比较生物和机器。到1944，已经有科学家明确了机器与生物的通信、自动控制、统计力学等一系列问题是一致的。在这种认识的基础上，1947，一门新的学科——控制论应运而生。
控制论来源于希腊语，原意是“转向”。根据控制论的创始人之一诺伯·维纳(1894 ~ 1964)的定义，控制论是“动物和机器中控制和通讯的科学”。虽然这个定义过于简单，只是维纳关于控制论经典著作的一个副标题，但它直接联系了人们对生物和机器的认识。
控制论的基本观点认为，动物(尤其是人)和机器(包括各种通讯、控制、计算的自动化装置)之间存在一定的* * *体，即它们的控制系统中存在一定的* * *相同规律。根据控制论的研究，各种控制系统的控制过程包括信息传递、转换和处理。控制系统的正常运行依赖于正常的信息传输过程。所谓控制系统，是指被控对象和各种控制元件、元器件、电路有机地结合成一个具有一定控制功能的整体。从信息的角度来看，控制系统是一个信息通道的网络或系统。生物体内的机器和控制系统有很多相似之处，因此人们对生物自动化系统产生了极大的兴趣，利用物理、数学甚至技术模型对生物系统进行进一步的研究。因此，控制理论成为连接生物学和工程技术的理论基础。成为生物系统和技术系统之间的桥梁。
生物和机器有明显的相似性，这可以表现在对生物的不同层次的研究上。从简单的单细胞到复杂的器官系统(如神经系统)，都有各种调节和自动控制的生理过程。我们可以把生物体看作是具有特殊能力的机器，它与其他机器的不同之处在于，它也具有适应外界环境和自我繁殖的能力。你也可以把一个有机体比作一个自动化工厂，它的所有功能都遵循力学规律；它的各种结构协调工作；他们可以对某些信号和刺激做出定量反应，他们可以通过像自动控制一样的特殊反馈联系组织，以自控的方式进行自我调节。比如我们体内恒定的体温、正常的血压、正常的血糖浓度，都是体内复杂的自控系统调节的结果。控制论的出现和发展，架起了生物系统和技术系统之间的桥梁，使许多工程师有意识地从生物系统中寻求新的设计思想和原理。所以有一种趋势，工程师主动学习生物科学知识，以便与生物学家在工程技术领域取得成果。
仿生学的研究范围
仿生学的研究范围主要包括:机械仿生学、分子仿生学、能量仿生学、信息与控制仿生学等。
机械仿生是研究和模仿生物的一般结构和精细结构的静态性质，以及生物体内各种成分的相对运动和生物在环境中运动的动态性质。比如模仿壳体建造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的圆柱，不仅可以消除应力特别集中的区域，而且可以用最少的建筑材料承受最大的荷载。军事上模仿海豚皮的凹槽结构，在船体上应用人造海豚皮包，可以减少航行流量，提高速度；
分子仿生学是研究和模拟生物体内酶的催化作用、生物膜的选择性和渗透性、生物大分子或其类似物的分析和合成。例如，在了解了森林害虫舞毒蛾性信息素的化学结构后，合成了一种类似的有机化合物，可以用百万分之一微克的剂量在野外昆虫诱捕器中诱捕并杀死雄性昆虫；
能量仿生学是研究和模仿生物电器官的生物发光、肌肉将化学能直接转化为机械能等生物体内的能量转化过程；
◇信息与控制仿生学是研究和模拟感觉器官、神经元、神经网络等生物体内的信息处理过程和高级中枢的智能活动。例如，基于象鼻虫视动反应的“自相关测速仪”可以测量飞机的着陆速度。根据鲎复眼侧抑制网络的工作原理，研制成功了一些能够增强图像轮廓、提高对比度的装置，从而有助于模糊物体的检测。建立了100多个神经元模型，并在此基础上构造了新的计算机。
模仿人类的学习过程，制造出一种叫做“感知器”的机器，通过训练和改变组件之间连接的权重来学习，从而实现模式识别。此外，它还研究和模拟生物系统中的控制机制，如稳态、运动控制、动物定位和导航以及人机系统的仿生学。
在一些文献中，分子仿生和能量仿生的部分称为化学仿生，而信息和控制仿生的部分称为神经生物学。
仿生学的范围很广，信息与控制仿生学是一个主要领域。一方面是因为自动化发展到智能控制，另一方面是因为生物科学发展到这样一个阶段，研究大脑成为神经科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面——生物模式识别的研究，大脑学习、记忆和思维过程的研究和模拟，生物体内控制的可靠性和协调性等。-是仿生学研究的主要方面。
控制与信息仿生学和生物控制论密切相关。两者都研究生物系统中的控制和信息过程，都使用生物系统的模型。但前者的目的主要是构造实用的人工硬件系统；另一方面，生物控制论从控制论的一般原理和技术科学理论中寻求对生物行为的解释。
类比、模拟和模型方法的最广泛使用是仿生学研究方法的一个突出特点。其目的不是直接复制每一个细节，而是以了解生物系统的工作原理，实现特定功能为中心目的。一般认为仿生学研究有三个相关的方面:生物原型、数学模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，数学模型是二者之间必不可少的桥梁。
由于生物系统的复杂性，弄清一个生物系统的机理需要较长的研究周期，需要较长的时间与多门学科密切合作解决实际问题，这是限制仿生学发展速度的主要原因。
仿生学现象
苍蝇和宇宙飞船
讨厌的苍蝇看似与宏大的航天事业无关，但仿生学却将它们紧密联系在一起。
苍蝇是臭名昭著的“臭东西”，它们随处可见，气味难闻。苍蝇的嗅觉特别灵敏，能闻到几千米外的气味。但是苍蝇没有“鼻子”。它是靠什么来充当嗅觉的？原来，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。
每个“鼻子”只有一个与外界相通的“鼻孔”，里面含有数百个嗅觉神经细胞。如果气味进入鼻孔，这些神经会立即将气味刺激转化为神经电脉冲，并发送到大脑。大脑可以根据不同气味的物质产生的不同神经电脉冲来区分不同气味的物质。因此，苍蝇的触角就像一个灵敏的气体分析仪。
受此启发，仿生学根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能，成功模仿出一种非常奇特的小型气体分析仪。这台仪器的探头不是金属，而是一只活苍蝇。将极细的微电极插入苍蝇的嗅觉神经，引导的神经电信号经电子电路放大后送至分析仪；分析仪一发现有气味物质的信号就能发出警报。这个仪器已经安装在飞船的驾驶舱里，用来检测舱内气体的成分。
这种小型气体分析仪还可以测量潜艇和矿井中的有害气体。这一原理也可用于改进计算机的输入装置和气相色谱分析仪的结构原理。
从萤火虫到人工发光
自从人类发明了电灯，生活变得更加方便和丰富。但是电灯只能将一小部分电能转化为可见光，其余大部分都以热能的形式浪费掉了，电灯的热射线对人的眼睛是有害的。那么，有没有只发光不发热的光源呢？人类又把目光投向了大自然。
在自然界中，许多生物都能发光，如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，而这些动物发出的光不会产生热量，所以也叫“冷光”。
在许多发光的动物中，萤火虫是其中之一。萤火虫大约有65，438+0，500种，它们冷光的颜色有黄绿色、橙色，光的亮度也不一样。萤火虫发出冷光，不仅发光效率高，而且一般比较柔和，适合人眼，光的强度也比较高。因此，生物发光是人类的理想光源。
科学家发现萤火虫的发光装置位于腹部。这种光发射器由三部分组成:发光层、透明层和反射层。发光层有数千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光素酶。在荧光素酶的作用下，荧光素在细胞内水的参与下，与氧化结合发出荧光。萤火虫的发光本质上是化学能转化为光能的过程。
早在20世纪40年代，人们就在对萤火虫的研究基础上创造了荧光灯，极大地改变了人类的照明来源。近年来，科学家首先从萤火虫中分离出纯净的荧光素，然后分离出荧光素酶，再通过化学方法人工合成荧光素。由荧光素、荧光素酶、ATP(三磷酸腺苷)和水组成的生物光源，可以在充满爆炸性气体的矿井中用作闪光灯。由于这种灯没有电源，不会产生磁场，所以在生物光源的照射下，可以用来清除磁性地雷。
现在，人们可以通过混合一些化学物质获得类似生物光的冷光，用于安全照明。
电鱼和伏特电池
自然界很多生物都可以发电，光是鱼类就有500多种。人们把这些能放电的鱼称为“电鱼”。
各种电鱼都有不同的放电技巧。电鳐、电鲶和电鳗的放电能力最强。中型鱼雷能产生70伏左右的电压，而非洲鱼雷能产生高达220伏的电压；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压。有一种南美电鳗能产生高达880伏的电压，被称为电击冠军。据说它能杀死像马这样的大动物。
电鱼放电的奥秘在哪里？经过对电鱼的解剖研究，终于发现电鱼体内有一个奇怪的发电器官。这些发电机由许多半透明的盘状电池组成，称为电板或电盘。由于电鱼的种类不同，发生器的电板形状、位置、数量也不同。电鳗的发生器呈棱形，位于尾棘两侧的肌肉中；鱼雷的发生器形状像一个扁肾，排列在身体中线两侧，有200万个电板。电鲶的发生器起源于某种腺体，位于皮肤和肌肉之间，大约有500万个电板。单个极板产生的电压很弱，但是因为极板多，产生的电压就很大。
电鱼的非凡技能引起了人们极大的兴趣。19世纪初，意大利物理学家伏特设计了世界上最早的基于电鱼发电器官的伏打电池。因为这种电池是根据电鱼的天然发电机设计的，所以被称为“人造电官”电鱼的研究也给了人们这样的启示:如果能成功模仿电鱼的发电器官，那么就能很好地解决舰船和潜艇的动力问题。
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