仿生工程在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用與展望

孫剛　房巖　金丹丹　龍彪　王雪純　杜娟　黃俊江

摘要：作為一門新興的交叉學(xué)科，仿生工程為仿生學(xué)、生物學(xué)和工程學(xué)之間架起了一座溝通橋梁，解決了諸多技術(shù)難題，顯示出強大的生命力和廣闊的應(yīng)用前景。包括結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生、功能仿生、納米仿生在內(nèi)的仿生工程，將大大推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息化、自動化、工廠化、綠色化提供可靠的技術(shù)支持。人工智能將進一步向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域滲透，發(fā)揮更加重要的作用。

關(guān)鍵詞：仿生工程;現(xiàn)代農(nóng)業(yè);結(jié)構(gòu)仿生;功能仿生;材料仿生

中圖分類號：S-1文獻標(biāo)識碼：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200115016

收稿日期：2019-07-03

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（項目編號：31671010）;吉林省自然科學(xué)基金項目（項目編號：20180101280JC）;吉林省教育廳“十三五”科學(xué)技術(shù)項目（項目編號：JJKH20181167KJ）;2019年三明學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目

作者簡介：孫剛（1969-），男，博士，教授。研究方向：生物、生態(tài)界面;通訊作者房巖（1965-），女，博士，教授。研究方向：仿生學(xué)。

引言

地球上已知的生物超過800萬種，經(jīng)過幾十億年的協(xié)同演化，結(jié)構(gòu)和功能完美地適應(yīng)環(huán)境和生存，并為人類提供了無限的設(shè)計靈感。從簡單的細(xì)胞到復(fù)雜的組織、器官、系統(tǒng)，從原始的單細(xì)胞生物到高級的哺乳動物，都存在著多種多樣的控制、調(diào)節(jié)和代謝機制。仿生學(xué)是研究生物的特征和原理、模仿并有效實現(xiàn)生物的結(jié)構(gòu)和功能的一門學(xué)科?？茖W(xué)家越來越認(rèn)識到生物系統(tǒng)和自然系統(tǒng)是新技術(shù)、新發(fā)明、新設(shè)備的設(shè)計源泉，運用數(shù)學(xué)、生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、計算機科學(xué)、系統(tǒng)論、控制論、信息論等理論和方法進行了深入的研究，極大地促進了仿生學(xué)的發(fā)展。仿生學(xué)與工程學(xué)交叉產(chǎn)生的仿生工程，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、航空航天、建筑、日常生活中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。近年來，仿生工程受到了越來越多的關(guān)注，在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料、功能的模擬和優(yōu)化方面，均取得了令人矚目的研究進展。在這一時代背景下，仿生工程對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)無疑是新的發(fā)展機遇。

1結(jié)構(gòu)仿生與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)

仿生設(shè)計在認(rèn)知和模仿自然界、生物界（包括植物、動物、微生物、人類等）外部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，揭示其內(nèi)部的組織方式和運行規(guī)律，為人類的優(yōu)化設(shè)計提供創(chuàng)新啟迪。農(nóng)業(yè)機械的外觀與其使用性能之間直接相關(guān)。目前，農(nóng)用機械的設(shè)計大多忽略外觀表現(xiàn)，僅集中于使用功能，嚴(yán)重缺乏融合力和親和力，農(nóng)民無法獲得良好的使用體驗。將仿生工程技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)用機械的設(shè)計，不僅能夠改善其使用性能，而且使外觀更加美觀、形象，大大增加了人們在使用過程中的親切感。新型仿生農(nóng)機具，如仿生開溝器、仿生深松鏟、仿生犁、仿生圓盤耙、仿生播種器等，已經(jīng)實現(xiàn)了高效、低耗、環(huán)保的效果[3]。

2材料仿生與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)

很多生物具有精巧的結(jié)構(gòu)和特殊的材質(zhì)，可以將生物的各種微觀構(gòu)造特點用于農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計中，能夠更好地滿足生產(chǎn)需求[1]。生活于土壤中的微小動物，體表材料與形貌的共同作用使其減粘脫附[2]，科學(xué)家模仿這種生物表面結(jié)構(gòu)和組成材料，用于農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計中，有效提高了綜合作業(yè)效率。模擬蜣螂頭前部研制的仿生推土機，減阻可達18%以上;模仿土壤動物彈性和蠕動行走方式研制的仿生鏟斗，減阻接近16%，脫土可達60%。仿生犁已在吉林省、黑龍江省大面積耕地應(yīng)用，減阻最高可達15%，實現(xiàn)了顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益[3-5]。

3功能仿生與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)

生物各種優(yōu)異的功能給人們很多設(shè)計的靈感[4]。任露泉院士團隊通過研究發(fā)現(xiàn)，蚯蚓、穿山甲、馬陸、田鼠等土壤動物生活在粘濕環(huán)境中，體表獨特的非光滑結(jié)構(gòu)可以使其脫土，從而提高移動效率和生存概率。根據(jù)生物粗糙表面效應(yīng)開發(fā)了生物防粘和柔性仿生技術(shù)，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計中，取得明顯的減粘降阻效果和可觀的經(jīng)濟效益[5-8]。仿生化肥、仿生農(nóng)藥是仿生學(xué)與化學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)相結(jié)合的應(yīng)用成果，具有低污染、無污染的優(yōu)點。除蟲菊（Pyrethryum cinerariifolium）、魚藤（Derris trifoliata）等植物體內(nèi)富含天然殺蟲物質(zhì)，根據(jù)這些有效成分的結(jié)構(gòu)人工合成的仿生農(nóng)藥，既起到殺蟲的作用，又不會對環(huán)境造成污染。豆科植物可以在常壓、常溫下固定氣態(tài)氮，是由于根瘤菌中固氮酶的存在，模仿生物酶反應(yīng)原理研制的仿生酶，比無機催化劑的效率提高千萬倍，同時降低了物質(zhì)和能源消耗[9]。

4納米仿生與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)

植物中的葉綠體是進行光合作用的主要細(xì)胞器，但葉綠體只能吸收太陽光中的可見光部分，即太陽輻射能僅有50%可以被利用。由麻省理工學(xué)院Strano教授領(lǐng)導(dǎo)的研究團隊，利用脂交換膜滲透方法（Lipid Exchange Envelope Penetration，LEEP），將涂有DNA和核聚糖的高電荷單壁碳納米管（CNTs）和氧化鈰納米顆粒（Nanoceria）整合到活體植物的葉綠體中，這種自組裝的CNTs可以自發(fā)滲透至葉綠體周圍的脂質(zhì)疏水膜內(nèi)，成為植物細(xì)胞中的一部分。該方法可以增強與植物光合作用相關(guān)的電子流（活體植物中可增強30%），這主要是由于碳納米管能增大植物的光捕獲能力;而摻入的氧化鈰納米顆粒則可大大降低葉綠體中過氧化物和其它活性氧族（Reactive Oxygen Species，ROS）的濃度，從而避免葉綠體遭受破壞。這種方法可用于新型納米仿生材料的生產(chǎn)，以增加光合作用活性。研究人員還發(fā)現(xiàn)，單壁碳納米管可以監(jiān)測一氧化氮的近紅外熒光光譜，這也表明植物可被用做光子化學(xué)傳感器。納米仿生技術(shù)的應(yīng)用，將有望穩(wěn)定地、可持續(xù)地提高作物和果蔬的光合作用效率及產(chǎn)量。

5人工智能與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)

人工智能是仿生學(xué)發(fā)展的高端領(lǐng)域，已經(jīng)應(yīng)用到很多領(lǐng)域，如手機、汽車、教育、醫(yī)療等，人臉識別、自動駕駛、虛擬現(xiàn)實已為我們所熟知。作為人類最古老技能之一的農(nóng)業(yè)，也開始與人工智能結(jié)合。智慧農(nóng)業(yè)是智慧生產(chǎn)和智慧經(jīng)濟的重要組成部分，屬于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的高級階段，可實現(xiàn)可視化管理、專家在線指導(dǎo)、精準(zhǔn)化種植等多種功能。例如，在黃瓜收獲的旺季里，由于大小不一、成熟度不同，農(nóng)民每天要花費大量時間按等級分揀，耗時耗力，成本很高[10]。美國Tensor Flow公司開發(fā)了一款基于視覺識別的人工智能系統(tǒng)，給不同的黃瓜拍照，讓人工智能學(xué)習(xí)長成什么樣的黃瓜應(yīng)該分到哪一級，然后在流水線上自動分揀，從而大大提升了分揀效率，讓農(nóng)民能夠更輕松地經(jīng)營農(nóng)場。病蟲害的檢測需要人工巡視，一旦發(fā)現(xiàn)不及時，就會導(dǎo)致農(nóng)作物大片死亡。尤其是在預(yù)報晚疫病、白粉虱等病蟲害上仍顯得力不從心。借助人工智能的分析，可以提供不間斷的監(jiān)測和預(yù)報，農(nóng)場可以及時處理受感染的葉片，減少病蟲害造成的損失[11]。德國一家名為“PEAT”的農(nóng)業(yè)技術(shù)公司研發(fā)了“Plantix”土壤診斷系統(tǒng)，能夠判斷和預(yù)測土壤的營養(yǎng)狀況、潛在缺陷，結(jié)合特定作物品種和栽培模式進行相關(guān)性分析，向農(nóng)戶提供科學(xué)施肥、土壤修整的合理方案，準(zhǔn)確率超過90%[12]。對于發(fā)展中國家而言，智慧農(nóng)業(yè)是消除貧困、實現(xiàn)后發(fā)優(yōu)勢、經(jīng)濟發(fā)展后來居上、實現(xiàn)趕超戰(zhàn)略的主要途徑之一[13]。

6展望

隨著時代的進步，人們對產(chǎn)品品質(zhì)及精神功能的需求愈加強烈，同時也愈加認(rèn)識到生物體形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能中蘊含的設(shè)計靈感?？萍及l(fā)展日新月異，必將深刻影響我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。仿生工程與種植技術(shù)、管理技術(shù)、生物技術(shù)、人工智能技術(shù)、納米技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、遙感技術(shù)等相互融合，對提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水平具有顯著意義。仿生工程自20世紀(jì)90年代以來已經(jīng)取得了飛速的發(fā)展，很多成果已經(jīng)成功滲透到各個領(lǐng)域。在仿生設(shè)計思想和方法的支持下，可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械的智能化、人性化控制，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)化和均勻化作業(yè)。借助納米技術(shù)的迅速發(fā)展，可以更加深入地揭示生物材料宏觀性能與微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展提供可靠的理論依據(jù)。仿生工程技術(shù)將成為新時期農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要元素。

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（責(zé)任編輯賈燦）