淺談蜜蜂及其仿生領(lǐng)域的發(fā)展

練舒涵，胡福良

（1.浙江大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院工業(yè)設(shè)計(jì)1801班，浙江 杭州 310058；2.浙江大學(xué)動(dòng)物科學(xué)學(xué)院，浙江 杭州 310058）

1 蜜蜂仿生概述

自生命起源至今日，能夠存活的物種都表現(xiàn)出了其對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力。究其根源，每種物種的生理構(gòu)造都直接或間接地表現(xiàn)出了適應(yīng)環(huán)境的強(qiáng)大力量。在我們熟知的達(dá)爾文的自然選擇說(shuō)中便有“物競(jìng)天擇，適者生存”的說(shuō)法，環(huán)境主動(dòng)淘汰了那些不能夠適應(yīng)的生物而選擇性地留下了能夠適應(yīng)的生物。仿生學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，人們開(kāi)始在存活的物種身上尋找其值得我們學(xué)習(xí)的點(diǎn)，再運(yùn)用到我們需要的地方。

據(jù)化石資料，蜜蜂在第三紀(jì)晚始新世地層中已大量發(fā)現(xiàn)。能夠在漫長(zhǎng)的進(jìn)化過(guò)程中存活至今，其對(duì)于人類有著極高的借鑒意義。不論是對(duì)蜜蜂進(jìn)行仿生的研究，還是借此創(chuàng)造出高效與可持續(xù)性的設(shè)計(jì)，人類都正在進(jìn)行著并且持續(xù)進(jìn)行著。

2 蜜蜂仿生領(lǐng)域的現(xiàn)有案例

2.1 蜜蜂個(gè)體的仿生設(shè)計(jì)——以在服裝設(shè)計(jì)上的仿生設(shè)計(jì)為例

對(duì)蜜蜂的外部特征形態(tài)進(jìn)行模擬，就是視覺(jué)仿真中最為直接的一種方式。這種方式在服裝領(lǐng)域上很常見(jiàn)，早在西方拿破侖時(shí)期就將蜜蜂的元素作為皇室權(quán)力的象征運(yùn)用到服裝的設(shè)計(jì)上。后來(lái)設(shè)計(jì)師伊爾莎·斯奇培爾莉用金屬的材料設(shè)計(jì)出了夸張的蜜蜂胸針，更是作為昆蟲(chóng)元素在服裝設(shè)計(jì)上的先驅(qū)。

在服裝設(shè)計(jì)的仿生運(yùn)用上簡(jiǎn)單分為形態(tài)仿真、色彩仿真、結(jié)構(gòu)仿生、材料仿生甚至文化仿生等[1]。以下是每種仿生設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單介紹。

形態(tài)仿真主要是外觀上的模仿，純粹地將蜜蜂原有的形態(tài)作為圖案裝飾來(lái)利用。

色彩仿真則無(wú)需拘泥于輪廓外形這些限制，主要是將蜜蜂背板上黃色與黑色在服裝中巧妙拼搭運(yùn)用。

結(jié)構(gòu)仿真則將蜜蜂的內(nèi)部構(gòu)造抽象出來(lái)，比如抽取肌肉部分或是骨骼部分，再用藝術(shù)的設(shè)計(jì)手法全新地表現(xiàn)出來(lái)。

材料仿真指的是選取表現(xiàn)效果相似的材料來(lái)打造相似的效果，比如蜜蜂的翅膀與服裝中的薄紗設(shè)計(jì)、金龜子的背殼與服裝中的亮片設(shè)計(jì)等。

文化仿真則是將一些文化背景在設(shè)計(jì)中繼承與發(fā)揚(yáng)。據(jù)說(shuō)拿破侖因?yàn)閮簳r(shí)有蜜蜂停留在他的嘴唇上，從此對(duì)蜜蜂格外喜愛(ài)。于是設(shè)計(jì)師便將這蜜蜂設(shè)計(jì)在皇室衣物上，久而久之蜜蜂成為了皇室權(quán)力的象征。蜜蜂在服裝設(shè)計(jì)的歷史里也有了文化背景的色彩。

2.2 對(duì)蜜蜂身體部位的仿生設(shè)計(jì)——以對(duì)復(fù)眼和蜇針的仿生設(shè)計(jì)為例

2.2.1 復(fù)眼仿生[2]

蜜蜂擁有一對(duì)復(fù)眼，而人類擁有的是單眼。復(fù)眼是由很多排布在曲面上的小眼組成的，復(fù)眼的視覺(jué)系統(tǒng)與單眼相比，占據(jù)著更小的體積卻擁有更大的視場(chǎng)，并且對(duì)運(yùn)動(dòng)物體十分敏感，靈敏度也遠(yuǎn)勝于單眼。因此，很多學(xué)者開(kāi)始著手對(duì)復(fù)眼進(jìn)行研究來(lái)尋求在各種領(lǐng)域上的改進(jìn)。最開(kāi)始主要是對(duì)平面型復(fù)眼的研究，但在技術(shù)進(jìn)步的過(guò)程中，仿生曲面復(fù)眼的設(shè)計(jì)被提出。并且在視場(chǎng)圖像重構(gòu)、目標(biāo)快速定位和識(shí)別上取得了重要的進(jìn)展。這些對(duì)于未來(lái)的飛行器和機(jī)器人導(dǎo)航或是各種探測(cè)和跟蹤領(lǐng)域都有著重大的意義，不但是在仿生曲面復(fù)眼系統(tǒng)的研究進(jìn)展上的重要一步，也是在仿生應(yīng)用領(lǐng)域上的重要一步。

2.2.2 針?lè)律鶾3]

蜜蜂的尾部蜇針如圖1所示。我們看到的蜇針的外形是鋒利的，但是我們也可以觀察到一側(cè)是光滑的同時(shí)另一側(cè)有逆針頭方向的三角形凸包狀倒刺，并且倒刺在針尖處最為密集。幾乎所有昆蟲(chóng)的口器以及蜜蜂的蜇針都不是完全光滑的形態(tài)，于是人們借此原理開(kāi)始制作仿生醫(yī)用注射針。

圖1 蜜蜂蜇針的SEM圖片[3]

人們?cè)谧⑸鋾r(shí)對(duì)舒適度的需求不斷提高，為此在注射時(shí)的低阻力便是研究的一個(gè)目標(biāo)。以往我們可能會(huì)想當(dāng)然地認(rèn)為，越是光滑才能實(shí)現(xiàn)越低的注射阻力。而蜜蜂的蜇針不是光滑的，卻能夠在入某個(gè)刺入對(duì)象時(shí)憑借著不光滑的倒刺來(lái)產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦、產(chǎn)生微振動(dòng)來(lái)減小刺入的阻力。

自然帶來(lái)的智慧讓低阻抑菌醫(yī)用注射器的研究取得重大進(jìn)程，人們通過(guò)仿生的方式改變針頭的微觀結(jié)構(gòu)，來(lái)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)在注射時(shí)的無(wú)痛和抑菌。

2.3 對(duì)蜂巢的仿生設(shè)計(jì)

2.3.1 單個(gè)巢房的仿生[4]

蜜蜂在建筑自己的巢房時(shí)采用了緊密排列的正六邊形，除此之外每個(gè)巢房并不是像正六棱柱一樣擁有平的底面，而是創(chuàng)造性地采用了3個(gè)全等的凸出的菱形組件了一個(gè)錐形。這種形體建構(gòu)方式相比正六棱柱或是其他的形體，是形成單位體積所需材料最少的。這就是看似不起眼的蜂巢在結(jié)構(gòu)中蘊(yùn)含的高超智慧。能夠?qū)崿F(xiàn)在擴(kuò)大了內(nèi)部空間的同時(shí)又節(jié)省了所需要的材料。

圖2 建模軟件中展示的蜂巢形體（左）與普通正六棱柱形體（右）對(duì)比

此外，在建筑領(lǐng)域、航空航天領(lǐng)域里，都有對(duì)上述蜂巢結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)運(yùn)用[5]。

蜂巢結(jié)構(gòu)除了空間利用率大之外，還具有隔熱隔音、堅(jiān)固穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在建筑的仿生設(shè)計(jì)中的六角形架構(gòu)也充分地體現(xiàn)了力與美的結(jié)合。外觀簡(jiǎn)潔精致，結(jié)構(gòu)穩(wěn)固高強(qiáng)。

2.3.2 蜂巢整體的仿生

除去立體形態(tài)的仿生運(yùn)用以外，剖面的緊實(shí)的六邊形結(jié)構(gòu)在一種仿生吸引力鞋墊中也得到了運(yùn)用。主要的結(jié)構(gòu)是六邊形的柱狀TPU材料，足弓部位則是實(shí)密的TPU層。其中重心的六邊形孔隙能夠?qū)崿F(xiàn)較好的透氣性。在使用過(guò)程中由于重力的作用和六邊形的孔穴可以讓腳底與TPU材料產(chǎn)生相互的吸附力，增強(qiáng)穩(wěn)固性。這種鞋墊也獲得了國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的實(shí)用新型專利[6]。

同樣獲得專利的還有一種蜜蜂仿生類植保無(wú)人機(jī)[7]，其無(wú)人機(jī)仿蜜蜂形態(tài)設(shè)計(jì)，而其六邊形窗格形態(tài)的基站則為無(wú)人機(jī)提供了?？康牡胤?。這種設(shè)計(jì)不但來(lái)源于自然環(huán)境中的蜜蜂與蜂巢，也同樣出于節(jié)約材料與追求輕便且抗震的目的。

2.4 蜜蜂行為過(guò)程角度的仿生設(shè)計(jì)

圖3 左圖為參考文獻(xiàn)[6]中的鞋墊，右圖為參考文獻(xiàn)[7]中的無(wú)人機(jī)

蜜蜂在自然生活的條件中無(wú)法做到像人類一樣將蜂王漿或是蜂糧冷藏，但是這些物質(zhì)在有蜜蜂的蜂箱里即使是在高溫的夏日里也不會(huì)變質(zhì)。這便說(shuō)明了蜜蜂能夠在常溫甚至高溫的情況下做到給蜂王漿滅菌。

而在以往的對(duì)蜜蜂的花粉制品的處理中，人們棘手的問(wèn)題常常是如何做到給花粉滅菌。我們傳統(tǒng)的熟悉的滅菌方式為加溫，但高溫會(huì)導(dǎo)致花粉制品的蛋白質(zhì)成分變性，從而造成營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的丟失。

于是人們開(kāi)始著手效仿蜜蜂對(duì)花粉的處理方式，模仿其從采集花粉到制作蜂糧的整個(gè)行為過(guò)程，最終研制出了能夠在常溫下對(duì)花粉進(jìn)行提取和滅菌的仿生法加工生產(chǎn)工藝[8]，見(jiàn)圖4。

圖4 參考文獻(xiàn)[8]中的仿生法工藝流程

2.5 對(duì)蜂群的仿生

2.5.1 蜜蜂群體管理上的軟仿生

雖然蜜蜂群體中的個(gè)體是在進(jìn)行著本能性的重復(fù)性工作，而人類社會(huì)中的個(gè)體在進(jìn)行著更加復(fù)雜性的勞動(dòng)，仿佛蜜蜂群體的管理對(duì)人類沒(méi)有什么可借鑒的意義。但是人類的社會(huì)秩序是人類依靠相關(guān)法規(guī)或是秩序而主動(dòng)維持的，而蜜蜂的群體生活規(guī)律卻看上去渾然天成。

于是這種軟仿生便從蜜蜂的群體活動(dòng)入手，將其中蘊(yùn)含的一些基本原理抽象出來(lái)并且在人類的科學(xué)管理中進(jìn)行模擬。再減去蜜蜂本能性的重復(fù)勞動(dòng)，用人類社會(huì)更加復(fù)雜的勞動(dòng)要素取而代之。最終得出了能與蜂群在自然條件下的生活規(guī)律相吻合的科學(xué)勞動(dòng)原則。

研究的結(jié)果即是這3個(gè)基本關(guān)系：PTC關(guān)系、ORA關(guān)系和CMC關(guān)系。

圖5 PTC、ORA、CMC關(guān)系的具體內(nèi)容[9]

相應(yīng)地，每種基本關(guān)系都對(duì)應(yīng)著3個(gè)最佳化的原則。概括性地介紹，就是選擇相互制約的條件高度和諧統(tǒng)一的原則。這種在科學(xué)管理基本原理上的軟仿生，也是人類在科學(xué)管理方面研究中一個(gè)獨(dú)特又有效的切入點(diǎn)。

2.5.2 蜜蜂群體在算法上的仿生

單個(gè)蜜蜂個(gè)體所做的行為是簡(jiǎn)單的重復(fù)性，但是由很多個(gè)體構(gòu)成的蜂群卻表現(xiàn)出了復(fù)雜性與高效性。蜂群總能夠在不同的環(huán)境下迅速適應(yīng)環(huán)境的變化，并且用很高效的方式采集花蜜。

2005年Karaboga將這種高效的行為模式被運(yùn)用到算法中去，實(shí)現(xiàn)了算法上對(duì)蜂群的仿生，這個(gè)算法便是人工蜂群算法[10]。人工蜂群算法模仿了蜜蜂群體的工作原理，采用了多角色分工、協(xié)同工作的機(jī)制，因而也有魯棒性強(qiáng)、適用性廣以及個(gè)體失敗不影響整體任務(wù)的優(yōu)點(diǎn)。因此，蜂群算法憑借其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)得到了較高的重視。許多學(xué)者都在深入研究其算法的優(yōu)化，以及在不同領(lǐng)域中多樣的應(yīng)用。

蜂群算法目前可以應(yīng)用于函數(shù)的優(yōu)化、圖像或是音視頻的處理、人臉識(shí)別、實(shí)體器械制造等方面。并且算法正在不斷的優(yōu)化當(dāng)中，正走向更寬更廣的領(lǐng)域。

3 蜜蜂仿生在設(shè)計(jì)上的未來(lái)展望

人類自誕生以前蜜蜂就已經(jīng)在地球上生存了，人類沒(méi)有一天離開(kāi)了蜜蜂。有說(shuō)法說(shuō)，不是人類在飼養(yǎng)蜜蜂，而是蜜蜂在飼養(yǎng)人類。而這個(gè)飼養(yǎng)，不止是物質(zhì)層面上蜂蜜或是其他花粉制品的飼養(yǎng)，更是在仿生學(xué)上的“飼養(yǎng)”。

人類對(duì)蜜蜂仿生的研究正在不斷向前推進(jìn)，并且已經(jīng)取得了很多可觀的結(jié)果，在各種領(lǐng)域上也正發(fā)揮著重要的作用。而我們已經(jīng)探究了的部分只是冰山一角，蜜蜂更多的秘密還在等待著被我們探索?；蛟S在更加深度的探索之后，能夠帶來(lái)一些全新的改變，轉(zhuǎn)而在更大更廣的領(lǐng)域上大放異彩。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了蜜蜂在仿生領(lǐng)域上的應(yīng)用，不論是蜜蜂個(gè)體還是蜂巢，抑或是它們的行為模式，都能給人類的研究帶來(lái)指導(dǎo)性的作用。

仿生的形式是設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大重要設(shè)計(jì)方式。在設(shè)計(jì)類的課程中也就包含了形式解剖設(shè)計(jì)的內(nèi)容。本次對(duì)蜜蜂的仿生研究除了讓我更加深度地了解蜜蜂以外，也在研究過(guò)程中讓我對(duì)形式解剖的仿生設(shè)計(jì)產(chǎn)生了自己的理解。仿生設(shè)計(jì)并非照搬蜜蜂的表征，在初步的模擬后可以用人類所習(xí)慣的元素加以替代，這樣能夠在吸納仿生優(yōu)勢(shì)的同時(shí)又適應(yīng)人類用戶的使用特點(diǎn)。真正好的設(shè)計(jì)便是如此，能夠廣泛吸納來(lái)自自然或是事物的優(yōu)點(diǎn)，又能夠?qū)⒂脩舻臐撘庾R(shí)行為融合進(jìn)去，實(shí)現(xiàn)“無(wú)意識(shí)”設(shè)計(jì)。

這就要求仿生設(shè)計(jì)需要究其根源，要融入個(gè)人的思考。仿生的主體并非是被“仿”的生，而是主動(dòng)去“仿”的人。相信在未來(lái)，人類也能更好地發(fā)揮自身的主觀能動(dòng)性，探索蜜蜂以及其他自然中的奧秘，并且不斷創(chuàng)造出好的設(shè)計(jì)，促進(jìn)更多領(lǐng)域的繁榮發(fā)展。