現(xiàn)代制造與仿生學(xué)

劉仁志

0 前 言

當(dāng)代世界的物質(zhì)文明得到了空前發(fā)展，已達(dá)到了驚人的高度。將物質(zhì)組裝成各式各樣的產(chǎn)品供人類(lèi)生產(chǎn)、生活和娛樂(lè)的需要，是人類(lèi)使用材料用于制造的結(jié)果，也是人類(lèi)文明不斷進(jìn)步和發(fā)展的體現(xiàn)。

人類(lèi)經(jīng)歷幾十萬(wàn)年的進(jìn)化，學(xué)會(huì)了利用自然材料制造工具和產(chǎn)品，這是人類(lèi)智慧發(fā)展的重要表現(xiàn)。材料一直是人類(lèi)發(fā)展史中的重要標(biāo)志物，如石器時(shí)代、青銅時(shí)代、鐵器時(shí)代、輕金屬時(shí)代等各時(shí)代制造的工具，很好地反映了當(dāng)時(shí)人類(lèi)的生活水平。工具也是人類(lèi)文明發(fā)展的重要生產(chǎn)力要素，材料和工具加上人的智慧，組成了生產(chǎn)力的三要素。生產(chǎn)力是指人類(lèi)使用工具和材料創(chuàng)造物質(zhì)文明的能力，而最能體現(xiàn)這種能力的是各個(gè)時(shí)代的標(biāo)志性產(chǎn)品。如我們熟悉的蒸汽機(jī)、電動(dòng)機(jī)、汽車(chē)、飛機(jī)、宇宙飛船等，都是具有鮮明時(shí)代特征的產(chǎn)品。手機(jī)也已經(jīng)成為現(xiàn)代文明的一個(gè)重要標(biāo)志，雖然它的體積相比于以前的那些標(biāo)志產(chǎn)品較小，但其在現(xiàn)代社會(huì)中的重要性無(wú)可替代。

除了材料本身，工具和產(chǎn)品也是實(shí)現(xiàn)制造的重要因素。人類(lèi)制造工具和產(chǎn)品的能力，不是憑空而來(lái)，而是在日常社會(huì)生活中學(xué)習(xí)、模仿而來(lái)。教會(huì)人類(lèi)制造工具和產(chǎn)品的是大自然，是生物圈中的眾多生物。生物的結(jié)構(gòu)和行為啟發(fā)了人類(lèi)，人類(lèi)從中分析、學(xué)習(xí)，最后掌握了制造的方法。可以說(shuō)，人類(lèi)的工具和產(chǎn)品的設(shè)計(jì)源于仿生學(xué)。

1 仿生學(xué)

仿生學(xué)是人類(lèi)最早應(yīng)用的學(xué)科之一，但其發(fā)展并最終成為一門(mén)學(xué)科則是近代的事情。

人類(lèi)生存和發(fā)展過(guò)程中的各種工具的創(chuàng)造和使用，都源于自然的啟發(fā)。雷電引起的森林大火讓人類(lèi)認(rèn)識(shí)了火，從而學(xué)會(huì)了用火；水中漂浮的樹(shù)木讓人類(lèi)學(xué)會(huì)了制作獨(dú)木舟；用石器刨挖粗大的樹(shù)干，快速刨動(dòng)引起的高熱導(dǎo)致樹(shù)木碎屑的發(fā)煙起火，啟發(fā)人類(lèi)學(xué)會(huì)了鉆木取火；有邊刺的植物啟發(fā)人類(lèi)發(fā)明了鋸子，乃至近代蒸汽機(jī)的發(fā)明、飛機(jī)的上天等，都是人類(lèi)向自然學(xué)習(xí)和模仿的結(jié)果。

作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，仿生學(xué)正式被提出是在1960年9月。當(dāng)時(shí)，美國(guó)空軍航空局在俄亥俄州的空軍基地戴通組織召開(kāi)了第一次仿生學(xué)會(huì)議，會(huì)議討論的中心議題是“分析生物系統(tǒng)所得到的概念能夠用到人工制造的信息加工系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上去嗎?”。由于飛機(jī)是仿照鳥(niǎo)類(lèi)飛行的原理而仿制出來(lái)的成功的仿生學(xué)案例，因此，這次會(huì)議由空軍航空局組織具有一定的權(quán)威性。對(duì)仿生學(xué)這一學(xué)科十分關(guān)注的美國(guó)空軍J.E斯蒂爾少校為這門(mén)新興的科學(xué)命名為“Bionics”，希臘文的意思是研究生命系統(tǒng)功能的科學(xué)。1963年我國(guó)將“Bionics”譯為“仿生學(xué)”。

斯蒂爾把仿生學(xué)定義為模仿生物原理來(lái)建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或類(lèi)似于生物特征的科學(xué)。簡(jiǎn)言之，仿生學(xué)就是模仿生物行為的科學(xué)。確切地說(shuō)，仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特質(zhì)、功能、能量轉(zhuǎn)換、信息控制等各種優(yōu)異的特性，并把它們應(yīng)用于技術(shù)系統(tǒng)，改善已有的技術(shù)工程設(shè)備，并創(chuàng)造出新的工藝過(guò)程、建筑構(gòu)型、自動(dòng)化裝置等技術(shù)系統(tǒng)的綜合性科學(xué)。

從生物學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，仿生學(xué)屬于“應(yīng)用生物學(xué)”的一個(gè)分支；從工程技術(shù)方面來(lái)看，仿生學(xué)根據(jù)對(duì)生物系統(tǒng)的研究，為設(shè)計(jì)和建造新的技術(shù)設(shè)備提供了新原理、新方法和新途徑。仿生學(xué)的使命就是為人類(lèi)提供最可靠、最靈活、最高效、最經(jīng)濟(jì)的接近于生物系統(tǒng)的技術(shù)系統(tǒng)，為人類(lèi)服務(wù)。因此，仿生學(xué)也是現(xiàn)代制造創(chuàng)新的一個(gè)重要領(lǐng)域。

事實(shí)上，大自然一直是人類(lèi)各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。大自然中許多的生物，特別是動(dòng)物，其生物行為和結(jié)構(gòu)特征都是仿生學(xué)的重要研究對(duì)象。

2 仿生學(xué)應(yīng)用的經(jīng)典型例子

人類(lèi)運(yùn)用聰明的才智和靈巧的雙手，通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)制造工具，從而在自然界里獲得更多的利益和自由。人類(lèi)的智慧不僅僅停留在觀察和認(rèn)識(shí)生物上，還用在人類(lèi)獨(dú)有的思維和設(shè)計(jì)上，通過(guò)模仿生物來(lái)增加自己的本領(lǐng)。其中一個(gè)典型的例子就是，人類(lèi)看到魚(yú)兒在水中自由來(lái)去，就模仿魚(yú)類(lèi)的形體制造出船只。相傳在大禹時(shí)期，我國(guó)古代勞動(dòng)人民觀察到水中的魚(yú)兒通過(guò)尾巴的搖擺來(lái)掌控游動(dòng)轉(zhuǎn)彎和方向，于是模仿它們，在船尾上架置木槳。經(jīng)過(guò)反復(fù)的模仿和實(shí)踐，最后改成櫓和舵。這一新工具的發(fā)明不僅增加了船的動(dòng)力，還讓人們掌握了控制船只轉(zhuǎn)彎的方法，提高了安全航行的能力。

另一個(gè)典型的例子便是人類(lèi)的飛翔之夢(mèng)。在古代，模仿鳥(niǎo)類(lèi)在空中自由飛翔一直是人類(lèi)的夢(mèng)想。我國(guó)古代技術(shù)人才很早就做出過(guò)嘗試。據(jù)《韓非子》記載，魯班用竹木作鳥(niǎo)“成而飛之，三日不下”。人們更希望仿制鳥(niǎo)兒的雙翅使自己也飛翔在空中。于是就有人設(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī)，這是世界上第一架人造飛行器。直至美國(guó)萊特兄弟于1903年制造出他們的“飛行者1號(hào)”，人類(lèi)飛行的夢(mèng)想才最終被實(shí)現(xiàn)。萊特兄弟的成功飛行掀起了席卷世界的航空熱潮，他們的名字也因此被全世界人民記住。

還有潛水艇的發(fā)明也與仿生學(xué)息息相關(guān)。第一次世界大戰(zhàn)時(shí)期，出于軍事上的需要，為使艦艇在水下隱蔽航行，潛水艇應(yīng)運(yùn)而生。這種新型艦艇一經(jīng)出現(xiàn)，就改寫(xiě)了海戰(zhàn)的戰(zhàn)略，直到現(xiàn)在，先進(jìn)的潛艇仍然是評(píng)價(jià)各國(guó)海軍軍事力量的重要戰(zhàn)略指標(biāo)，是大國(guó)爭(zhēng)相研發(fā)的重要軍事裝備。但目前的潛艇技術(shù)還遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到海洋魚(yú)類(lèi)的潛游水平。

當(dāng)初，工程技術(shù)人員學(xué)習(xí)魚(yú)類(lèi)的潛浮能力，在設(shè)計(jì)原始的潛艇時(shí)，先用石塊或鉛塊裝在潛艇上使它下沉。待需要升至水面時(shí)，將攜帶的石塊或鉛塊扔掉，使艇身浮出水面。后期經(jīng)過(guò)多次改裝，采用在潛艇上增加浮箱，利用浮箱交替充水和排水的方法來(lái)改變潛艇的重量，以此達(dá)到潛浮的效果。之后，又逐漸改成壓載水艙，通過(guò)調(diào)節(jié)水艙的壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)下潛和上浮。

此外，聲納也是典型的仿生學(xué)應(yīng)用案例。聲音是人們生活中不可或缺的要素。聲音不僅可以用于交流思想和感情，還可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和軍事技術(shù)中。自潛水艇問(wèn)世以來(lái)，潛艇的追蹤和反追蹤技術(shù)便成為了評(píng)價(jià)各國(guó)海軍軍事力量的重要指標(biāo)。海軍工程師們將聲學(xué)系統(tǒng)作為一個(gè)重要的潛艇位置偵察手段。早期采用的是水聽(tīng)器，也稱(chēng)噪聲測(cè)向儀，它的原理是通過(guò)聽(tīng)測(cè)敵艦航行中所發(fā)出的噪聲來(lái)判斷敵艦的位置。但那時(shí)的水聽(tīng)器功能很不完善，一般只能收到自身艦只的噪聲，想追蹤敵艦位置，則必須減慢艦只航行速度甚至完全停車(chē)，才能準(zhǔn)確接收噪聲信號(hào)并加以分析和判斷，很不利于戰(zhàn)斗行動(dòng)。之后，法國(guó)科學(xué)家郎之萬(wàn)(1872～1946)研究利用超聲波反射的性質(zhì)來(lái)探測(cè)水下艦艇，并取得成功。超聲波偵查的工作原理是利用超聲波發(fā)生器向水中發(fā)出超聲波，超聲波遇到目標(biāo)后便反射回來(lái)，由接收器收到。人們根據(jù)接收回波的時(shí)間間隔和方位，再計(jì)算出目標(biāo)的方位和距離，這便是人們常說(shuō)的聲納系統(tǒng)。人造聲納系統(tǒng)的發(fā)明及在偵察敵方潛水艇方面獲得的突出成果，曾使人們驚嘆不已。但其實(shí)這種“回聲定位”聲納系統(tǒng)是受蝙蝠和海豚的啟發(fā)而發(fā)明出來(lái)的。

最后一個(gè)例子是關(guān)于人們對(duì)于昆蟲(chóng)飛行行為的研究。1903年，當(dāng)人們發(fā)明了飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)了飛上天空的夢(mèng)想之后，飛機(jī)制造工藝仍一直在不斷改進(jìn)，制造出的飛機(jī)不論在速度、高度和飛行距離上都超過(guò)了鳥(niǎo)類(lèi)，顯示了人類(lèi)的智慧和才能。但是在研制飛得更快更高的飛機(jī)時(shí)，設(shè)計(jì)師又碰到了一個(gè)難題，即氣體動(dòng)力學(xué)中的顫振現(xiàn)象。當(dāng)飛機(jī)飛行時(shí)，機(jī)翼發(fā)生有害的振動(dòng)，飛行越快，機(jī)翼的顫振越強(qiáng)烈，甚至使機(jī)翼折斷，造成飛機(jī)墜落。飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?yōu)榇嘶ㄙM(fèi)了巨大的精力研究消除有害的顫振現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的努力才找到解決這一難題的方法，即在機(jī)翼前緣的遠(yuǎn)端上安放一個(gè)加重裝置。這一解決方法源自于蜻蜓的翼眼功能。生物學(xué)家在研究蜻蜓翅膀時(shí)，發(fā)現(xiàn)在每個(gè)翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質(zhì)加厚區(qū)--翼眼或稱(chēng)翅痣。如果把翼眼去掉，蜻蜓就無(wú)法穩(wěn)定飛行。經(jīng)過(guò)分析證明，正是翼眼的角質(zhì)組織使蜻蜓飛行的翅膀消除了顫振的危害。

3 仿生學(xué)的尖端--智能機(jī)器人

人工智能是21世紀(jì)三大尖端技術(shù)（基因工程、納米技術(shù)、人工智能）之一。從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，它將是未來(lái)最重要的技術(shù)之一，而最能體現(xiàn)這一技術(shù)的便是智能機(jī)器人。

人工智能的傳說(shuō)可以追溯到古埃及，但隨著1941年以來(lái)電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，人們已經(jīng)可以創(chuàng)造出機(jī)器智能。 “ 人工智能” （ARTIFICIAL INTELLIGENCE）一詞最初于1956年在DARTMOUTH學(xué)會(huì)上被提出。之后被研究者們持續(xù)研究，并逐漸發(fā)展出多種理論和原理，人工智能的概念也隨之?dāng)U展。在高新科技的發(fā)展過(guò)程中，人工智能的發(fā)展速度相對(duì)較慢，但一直在進(jìn)步。從現(xiàn)世至今，人工智能在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，同時(shí)也帶動(dòng)了其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

如今，我國(guó)是工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用大國(guó)，特別是在汽車(chē)制造業(yè)上，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)非常普及，如汽車(chē)制造中的焊接和涂裝，目前已完全由工業(yè)機(jī)器人承擔(dān)。不僅如此，其他所有大型和批量生產(chǎn)的金屬、非金屬結(jié)構(gòu)的內(nèi)外涂裝幾乎也都是采用機(jī)器人作業(yè)。人工機(jī)器人的廣泛應(yīng)用極大地提高了生產(chǎn)效率，改善了生產(chǎn)環(huán)境，也提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

機(jī)器人在表面工程領(lǐng)域的應(yīng)用將隨著機(jī)器人技術(shù)特別是智能化技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越廣泛和深入，如熱噴涂、粉末噴涂、激光表面處理等都已經(jīng)可以由智能機(jī)器人完成。全自動(dòng)電鍍生產(chǎn)線也在向智能化應(yīng)用發(fā)展。這些智能化技術(shù)的應(yīng)用對(duì)進(jìn)一步改善工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境、提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益都有重大意義。

我們理解的所謂的智能機(jī)器人是一個(gè)獨(dú)特的進(jìn)行自我控制的活物。其實(shí)，這個(gè)自控活物的主要器官并沒(méi)有真正的人那樣微妙而復(fù)雜。智能機(jī)器人具備形形色色的內(nèi)部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)、嗅覺(jué)。除具有感受器外，還有效應(yīng)器。效應(yīng)器就如同筋肉，或稱(chēng)自整步電動(dòng)機(jī)，它能控制手、腳、長(zhǎng)鼻子、觸角開(kāi)展行動(dòng)，是機(jī)器人作用于環(huán)境的手段。由此可知，智能機(jī)器人至少要具備三個(gè)要素：感覺(jué)要素，反應(yīng)要素和思考要素。對(duì)具有三要素的機(jī)器人，我們統(tǒng)稱(chēng)為自控機(jī)器人。它是控制論產(chǎn)生的結(jié)果，控制論主張的是生命和非生命有目的的行為在很多方面是一致的。正像一個(gè)智能機(jī)器人制造者所說(shuō)的，機(jī)器人是一種系統(tǒng)的功能描述，這種系統(tǒng)過(guò)去只能從生命細(xì)胞生長(zhǎng)的結(jié)果中得到，現(xiàn)在它們已經(jīng)成了我們自己能夠制造的東西了。這就是仿生學(xué)的最高境界。

智能機(jī)器人能夠理解人類(lèi)語(yǔ)言，用人類(lèi)語(yǔ)言同操作者對(duì)話，在它自身的意識(shí)中單獨(dú)形成了一種使它得以生存的外界環(huán)境--實(shí)際情況的詳盡模式。它能分析出現(xiàn)的情況，調(diào)整自己的動(dòng)作以達(dá)到操作者所提出的全部要求，能擬定所希望的動(dòng)作，并在信息不充分的情況下和環(huán)境迅速變化的條件下完成這些動(dòng)作。

目前關(guān)于人形機(jī)器人的開(kāi)發(fā)，以日本的研究成果最為矚目，我國(guó)也已經(jīng)開(kāi)始了在高智能機(jī)器人上的布局。相信在未來(lái)的某一天，隨處就能遇到與你擦肩而過(guò)的高智能機(jī)器人。