仿生工程在現代農業中的應用與展望

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科，仿生工程為仿生學、生物學和工程學之間架起了一座溝通橋梁，解決了諸多技術難題，顯示出強大的生命力和廣闊的應用前景。包括結構仿生、材料仿生、功能仿生、納米仿生在內的仿生工程，將大大推動現代農業的發展，為農業生產信息化、自動化、工廠化、綠色化提供可靠的技術支持。人工智能將進一步向農業領域滲透，發揮更加重要的作用。

關鍵詞：仿生工程;現代農業;結構仿生;功能仿生;材料仿生

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

收稿日期：2019-07-03

基金項目：國家自然科學基金項目（項目編號：31671010）;吉林省自然科學基金項目（項目編號：20180101280JC）;吉林省教育廳“十三五”科學技術項目（項目編號：JJKH20181167KJ）;2019年三明學院大學生創新訓練項目

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

引言

地球上已知的生物超過800萬種，經過幾十億年的協同演化，結構和功能完美地適應環境和生存，并為人類提供了無限的設計靈感。從簡單的細胞到復雜的組織、器官、系統，從原始的單細胞生物到高級的哺乳動物，都存在著多種多樣的控制、調節和代謝機制。仿生學是研究生物的特征和原理、模仿并有效實現生物的結構和功能的一門學科。科學家越來越認識到生物系統和自然系統是新技術、新發明、新設備的設計源泉，運用數學、生物學、化學、物理學、計算機科學、系統論、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的發展。仿生學與工程學交叉產生的仿生工程，在工業、農業、軍事、航空航天、建筑、日常生活中展現出廣闊的應用前景。近年來，仿生工程受到了越來越多的關注，在形態、結構、材料、功能的模擬和優化方面，均取得了令人矚目的研究進展。在這一時代背景下，仿生工程對現代農業無疑是新的發展機遇。

1結構仿生與現代農業

仿生設計在認知和模仿自然界、生物界（包括植物、動物、微生物、人類等）外部結構的基礎上，揭示其內部的組織方式和運行規律，為人類的優化設計提供創新啟迪。農業機械的外觀與其使用性能之間直接相關。目前，農用機械的設計大多忽略外觀表現，僅集中于使用功能，嚴重缺乏融合力和親和力，農民無法獲得良好的使用體驗。將仿生工程技術應用于農用機械的設計，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，已經實現了高效、低耗、環保的效果[3]。

2材料仿生與現代農業

很多生物具有精巧的結構和特殊的材質，可以將生物的各種微觀構造特點用于農業機械的設計中，能夠更好地滿足生產需求[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]，科學家模仿這種生物表面結構和組成材料，用于農業機械的設計中，有效提高了綜合作業效率。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用，減阻最高可達15%，實現了顯著的經濟效益和環境效益[3-5]。

3功能仿生與現代農業

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

4納米仿生與現代農業

植物中的葉綠體是進行光合作用的主要細胞器，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。由麻省理工學院Strano教授領導的研究團隊，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可以自發滲透至葉綠體周圍的脂質疏水膜內，成為植物細胞中的一部分。該方法可以增強與植物光合作用相關的電子流（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，以增加光合作用活性。研究人員還發現，單壁碳納米管可以監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傳感器。納米仿生技術的應用，將有望穩定地、可持續地提高作物和果蔬的光合作用效率及產量。

5人工智能與現代農業

人工智能是仿生學發展的高端領域，已經應用到很多領域，如手機、汽車、教育、醫療等，人臉識別、自動駕駛、虛擬現實已為我們所熟知。作為人類最古老技能之一的農業，也開始與人工智能結合。智慧農業是智慧生產和智慧經濟的重要組成部分，屬于農業領域的高級階段，可實現可視化管理、專家在線指導、精準化種植等多種功能。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公司開發了一款基于視覺識別的人工智能系統，給不同的黃瓜拍照，讓人工智能學習長成什么樣的黃瓜應該分到哪一級，然后在流水線上自動分揀，從而大大提升了分揀效率，讓農民能夠更輕松地經營農場。病蟲害的檢測需要人工巡視，一旦發現不及時，就會導致農作物大片死亡。尤其是在預報晚疫病、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測和預報，農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”的農業技術公司研發了“Plantix”土壤診斷系統，能夠判斷和預測土壤的營養狀況、潛在缺陷，結合特定作物品種和栽培模式進行相關性分析，向農戶提供科學施肥、土壤修整的合理方案，準確率超過90%[12]。對于發展中國家而言，智慧農業是消除貧困、實現后發優勢、經濟發展后來居上、實現趕超戰略的主要途徑之一[13]。

6展望

隨著時代的進步，人們對產品品質及精神功能的需求愈加強烈，同時也愈加認識到生物體形態、結構和功能中蘊含的設計靈感。科技發展日新月異，必將深刻影響我國農業的發展。仿生工程與種植技術、管理技術、生物技術、人工智能技術、納米技術、數字技術、遙感技術等相互融合，對提高現代農業水平具有顯著意義。仿生工程自20世紀90年代以來已經取得了飛速的發展，很多成果已經成功滲透到各個領域。在仿生設計思想和方法的支持下，可實現農業機械的智能化、人性化控制，保證農業生產的精準化和均勻化作業。借助納米技術的迅速發展，可以更加深入地揭示生物材料宏觀性能與微觀結構之間的關系，為現代農業技術的發展提供可靠的理論依據。仿生工程技術將成為新時期農業現代化的重要元素。

參考文獻

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（責任編輯賈燦）