現代制造與仿生學

劉仁志

0 前 言

當代世界的物質文明得到了空前發展，已達到了驚人的高度。將物質組裝成各式各樣的產品供人類生產、生活和娛樂的需要，是人類使用材料用于制造的結果，也是人類文明不斷進步和發展的體現。

人類經歷幾十萬年的進化，學會了利用自然材料制造工具和產品，這是人類智慧發展的重要表現。材料一直是人類發展史中的重要標志物，如石器時代、青銅時代、鐵器時代、輕金屬時代等各時代制造的工具，很好地反映了當時人類的生活水平。工具也是人類文明發展的重要生產力要素，材料和工具加上人的智慧，組成了生產力的三要素。生產力是指人類使用工具和材料創造物質文明的能力，而最能體現這種能力的是各個時代的標志性產品。如我們熟悉的蒸汽機、電動機、汽車、飛機、宇宙飛船等，都是具有鮮明時代特征的產品。手機也已經成為現代文明的一個重要標志，雖然它的體積相比于以前的那些標志產品較小，但其在現代社會中的重要性無可替代。

除了材料本身，工具和產品也是實現制造的重要因素。人類制造工具和產品的能力，不是憑空而來，而是在日常社會生活中學習、模仿而來。教會人類制造工具和產品的是大自然，是生物圈中的眾多生物。生物的結構和行為啟發了人類，人類從中分析、學習，最后掌握了制造的方法。可以說，人類的工具和產品的設計源于仿生學。

1 仿生學

仿生學是人類最早應用的學科之一，但其發展并最終成為一門學科則是近代的事情。

人類生存和發展過程中的各種工具的創造和使用，都源于自然的啟發。雷電引起的森林大火讓人類認識了火，從而學會了用火；水中漂浮的樹木讓人類學會了制作獨木舟；用石器刨挖粗大的樹干，快速刨動引起的高熱導致樹木碎屑的發煙起火，啟發人類學會了鉆木取火；有邊刺的植物啟發人類發明了鋸子，乃至近代蒸汽機的發明、飛機的上天等，都是人類向自然學習和模仿的結果。

作為一門獨立的學科，仿生學正式被提出是在1960年9月。當時，美國空軍航空局在俄亥俄州的空軍基地戴通組織召開了第一次仿生學會議，會議討論的中心議題是“分析生物系統所得到的概念能夠用到人工制造的信息加工系統的設計上去嗎?”。由于飛機是仿照鳥類飛行的原理而仿制出來的成功的仿生學案例，因此，這次會議由空軍航空局組織具有一定的權威性。對仿生學這一學科十分關注的美國空軍J.E斯蒂爾少校為這門新興的科學命名為“Bionics”，希臘文的意思是研究生命系統功能的科學。1963年我國將“Bionics”譯為“仿生學”。

斯蒂爾把仿生學定義為模仿生物原理來建造技術系統，或者使人造技術系統具有或類似于生物特征的科學。簡言之，仿生學就是模仿生物行為的科學。確切地說，仿生學是研究生物系統的結構、特質、功能、能量轉換、信息控制等各種優異的特性，并把它們應用于技術系統，改善已有的技術工程設備，并創造出新的工藝過程、建筑構型、自動化裝置等技術系統的綜合性科學。

從生物學的角度來說，仿生學屬于“應用生物學”的一個分支；從工程技術方面來看，仿生學根據對生物系統的研究，為設計和建造新的技術設備提供了新原理、新方法和新途徑。仿生學的使命就是為人類提供最可靠、最靈活、最高效、最經濟的接近于生物系統的技術系統，為人類服務。因此，仿生學也是現代制造創新的一個重要領域。

事實上，大自然一直是人類各種技術思想、工程原理及重大發明的源泉。大自然中許多的生物，特別是動物，其生物行為和結構特征都是仿生學的重要研究對象。

2 仿生學應用的經典型例子

人類運用聰明的才智和靈巧的雙手，通過生產運動制造工具，從而在自然界里獲得更多的利益和自由。人類的智慧不僅僅停留在觀察和認識生物上，還用在人類獨有的思維和設計上，通過模仿生物來增加自己的本領。其中一個典型的例子就是，人類看到魚兒在水中自由來去，就模仿魚類的形體制造出船只。相傳在大禹時期，我國古代勞動人民觀察到水中的魚兒通過尾巴的搖擺來掌控游動轉彎和方向，于是模仿它們，在船尾上架置木槳。經過反復的模仿和實踐，最后改成櫓和舵。這一新工具的發明不僅增加了船的動力，還讓人們掌握了控制船只轉彎的方法，提高了安全航行的能力。

另一個典型的例子便是人類的飛翔之夢。在古代，模仿鳥類在空中自由飛翔一直是人類的夢想。我國古代技術人才很早就做出過嘗試。據《韓非子》記載，魯班用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”。人們更希望仿制鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中。于是就有人設計和制造了一架撲翼機，這是世界上第一架人造飛行器。直至美國萊特兄弟于1903年制造出他們的“飛行者1號”，人類飛行的夢想才最終被實現。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。

還有潛水艇的發明也與仿生學息息相關。第一次世界大戰時期，出于軍事上的需要，為使艦艇在水下隱蔽航行，潛水艇應運而生。這種新型艦艇一經出現，就改寫了海戰的戰略，直到現在，先進的潛艇仍然是評價各國海軍軍事力量的重要戰略指標，是大國爭相研發的重要軍事裝備。但目前的潛艇技術還遠沒有達到海洋魚類的潛游水平。

當初，工程技術人員學習魚類的潛浮能力，在設計原始的潛艇時，先用石塊或鉛塊裝在潛艇上使它下沉。待需要升至水面時，將攜帶的石塊或鉛塊扔掉，使艇身浮出水面。后期經過多次改裝，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改變潛艇的重量，以此達到潛浮的效果。之后，又逐漸改成壓載水艙，通過調節水艙的壓力來實現下潛和上浮。

此外，聲納也是典型的仿生學應用案例。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，還可以應用于工業生產和軍事技術中。自潛水艇問世以來，潛艇的追蹤和反追蹤技術便成為了評價各國海軍軍事力量的重要指標。海軍工程師們將聲學系統作為一個重要的潛艇位置偵察手段。早期采用的是水聽器，也稱噪聲測向儀，它的原理是通過聽測敵艦航行中所發出的噪聲來判斷敵艦的位置。但那時的水聽器功能很不完善，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，才能準確接收噪聲信號并加以分析和判斷，很不利于戰斗行動。之后，法國科學家郎之萬(1872～1946)研究利用超聲波反射的性質來探測水下艦艇，并取得成功。超聲波偵查的工作原理是利用超聲波發生器向水中發出超聲波，超聲波遇到目標后便反射回來，由接收器收到。人們根據接收回波的時間間隔和方位，再計算出目標的方位和距離，這便是人們常說的聲納系統。人造聲納系統的發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。但其實這種“回聲定位”聲納系統是受蝙蝠和海豚的啟發而發明出來的。

最后一個例子是關于人們對于昆蟲飛行行為的研究。1903年，當人們發明了飛機，實現了飛上天空的夢想之后，飛機制造工藝仍一直在不斷改進，制造出的飛機不論在速度、高度和飛行距離上都超過了鳥類，顯示了人類的智慧和才能。但是在研制飛得更快更高的飛機時，設計師又碰到了一個難題，即氣體動力學中的顫振現象。當飛機飛行時，機翼發生有害的振動，飛行越快，機翼的顫振越強烈，甚至使機翼折斷，造成飛機墜落。飛機設計師們為此花費了巨大的精力研究消除有害的顫振現象，經過長時間的努力才找到解決這一難題的方法，即在機翼前緣的遠端上安放一個加重裝置。這一解決方法源自于蜻蜓的翼眼功能。生物學家在研究蜻蜓翅膀時，發現在每個翅膀前緣的上方都有一塊深色的角質加厚區--翼眼或稱翅痣。如果把翼眼去掉，蜻蜓就無法穩定飛行。經過分析證明，正是翼眼的角質組織使蜻蜓飛行的翅膀消除了顫振的危害。

3 仿生學的尖端--智能機器人

人工智能是21世紀三大尖端技術（基因工程、納米技術、人工智能）之一。從發展趨勢來看，它將是未來最重要的技術之一，而最能體現這一技術的便是智能機器人。

人工智能的傳說可以追溯到古埃及，但隨著1941年以來電子計算機的發展，人們已經可以創造出機器智能。 “ 人工智能” （ARTIFICIAL INTELLIGENCE）一詞最初于1956年在DARTMOUTH學會上被提出。之后被研究者們持續研究，并逐漸發展出多種理論和原理，人工智能的概念也隨之擴展。在高新科技的發展過程中，人工智能的發展速度相對較慢，但一直在進步。從現世至今，人工智能在許多領域得到了廣泛應用，同時也帶動了其他相關技術的發展。

如今，我國是工業機器人應用大國，特別是在汽車制造業上，工業機器人的應用已經非常普及，如汽車制造中的焊接和涂裝，目前已完全由工業機器人承擔。不僅如此，其他所有大型和批量生產的金屬、非金屬結構的內外涂裝幾乎也都是采用機器人作業。人工機器人的廣泛應用極大地提高了生產效率，改善了生產環境，也提高了產品質量。

機器人在表面工程領域的應用將隨著機器人技術特別是智能化技術的發展，越來越廣泛和深入，如熱噴涂、粉末噴涂、激光表面處理等都已經可以由智能機器人完成。全自動電鍍生產線也在向智能化應用發展。這些智能化技術的應用對進一步改善工業生產環境、提高企業經濟效益和社會效益都有重大意義。

我們理解的所謂的智能機器人是一個獨特的進行自我控制的活物。其實，這個自控活物的主要器官并沒有真正的人那樣微妙而復雜。智能機器人具備形形色色的內部信息傳感器和外部信息傳感器，如視覺、聽覺、觸覺、嗅覺。除具有感受器外，還有效應器。效應器就如同筋肉，或稱自整步電動機，它能控制手、腳、長鼻子、觸角開展行動，是機器人作用于環境的手段。由此可知，智能機器人至少要具備三個要素：感覺要素，反應要素和思考要素。對具有三要素的機器人，我們統稱為自控機器人。它是控制論產生的結果，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。正像一個智能機器人制造者所說的，機器人是一種系統的功能描述，這種系統過去只能從生命細胞生長的結果中得到，現在它們已經成了我們自己能夠制造的東西了。這就是仿生學的最高境界。

智能機器人能夠理解人類語言，用人類語言同操作者對話，在它自身的意識中單獨形成了一種使它得以生存的外界環境--實際情況的詳盡模式。它能分析出現的情況，調整自己的動作以達到操作者所提出的全部要求，能擬定所希望的動作，并在信息不充分的情況下和環境迅速變化的條件下完成這些動作。

目前關于人形機器人的開發，以日本的研究成果最為矚目，我國也已經開始了在高智能機器人上的布局。相信在未來的某一天，隨處就能遇到與你擦肩而過的高智能機器人。