1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與分析

國(guó)內(nèi)對(duì)于仿生學(xué)的研究目前主要還是處于一個(gè)較為初期的階段，主要是在機(jī)械仿生學(xué)和化學(xué)仿生學(xué)方面開展研究。研究的重心還是針對(duì)觀察到的生物界的某種生物的特殊能力進(jìn)行機(jī)理分析和模仿。這類例子很多，從陸生動(dòng)物到水生動(dòng)物再到飛禽，從兩棲動(dòng)物到爬行動(dòng)物再到哺乳動(dòng)物，人們都成功地對(duì)各類動(dòng)物的特有能力進(jìn)行了機(jī)理分析并通過模仿獲得這些特殊功能的機(jī)理制造出能為人類服務(wù)的各類產(chǎn)品，并在實(shí)踐中得到應(yīng)用而造福人類。

例如，人們模仿蝙蝠的回聲定位功能發(fā)明了雷達(dá)，模仿蜻蜓的特殊飛行本領(lǐng)發(fā)明了空中懸停飛機(jī)，模仿壁虎的垂直和倒立爬行機(jī)理發(fā)明了能完成夾縫清理和戶外高樓墻壁清理的爬行機(jī)器人，模仿白蟻的巢穴設(shè)計(jì)了冬暖夏涼的節(jié)能建筑。相對(duì)國(guó)內(nèi)而言，國(guó)外對(duì)于仿生學(xué)的研究的領(lǐng)域更寬泛一些。在計(jì)算仿生學(xué)方面取得了一些成果。例如，模仿螞蟻的找食行為提出了蟻群算法，利用收獲蟻的找食行為模式發(fā)現(xiàn)了其與互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的高度相似性。另外，一些學(xué)者在經(jīng)濟(jì)和管理領(lǐng)域也引入了仿生學(xué)原理。例如，通過隱喻和類比的方法，將企業(yè)或是人類生產(chǎn)活動(dòng)隱喻或是類比為某種生物的某種特定行為，然后通過學(xué)習(xí)生物的行為模式來改善企業(yè)的管理模式和人類生產(chǎn)活動(dòng)的模式。

2擬開發(fā)的仿生創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法

然而，文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)關(guān)于如何將仿生原理用于設(shè)計(jì)方法的相關(guān)研究還很少。與人類相比，其他生物的智力相對(duì)較低，可是生物卻能利用其有限的思維能力完成人類用復(fù)雜計(jì)算機(jī)系統(tǒng)都無法完成的設(shè)計(jì)工作。例如，蜜蜂、螞蟻和很多鳥類能夠設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理、外形精美和用料環(huán)保的巢穴，可是它們是如何做到的呢？多年來，人類已經(jīng)行成了一種固定的認(rèn)識(shí)、感知和思維模式，并且倔強(qiáng)地認(rèn)為這種思維模式是唯一正確和高效的。然而，事實(shí)并非如此，其他生物有其特殊的生理結(jié)構(gòu)，他們獲取和處理信息的模式與人類完全不同。他們的設(shè)計(jì)方法也與人類不同。因此，我們應(yīng)該首先分析清楚其他生物獲取和處理信息的方法，特別是它們與人類的不同點(diǎn)，人類可以向它們學(xué)習(xí)從中得到靈感。最終，努力構(gòu)造一種基于以上新的獲取信息和處理信息的模式構(gòu)造一種新的設(shè)計(jì)方法，以改善傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法的單一性和刻板化。

在很多國(guó)際大公司，例如波音和微軟，他們的設(shè)計(jì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是有明顯的階層特點(diǎn)（Hierarchy），任務(wù)層層下放，大系統(tǒng)不斷分割，每一組完成某一特定模塊的設(shè)計(jì)工作，最后各個(gè)組的工作通過接口連接在一起。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法已經(jīng)廣泛為人們所接受，形成了習(xí)慣思維和思維定式，很少有人再去考慮是不是有其他設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)組織形式。然而，自然界中除人類以外的其他生命雖然智力都不如人類，但是它們也經(jīng)過千百萬年的進(jìn)化而得以生存下來，它們進(jìn)化出了它們特有的生存模式和生存本領(lǐng)。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法可以從其他生物的生存方式和行為模式中獲取設(shè)計(jì)靈感，開發(fā)出全新的設(shè)計(jì)方法，該設(shè)計(jì)方法重點(diǎn)在于通過類比或是隱喻方法將需要設(shè)計(jì)的產(chǎn)品的功能與生物完成的某項(xiàng)任務(wù)的過程相對(duì)應(yīng)，模仿生物完成任務(wù)的模式來設(shè)計(jì)產(chǎn)品。下面分別介紹該方法的目標(biāo)、內(nèi)容、關(guān)鍵問題、研究方法、技術(shù)路線和可行性。

1）仿生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的目標(biāo)

通過學(xué)習(xí)和模仿生物的行為模式來設(shè)計(jì)出新產(chǎn)品造福人類。新的設(shè)計(jì)方法具有簡(jiǎn)潔、綠色、環(huán)保和可持發(fā)展的特點(diǎn)。

2）仿生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容

確定需要完成的某項(xiàng)任務(wù)，例如，需要在渾濁的水域?qū)ふ夷繕?biāo)。尋找具有類似功能的生物體原形，例如，鯰魚或是墨魚的捕食動(dòng)作。對(duì)選定的生物體原形的完成任務(wù)的模式和組織過程進(jìn)行全面分析。運(yùn)用類比方法，模仿生物的行為模式，給出設(shè)計(jì)方案。將新的設(shè)計(jì)方法應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中，發(fā)揮其效用。

3）擬解決的關(guān)鍵問題

如何建立正確的生物模型以準(zhǔn)備描述生物的行為模式，模型中要包括生物的信息傳遞模式、能量傳遞模式和機(jī)械運(yùn)動(dòng)模式。如何利用關(guān)鍵問題1得到的生物行為模式信息來構(gòu)建新的更簡(jiǎn)潔、環(huán)保和符合可持續(xù)發(fā)展要求的設(shè)計(jì)方案。

4）擬采用的研究方法

通過對(duì)生物某種行為特性的深入分析，運(yùn)用三維動(dòng)畫軟件模擬生物的行為特征。運(yùn)用MATLAB軟件構(gòu)建生物行為特征的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用比對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法，開發(fā)出新的基于仿生原理的設(shè)計(jì)方法。

5）擬采用的技術(shù)路線

6）可行性分析

仿生學(xué)正式提出是在本世紀(jì)的60年代，經(jīng)過50余年的發(fā)展已經(jīng)涉及到很多領(lǐng)域，并在一些領(lǐng)域發(fā)揮了作用。形成了建筑仿生學(xué)、機(jī)械仿生學(xué)、化學(xué)仿生學(xué)和管理仿生學(xué)等多個(gè)分支。以上研究成果都為我們開展仿生設(shè)計(jì)方法的研究提供了借鑒和基礎(chǔ)理論。相信通過進(jìn)一步深入分析生物行為特型，并結(jié)合過去前人的研究經(jīng)驗(yàn)，以及生物35億年進(jìn)化的成果，我們勢(shì)必能從這無比豐富的寶庫中找到一種區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的新方法。

3結(jié)論

基于生物行為特征，通過對(duì)生物行為特征的分析，獲取其信息、能量和運(yùn)動(dòng)等方面的特性，再通過對(duì)生物行為的模擬，形成較為固定的基于仿生學(xué)原理的新型設(shè)計(jì)方法，為設(shè)計(jì)出更為綠色更符合可持續(xù)發(fā)展要求的產(chǎn)品提供借鑒。

作者：周祖鵬 莫秋云 蔣占四 單位：桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院