生物的啟示

前言

　　當(dāng)今世界上存在的千萬種生物，都是經(jīng)過億萬年的適應(yīng)、進(jìn)化、發(fā)展而來的。在自然界的生存競(jìng)爭(zhēng)中，各自發(fā)展出獨(dú)特的生存形態(tài)與方式。當(dāng)觀察鷹擊長(zhǎng)空、魚翔淺底時(shí)，人們會(huì)由衷地感嘆大自然創(chuàng)造的萬物的神奇，產(chǎn)生出美好的遐想和模仿的沖動(dòng)。最初，人們發(fā)現(xiàn)鋒利的茅草葉子會(huì)割破手指，便模仿其鋸齒型結(jié)構(gòu)，造出木工鋸，而這還只是從形態(tài)上的模仿。后來，人們模仿鳥的翅膀制造撲翼滑翔機(jī)，但是這種原始的模仿屢試屢敗。于是進(jìn)行深入研究，發(fā)現(xiàn)了鳥翅翼形的空氣動(dòng)力學(xué)原理，人類才進(jìn)入飛行時(shí)代。這些事例說明，外觀形態(tài)的機(jī)械模仿，還只是簡(jiǎn)單仿生結(jié)構(gòu)。仿生功能還需要進(jìn)行深入的研究，搞清原理，認(rèn)知規(guī)律，然后用工程技術(shù)方法加以實(shí)現(xiàn)。大自然永遠(yuǎn)是我們的老師，鳥類的自由飛翔，啟發(fā)了人類創(chuàng)造飛行器。但是迄今為止，用現(xiàn)代的空氣動(dòng)力學(xué)原理和機(jī)電機(jī)構(gòu)還不能創(chuàng)造出像鳥類和昆蟲那樣輕巧、靈活和節(jié)能的飛行器?！　∵M(jìn)入信息化時(shí)代，人們把電子計(jì)算機(jī)稱為電腦，把自動(dòng)化設(shè)備稱為機(jī)器人。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)與人腦有許多原則差別，自動(dòng)化設(shè)備與人體也有著根本差異。2008年Science上有一期“Robot”?？?，其中有兩篇文章專門談到動(dòng)物及其大腦在結(jié)構(gòu)和功能上對(duì)制造更完美的機(jī)器人的啟示。其中一篇是Edelman所寫，他因免疫學(xué)上的貢獻(xiàn)曾獲1972年諾貝爾獎(jiǎng)，獲獎(jiǎng)后轉(zhuǎn)而研究神經(jīng)系統(tǒng)，近年來對(duì)腦的意識(shí)問題很感興趣，出版了許多著作。他手下有一幫能干的年輕人，把他的設(shè)想用電子硬件實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)出Darwin機(jī)器人，至今已改進(jìn)到Darwin X號(hào)，能自主地學(xué)習(xí)，仿現(xiàn)人腦中海馬的作用，顯示出模仿人類神經(jīng)系統(tǒng)若干功能的前景。文章題目是Learning in and from brain-based devices。大自然是我們?nèi)祟惖睦蠋?，它給我們啟發(fā)、靈感和示范。　　大自然中可以模仿和學(xué)習(xí)的東西實(shí)在太多了，但是由于生物系統(tǒng)的多樣性和復(fù)雜性，從技術(shù)上模仿又難度很大，20世紀(jì)60年代初，生物科學(xué)和技術(shù)科學(xué)都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步后，才誕生了一門嶄新的學(xué)科——仿生學(xué)。國(guó)際和國(guó)內(nèi)，近幾年在力學(xué)和結(jié)構(gòu)仿生、仿生建筑結(jié)構(gòu)、仿生的船舶造型、仿生紅外探測(cè)、仿昆蟲微型飛行器，甚至納米尺度上的仿生微系統(tǒng)方面，都已有工程應(yīng)用和研究探索工作在進(jìn)行。

內(nèi)容概要

仿生學(xué)于1960年由美國(guó)提出后，在國(guó)際上得到了廣泛重視。本書全面介紹了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所從事仿生學(xué)研究40余年的歷史：在貝時(shí)璋指導(dǎo)下，選擇圖像識(shí)別作為研究方向，研究青蛙等動(dòng)物的捕食行為機(jī)理，提出獨(dú)創(chuàng)的數(shù)學(xué)模型，并利用光、機(jī)、電技術(shù)研制成第一臺(tái)仿生裝置——可控小口徑步槍，在打靶試驗(yàn)中取得100%的命中率，達(dá)到當(dāng)時(shí)國(guó)際先進(jìn)水平；同時(shí)還開展了昆蟲復(fù)眼的仿生學(xué)研究，制成平板型復(fù)眼透鏡，和具有鱟眼側(cè)抑制模型的微光電視。此外，還介紹了該所對(duì)邢臺(tái)、唐山等地地震前動(dòng)物行為異常的廣泛深入的調(diào)查，及地震前兆信息（震動(dòng)、電、磁、聲、光等）與行為異常的關(guān)系的機(jī)理研究；以及感官信息加工的多層面研究和有關(guān)人類大腦思維和認(rèn)知等方面的探索研究工作。    本書可供對(duì)仿生學(xué)感興趣的讀者閱讀，并可作為從事視覺信息加工、認(rèn)知神經(jīng)科學(xué)的教學(xué)、科研人員及科學(xué)史研究者的參考讀物。

書籍目錄

序歷史回顧　視覺仿生四十年發(fā)展歷程　貝時(shí)璋先生與仿生學(xué)　歷任研究室主任簡(jiǎn)歷專題文章　目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向、形狀和角速度檢測(cè)的模型　動(dòng)物與地震的關(guān)系　地震前動(dòng)物的異常反應(yīng)　人的雙眼立體視覺　立體視覺的奧秘與演示　感受野的矩陣模型和Gabor模型　鱟眼微光電視　看動(dòng)不看靜的仿生眼——運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)　昆蟲復(fù)眼透鏡的綜合成像　視覺激光防護(hù)和夜視仿生　夜視儀與人眼的匹配　人眼的生理光學(xué)參數(shù)　紫膜的光電轉(zhuǎn)換重大進(jìn)展　果蠅也會(huì)思考　以果蠅為模式，探索學(xué)習(xí)記憶與抉擇的腦機(jī)制　果蠅記憶兩種圖形參數(shù)的生物學(xué)基礎(chǔ)　眼睛掃視抑制的腦內(nèi)神經(jīng)回路被發(fā)現(xiàn)　凹耳蛙聲通訊研究獲得重要進(jìn)展深情回憶　五十年回眸　半世紀(jì)探索的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)——隨筆　回憶理論組　在生物物理研究所理論組的五年　赴邢臺(tái)地震災(zāi)區(qū)工作的回憶　在生物物理所從事仿生學(xué)研究的回憶　萊夏特教授與我的早期仿生學(xué)研究　科研工作的回顧　聶帥批準(zhǔn)我們“歸隊(duì)”　為研究所的蓬勃發(fā)展添磚加瓦附錄　附錄一  大事記　附錄二  出版物　附錄三  學(xué)術(shù)交流　附錄四  學(xué)術(shù)團(tuán)體及學(xué)術(shù)會(huì)議　附錄五  人才培養(yǎng)　附錄六  重大任務(wù)及項(xiàng)目　附錄七  人員名錄編后記

章節(jié)摘錄

　　貝時(shí)璋先生與仿生學(xué)　　一、預(yù)見和推進(jìn)學(xué)科交叉　　早在20世紀(jì)40年代，貝時(shí)璋先生就預(yù)見到與其他學(xué)科的相互滲透與結(jié)合將是生物學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，并把這種預(yù)見付諸于科研與教學(xué)活動(dòng)實(shí)踐，深信把現(xiàn)代物理學(xué)的理論和研究方法引入生物學(xué)領(lǐng)域，必將加深對(duì)生命現(xiàn)象及其本質(zhì)的認(rèn)識(shí)?！　∥锢韺W(xué)和生物學(xué)相互滲透誕生了交叉學(xué)科生物物理學(xué)。當(dāng)生物物理學(xué)作為一門獨(dú)立學(xué)科在國(guó)際上誕生的初期，貝時(shí)璋先生就以戰(zhàn)略科學(xué)家的高瞻遠(yuǎn)矚，于1958年，創(chuàng)建了中國(guó)科學(xué)院生物物理研究所，這是當(dāng)時(shí)世界上少數(shù)幾個(gè)生物物理學(xué)專門研究機(jī)構(gòu)之一。生物物理研究所建所50年來，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用方面都為國(guó)家做出了重大貢獻(xiàn)。同一年，貝時(shí)璋先生又在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)建立了生物物理系，培養(yǎng)生物物理學(xué)研究人才。1980年，又是在他的領(lǐng)導(dǎo)下，團(tuán)結(jié)和組織全國(guó)的生物物理學(xué)領(lǐng)域的科學(xué)家，成立了中國(guó)生物物理學(xué)會(huì)?！　∝悤r(shí)璋先生在生物物理研究所的創(chuàng)建和發(fā)展過程中，極力貫徹多學(xué)科交叉發(fā)展生物學(xué)的指導(dǎo)思想，建立了充分體現(xiàn)學(xué)科交叉優(yōu)勢(shì)的理論生物學(xué)研究組（研究生物控制論、信息論和量子生物學(xué)）、仿生學(xué)研究室、放射生物學(xué)研究室、宇宙生物學(xué)研究室、生物化學(xué)研究室和生物工程技術(shù)研究室；除普通生物學(xué)專業(yè)人員外，還吸收了生理學(xué)、生物化學(xué)、生物物理、普通物理、核物理、理論物理、醫(yī)學(xué)、有機(jī)化學(xué)、分析化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)、數(shù)學(xué)、應(yīng)用數(shù)學(xué)、電子學(xué)、無線電、自動(dòng)控制等16個(gè)學(xué)科、85個(gè)專業(yè)的科技人員，組織起一支多“兵種”的科技隊(duì)伍，這在中國(guó)科學(xué)院乃至全國(guó)的科研機(jī)構(gòu)中都是獨(dú)一無二的。貝時(shí)璋先生對(duì)各研究室、組的工作都進(jìn)行了具體的學(xué)術(shù)指導(dǎo)。 　　……

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