仿生技術-巧奪天工

生物的玄妙是自然的天工開物，如同一場數(shù)億年的基因迭代進化。在人類歷史的發(fā)展過程中，自然界一直是我們不斷探索和學習的對象。從古代的風箏到現(xiàn)代的飛機，人類通過模仿鳥類的飛行掌握了翱翔天空的秘密。這種從自然界汲取靈感并應用于技術創(chuàng)新的過程被稱為仿生技術。仿生學思想在生物學與技術之間架起了溝通的橋梁，為解決復雜的技術難題提供了源源不斷的開闊思路。

仿生技術的應用范圍廣泛，可以根據其研究對象和目的分為多個類別，包括結構仿生、信息仿生和化學仿生等。其中，結構仿生是仿生技術中最為常見的類別，涉及模仿生物的物理結構以改善材料和建筑設計，開發(fā)出高能量吸收的仿生結構，可以應用于航空航天領域的輕量化設計中。信息仿生則主要借鑒生物的信息處理系統(tǒng)，研究與模擬感覺器官神經元與神經網絡以及高級中樞的智能活動等方面生物體中的信息處理過程。而化學仿生側重于模仿生物的化學反應機制，在分子水平上模擬生物體功能，可以應用于新材料開發(fā)和化學能源工程等領域，推動綠色化學的發(fā)展。

一、輕量化仿真技術

目前，深空探測器、先進戰(zhàn)機和高超聲速飛行器等航空航天裝備領域，正朝著更長航時、更高承載和更高機動性的方向發(fā)展，這使得輕量化技術變得尤為重要。通過減輕結構重量，可以顯著減少飛行器的燃料消耗，提升其續(xù)航能力和機動性。因此，輕量化技術成為未來航空航天裝備發(fā)展的關鍵技術之一。

圖 1 應用于航空航天結構的輕量化設計制造技術

研究人員把目光投向了在自然界中經過億萬年的進化的生物。一些生物形成了與特定環(huán)境高度適應的高效功能結構，具備低密度和高強韌的特點。仿生輕量化設計借鑒這些獨特的生物宏微觀結構和尺寸特征，依據相似性原理，采用仿生設計方法來獲得與原生物相似功能和力學特征的結構設計。

圖 2 仿生宏觀結構及其應用

(a) 王蓮生物學模型，(b) 葉脈生物學模型，(c) 蜂窩生物學模型

(d)基于王蓮的仿生模型，(e)基于葉脈的仿生模型，(f)基于蜂窩的仿生模型

骨骼是一種典型的輕質多孔結構，具有高強度和耐沖擊的特性；蝴蝶翅膀在納米尺度下展示出三周期極小曲面多孔結構，在輕量化和光學領域有廣泛應用；墨魚骨為具有出色強度和能量吸收能力的多孔微結構貢獻了靈感；竹子的輕質、高強韌和高能量吸收效率特點，也為設計梯度竹子仿生微結構提供了依據，顯著提升了能量吸收能力?？茖W家們還根據白金花龜鞘翅表皮層中的纖維排列方式和微觀結構特征設計了仿鞘翅輕質高韌夾芯結構，展示出優(yōu)異的韌性，且其承壓能力與蜂窩夾芯結構相當。下面，我們選擇其中趣味性更高的竹子仿生結構展開了解。

圖 3 仿生微觀結構及其應用

“千磨萬擊還堅勁，任爾東西南北風?！敝褡釉谏L過程中，需要承受自然氣候帶來的載荷以及自身的重量。為了抵抗這些載荷并降低能量消耗，竹子形成了輕質、高強度和高韌性的結構。竹子的宏觀結構為細長的中空圓管，帶有竹節(jié)，增加了強度和抗壓能力。微觀上，竹子具有梯度分布特性，竹壁的維管束和組織細胞在外層分布密集，內層稀疏，從而提高了強度和穩(wěn)定性。

研究人員受到竹子結構及其優(yōu)異力學性能的啟發(fā)，設計了多種仿竹結構的吸能管。調整吸能管壁厚和增加橫向隔板，可以提高吸能效率和壓潰效率，減少峰值力。組合多層管壁和橫向肋板，則增強了結構的抗拉強度和能量吸收能力。這些設計通過模仿竹子的壁厚梯度、竹節(jié)結構和纖維束排列，大大提升了吸能特性和結構強度。

二、生物視覺的仿真

在軍事領域，戰(zhàn)場環(huán)境與信息交錯復雜。這使得武器裝備也需要適應新時代的環(huán)境，武器系統(tǒng)的發(fā)展一定是智能化、精準化與小型化。而基于生物視覺的仿生目標檢測技術正是應對這一需求的重要手段之一。通過模擬生物眼睛的視覺原理，仿生技術能夠顯著提升目標檢測的精度和效率，再通過深度學習等技術進一步解決傳統(tǒng)目標檢測在小目標識別、視場范圍和背景干擾方面的不足，在復雜戰(zhàn)場環(huán)境中提供更精準和可靠的監(jiān)測手段。

在自然界的動物中，鷹屬于中型猛禽中的隼科鳥類，其視力可以媲美1.5倍到2倍的望遠鏡，能夠從1500米高空發(fā)現(xiàn)地面上的小目標，如兔子和蛇。這些視覺特點與其獨特的生理結構和功能密不可分。各國在鷹眼視覺仿生方面進行了大量研究。通過大量的研究表，人們發(fā)現(xiàn)了鷹眼結構的獨特秘密。

相較于人眼，鷹眼更圓且擁有較大的瞳孔以增加進光量。高速飛行時，鷹眼的眼瞼和瞬膜能保護眼睛不受傷害，并保持清晰的視覺。同時，鷹眼內部的梳膜結構能有效減少散射光的干擾，使其在強光下依然保持高視覺靈敏度。

圖 4 鷹眼結構

鷹眼與其他眼睛在視網膜結構上也有所不同，具有兩個中央凹結構，分別為正中央凹和側中央凹。這兩個中央凹極大地提升了鷹眼的視覺靈敏度和視場范圍，使其能夠在高空中迅速發(fā)現(xiàn)地面上的小目標。鷹眼的視網膜上密布著大量的光感受器，尤其是視錐細胞，其密度遠高于人眼，使鷹在白天活動時擁有極高的視覺敏銳度。

圖 5 鷹眼視場圖

基于上述結構基礎，通過仿生技術模仿鷹眼的特殊生理結構和視覺處理機制，開發(fā)出先進的仿生目標檢測系統(tǒng)。仿生鷹眼系統(tǒng)通過大視場系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)可疑目標，再通過小視場系統(tǒng)將目標與背景分離并進行跟蹤。這一系統(tǒng)不僅具備圖像獲取功能，還能高效處理視覺信息，使其在復雜環(huán)境中能夠精準識別和鎖定目標。

圖 6 仿鷹眼設計流程圖

在神在形，形在神在。仿生技術通過模仿自然界中生物的獨特結構和功能，為解決復雜的技術難題提供了新的思路。未來，仿生技術將繼續(xù)從自然界中汲取靈感，實現(xiàn)天然自然界與人工自然界的和諧發(fā)展，為人類提供更多福祉。

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文章由科普中國-創(chuàng)作培育計劃出品，轉載請注明來源。

作者：蔡文垂 中國科學院長春光學精密機械與物理研究所 研究生

審核：吉愛紅 南京航空航天大學機電學院教授