关于仿生学的对话 [复制链接]

第5版()
专栏：

关于仿生学的对话
柯言
编者按：这篇文章生动地介绍了一门新兴的学科——仿生学。它分析了工程技术和生物之间的一些联系，说明了这门学科迅速发展的意义，值得大家一读。我们希望科学工作者都来写这样通俗易懂的文章。
甲：夜间真是清凉宜人。
乙：四周是多么安静啊！
甲：什么？你说安静？不，你仔细地看一看，听一听。在广漠无垠的大自然中，多少生命正在欢腾、嬉闹啊！
乙：我什么也看不到，听不见。
甲：不，不！那是你没有真正进入这个奇妙的世界。就在我们面前，溪边蛙鸣，草里虫叫，空中正飞过夜游的归鸟，地上有四出觅食的爬虫……。
乙：哦——，你说的就是这些吗？
甲：是呀！难道这些还不热闹吗！就在我们谈话的这一瞬间，几只飞蛾在扑打灯火，无数蚊蚋在嗡嗡鸣叫。此刻，这些小东西，正在仓惶逃命呢。
乙：难道它们遇见了威胁生命的敌人吗？
甲：可不是！你看前面。在高树和屋檐下，好多蝙蝠正在搜捕它们呢！
乙：在这样漆黑的夜里，蝙蝠怎么会看见这些小虫子呢？
甲：如果靠眼睛，蝙蝠的确看不见它们。但是，蝙蝠的耳和喉，是由一种叫作“声纳”的特殊器官构成的。它能接收超声波。蝙蝠夜间寻路和捕食，就是利用这种“声纳”的作用。据研究，在黑夜里，蝙蝠平均每分钟能捕捉十个蚊子，并且能避开直径半毫米的电线。特别奇妙的是，它在密不透光的山洞中，并不受大风大雨的声音和其他蝙蝠的声音干扰，在外界噪声比信号强两千倍的情况下，也辨别得出从蚊子身上返回来的回声。
乙：在这么强大的敌人面前，飞蛾和蚊蚋哪里还有生存余地啊！
甲：那也不然。事实上，正如你所看见的，飞蛾、蚊蚋并没有从世界上灭绝。它们在同蝙蝠以及其他天敌的长期生存斗争中，也逐渐形成了各种自卫的“本领”。例如飞蛾，虽然它的耳朵只有两个细胞，但是，在充满噪声的情况下，它却能分辨出蝙蝠发出的、几乎是觉察不到的声音。灵敏程度，比目前世界上最好的微音器还高明得多。因此，不等强敌临近，它早就逃之夭夭了。
乙：这真有意思。过去，我也听说过类似的有趣事情。生长在热带的响尾蛇，眼睛和蝙蝠一样，也不很发达，但它也能在夜间灵敏地捕食各种小兽。据说，它捕食主要不靠眼睛，而是靠眼睛和鼻孔之间的一个孔状的热敏器官，能探测红外线。当外界温度变化摄氏千分之一度时，就会使这种器官发生反应。
甲：还有一种海龟，体内也有一个特殊器官，能根据星辰定向，起“导航”作用。这种海龟在无边无涯的海洋中，漂游数千里，而每经过三年，就准确无误地回到原居海滨产卵……。
乙：呀，不好！一只甲虫飞到我的脖子上了。
甲：放掉它吧！你看见吗？它飞得多么敏捷、轻巧啊！科学家曾经研究过这些甲虫的眼睛。那是由许多小眼组合而成的复眼。各个小眼，由于部位不同，看到物体的时间也就有先有后。甲虫就是利用这种巧妙的复眼，来掌握它在空中的飞行方向、速度和高度的。
乙：啊！如果能利用各种生物的特殊本领，来为人类服务，那该多么好啊！
甲：这不仅可能，而且已经部分成为现实了。近年来，由于实际的需要，由于生物学向物理学、化学和各种新技术渗透，出现了一个重要的新领域——仿生学，格外引起人们的重视。
乙：仿生学是研究什么的？
甲：这要从两方面看。从广义的方面看，人类同自然斗争的活动，有很多是直接、间接受到生物界的启示，或者模仿生物界而实现的。人不能象鸟一样在天空飞，但是，人却制造出比鸟类飞得更高、更远的新型飞机和宇宙飞船；人不能象鱼一样在水底游，但是，人却制造出比鱼类游得更深、更远的远洋航船和深水潜艇。从原始的犁、锄、耙，到现代化的遥控装置，人类不正是一步步地把自己的双手，逐渐向远伸延的吗？从最早的望远镜，到现代化的电视、雷达系统，人类不正是一步步地把自己的视力，逐渐朝前伸延的吗？所有这一切，如果追溯根源，都能在技术发展的各个阶段中，找到人同生物界的广泛而密切的联系。
乙：这么说，仿生学真是无所不包的了。
甲：仿生学的研究范围和任务，确实十分广泛，但是就目前国际上所进行的研究工作来看，主要是围绕仿生电子学开展工作。这包括：第一，研究生物体分辨、识别各种各样信息的器官，模拟这些器官，制造各种奇异的分析器和辨识器；第二，研究思维（信息的加工）与记忆（信息的储存方法）的生理过程，模拟复杂的神经活动，制造现代技术无法比拟的超小型以及经济、可靠、能自己修理的控制机器。
乙：你能举出这方面的实例吗？
甲：实例很多。前面我们谈到的蝙蝠、飞蛾、响尾蛇、海龟、甲虫等动物的特殊器官，都已经引起许多科学家的研究兴趣。例如，模仿蝙蝠的声纳机理，正在设计一种新的雷达抗干扰装置。模仿海龟的“导航”机制，也有希望创造一种用于现代航海船只的导航设备。有的科学家模仿飞蛾的听觉系统，打算设计一种新的通信装置。美帝国主义的空对空响尾蛇导弹，显然是从响尾蛇的热敏器官得到启示，研究制造成功的。当然，灵敏度还远不能满足需要。他们还根据西德科学家对甲虫复眼的研究结果，在飞机的头部和尾部各装一个光电管，模仿甲虫的两个小眼；由于两个光电管接收到地面光波的时间、角度不同，就可以测得飞机的速度和高度。
乙：经你一提，我又想起海豕、乌贼和水母，它们利用喷射的方法，能稳妥自如地沉浮于海洋。能不能……
甲：想得对，想得对！有的科学家正从这些动物中得到启示，试图创制一种新型潜艇。目前，有人模仿乌贼，已经制成一个水下喷射装置。研究人类和动物的关节润滑机制，还可能设计出性能优良的润滑机械。甚至象飞蝗和袋鼠的跳跃方式，也引起许多科学家的兴趣。他们希望创造一种能适应地球、月球上不平坦地形的跳跃式车辆。
乙：仿生学研究，有着多么广阔的前途啊！
甲：这还是就低等生物的一般器官而言，至于从人类思维与记忆的生理方面进行研究，模拟复杂的神经活动，那就更是脍炙人口了。
乙：据说，国外已经制成了“神经元”，相当于生物的神经细胞，并在许多方面得到应用。简单的人造“神经元”，市面上已有出售。
甲：不过，从制成神经元，到仿制人的大脑神经系统，还有一段很大的距离。随着控制技术的迅速发展，目前已经研究制造成功不少新的识别机、学习机、逻辑机和控制机。尽管这些机器能够运算复杂的数学算题，能够控制生产过程和运转过程，能够回答问讯、制订计划、统计核算、诊断疾病，把一种语言翻译成另一种语言，甚至能够写出形式上合乎乐理和文法的乐曲、诗歌，以至代替本来只能由人来完成的许多工作，但是，即便最新、最好的机器，也不能与人的大脑神经系统相匹敌。
乙：这就使我不明白了。如果不是我弄错了的话，一台现代的快速数字计算机，平均每秒钟能够完成上百万次十到十五位数字的运算。这种机器，几分钟就能完成一个人需要毕生精力才能完成的工作。难道能说这样的机器还赶不上人吗？
甲：不，不！这只是从某些具体作业方面看，总的来看，情况就截然不同了。首先，人的精密地分析和综合现象的能力，人的神经系统所固有的那种加工信息的巧妙方法，就远远超出了一切机器。人在完成形式逻辑运算方面，的确赶不上现代的快速数字计算机。但是，人并不是兼收并蓄地去加工他所得到的全部信息的。他善于选择、剔除，他具有去粗取精、去伪存真的本领，他只利用那些最重要的、最富特征性的、能够正确说明问题的材料。因而，他也就能够随机应变，巧妙安排。而任何机器，都只能按照人所严格规定的程序工作。在这些程序里，如果发生了任何事先未曾预见到的情况时，机器就会一筹莫展，毫无办法；要么，它继续自发地控制过程，直到发生事故为止；要么，它马上停止工作，使过程不能继续进行。
乙：停止过程，比发生事故还是好一点。
甲：其次，人——其他生物也是这样——接收外界信息的机构，也比任何机器灵巧、完善得多。例如，响尾蛇在捕食小兽时，虽然主要是靠它那能感知红外线的热敏器官，但同时也辅之以眼、耳、鼻、舌，特别是神经细胞的协同动作。这样，就保证了它的行动既准确，又灵敏。而所谓空对空响尾蛇导弹又怎样呢？这种导弹，不过是利用一种红外线探测装置而已。当喷气式飞机向太阳的方向飞行，或者关掉油门作大幅度俯冲时，导弹的红外线探测仪就会失灵，因而也就失去了寻找目标的能力。
乙：这么说来，人在高级神经系统的支配下，利用视觉、嗅觉、听觉、触觉的组合作用，来感知外界的复杂情况，那就更为一切机器所远远不及了。
甲：是这样。再次，人和高等动物的神经系统的高度可靠性，也优于一切机器。还是以人为例吧！大脑的神经细胞有一百到一百五十亿个。由于神经网络的特殊构造，如果其中有几百万个发生故障，整个神经系统仍能照常工作，几乎不受很大影响。但是，一部控制机，在一般情况下，如果任何部件，甚至任何元件（例如电子管、晶体管、电阻器、电容器等）发生故障，抑或任何线路发生断路或短路，整个装置就会停止工作。而且，这种机器愈是复杂，所用的部件、元件、线路也就愈多，因为它们的损坏而使整个装置停止工作的可能性，也就愈大。
乙：人和高等动物的这些无穷奥妙，原来我真没有想到。
甲：还有，从元件的微小程度和工作的经济性方面看，一切生物控制系统，也都无可争辩地胜过所有机器。例如，人脑的这一百到一百五十亿神经细胞，全部体积只有一升半，所需能量不过十瓦左右。而仿制一个大体相当的技术装置，如果用半导体作触发器，在紧紧靠在一起的情况下，它的体积也会达到一万多立米，等于一座长宽各十米、高一百米的摩天大楼；它需要的能量将达到一百万瓩，等于一个现代的大型发电站。
乙：这么说，仿生学大有可为呀！
甲：可不是！作为一门独立的学科，提出仿生学这个名字，还是一九六○年的事，至今只有五年多的历史，但是开展却很快。这的确是一门崭露头角的新学科。目前，许多国家都在开展研究。有的国家，两三年内，科学研究人员就从几百人发展到几千人。有的国家，在军事部门设置了许多专门的科学研究机构。研究范围也相当广泛，分为理论仿生学、工程仿生学和医学仿生学。研究成果，已先后见诸报道和投入使用。不难设想，随着仿生学的研究工作广泛开展，必将会大大促进工程技术、特别是军事工程技术的发展。影响所及，还会扩大到其他许多方面。无怪乎许多科学家纷纷预言，仿生学出现之后，自然科学将发生一次极为广泛、极为深刻的革命，其意义甚至不亚于发明蒸汽机和发现原子能。不论这些预言究竟有多少根据，仅就当前发展而论，仿生学的确在人们面前展现出一幅耀人眼目的前景。
乙：仿生学的范围这么广泛，一般说来，要研究哪几个方面呢？
甲：可以研究的方面确实很多，例如：感觉器。世界上迄今存在的动物，不仅都经受了自然选择的考验，而且逐渐形成了能够适应多种多样生活环境和条件的独特感觉器官。研究各种动物的感觉，例如视觉、嗅觉、听觉以及机械、化学和温度的感觉，就能大大开阔人们的设计思路，解决各种图象识别与测距、测速等问题。又如：神经元和神经网络。神经元（神经细胞）是生物系统、感觉系统和智能系统的基本功能单元和基本结构单元。据研究，它的可靠性是很强的。这方面的研究，有助于设计、制造出性能优异的新元件，从而为制造各种高效、灵活和可靠的电子设备、工程系统提供崭新的设计思想。又如：生物自动调节系统。根据思维与记忆的生理机制，改造现有的自组织机，使之不仅能按照人所严格控制的程序工作，而且在一定程度上，能同人一起，从外界的复杂信息中，进行探索，找寻规律，以至预见未来。
乙：这么看来，仿生学研究，不光是生物学方面的问题，而且也涉及到数学、电子学、自动化、计算技术等多方面的工作。
甲：正是这样。从生物特异官能研究开始，到做出可供工程技术试验的模型，一般要经过三个步骤：一、生物模型；二、数学模型；三、电子模型。没有各有关方面的专业研究力量协同动作，要解决比较复杂的问题，得出过硬的成果，是很困难的。