仿生技術(shù)-巧奪天工

生物的玄妙是自然的天工開(kāi)物，如同一場(chǎng)數(shù)億年的基因迭代進(jìn)化。在人類(lèi)歷史的發(fā)展過(guò)程中，自然界一直是我們不斷探索和學(xué)習(xí)的對(duì)象。從古代的風(fēng)箏到現(xiàn)代的飛機(jī)，人類(lèi)通過(guò)模仿鳥(niǎo)類(lèi)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(yīng)用于技術(shù)創(chuàng)新的過(guò)程被稱(chēng)為仿生技術(shù)。仿生學(xué)思想在生物學(xué)與技術(shù)之間架起了溝通的橋梁，為解決復(fù)雜的技術(shù)難題提供了源源不斷的開(kāi)闊思路。

仿生技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，可以根據(jù)其研究對(duì)象和目的分為多個(gè)類(lèi)別，包括結(jié)構(gòu)仿生、信息仿生和化學(xué)仿生等。其中，結(jié)構(gòu)仿生是仿生技術(shù)中最為常見(jiàn)的類(lèi)別，涉及模仿生物的物理結(jié)構(gòu)以改善材料和建筑設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出高能量吸收的仿生結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域的輕量化設(shè)計(jì)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(jué)器官神經(jīng)元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及高級(jí)中樞的智能活動(dòng)等方面生物體中的信息處理過(guò)程。而化學(xué)仿生側(cè)重于模仿生物的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，在分子水平上模擬生物體功能，可以應(yīng)用于新材料開(kāi)發(fā)和化學(xué)能源工程等領(lǐng)域，推動(dòng)綠色化學(xué)的發(fā)展。

一、輕量化仿真技術(shù)

目前，深空探測(cè)器、先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)和高超聲速飛行器等航空航天裝備領(lǐng)域，正朝著更長(zhǎng)航時(shí)、更高承載和更高機(jī)動(dòng)性的方向發(fā)展，這使得輕量化技術(shù)變得尤為重要。通過(guò)減輕結(jié)構(gòu)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(jī)動(dòng)性。因此，輕量化技術(shù)成為未來(lái)航空航天裝備發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖 1 應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)制造技術(shù)

研究人員把目光投向了在自然界中經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的進(jìn)化的生物。一些生物形成了與特定環(huán)境高度適應(yīng)的高效功能結(jié)構(gòu)，具備低密度和高強(qiáng)韌的特點(diǎn)。仿生輕量化設(shè)計(jì)借鑒這些獨(dú)特的生物宏微觀結(jié)構(gòu)和尺寸特征，依據(jù)相似性原理，采用仿生設(shè)計(jì)方法來(lái)獲得與原生物相似功能和力學(xué)特征的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖 2 仿生宏觀結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

(a) 王蓮生物學(xué)模型，(b) 葉脈生物學(xué)模型，(c) 蜂窩生物學(xué)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(zhì)多孔結(jié)構(gòu)，具有高強(qiáng)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(jié)構(gòu)，在輕量化和光學(xué)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用；墨魚(yú)骨為具有出色強(qiáng)度和能量吸收能力的多孔微結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)了靈感；竹子的輕質(zhì)、高強(qiáng)韌和高能量吸收效率特點(diǎn)，也為設(shè)計(jì)梯度竹子仿生微結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)，顯著提升了能量吸收能力?？茖W(xué)家們還根據(jù)白金花龜鞘翅表皮層中的纖維排列方式和微觀結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)了仿鞘翅輕質(zhì)高韌夾芯結(jié)構(gòu)，展示出優(yōu)異的韌性，且其承壓能力與蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)相當(dāng)。下面，我們選擇其中趣味性更高的竹子仿生結(jié)構(gòu)展開(kāi)了解。

圖 3 仿生微觀結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用

“千磨萬(wàn)擊還堅(jiān)勁，任爾東西南北風(fēng)?！敝褡釉谏L(zhǎng)過(guò)程中，需要承受自然氣候帶來(lái)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(zhì)、高強(qiáng)度和高韌性的結(jié)構(gòu)。竹子的宏觀結(jié)構(gòu)為細(xì)長(zhǎng)的中空?qǐng)A管，帶有竹節(jié)，增加了強(qiáng)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(xì)胞在外層分布密集，內(nèi)層稀疏，從而提高了強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

研究人員受到竹子結(jié)構(gòu)及其優(yōu)異力學(xué)性能的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了多種仿竹結(jié)構(gòu)的吸能管。調(diào)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(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度和能量吸收能力。這些設(shè)計(jì)通過(guò)模仿竹子的壁厚梯度、竹節(jié)結(jié)構(gòu)和纖維束排列，大大提升了吸能特性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

二、生物視覺(jué)的仿真

在軍事領(lǐng)域，戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與信息交錯(cuò)復(fù)雜。這使得武器裝備也需要適應(yīng)新時(shí)代的環(huán)境，武器系統(tǒng)的發(fā)展一定是智能化、精準(zhǔn)化與小型化。而基于生物視覺(jué)的仿生目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)正是應(yīng)對(duì)這一需求的重要手段之一。通過(guò)模擬生物眼睛的視覺(jué)原理，仿生技術(shù)能夠顯著提升目標(biāo)檢測(cè)的精度和效率，再通過(guò)深度學(xué)習(xí)等技術(shù)進(jìn)一步解決傳統(tǒng)目標(biāo)檢測(cè)在小目標(biāo)識(shí)別、視場(chǎng)范圍和背景干擾方面的不足，在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中提供更精準(zhǔn)和可靠的監(jiān)測(cè)手段。

在自然界的動(dòng)物中，鷹屬于中型猛禽中的隼科鳥(niǎo)類(lèi)，其視力可以媲美1.5倍到2倍的望遠(yuǎn)鏡，能夠從1500米高空發(fā)現(xiàn)地面上的小目標(biāo)，如兔子和蛇。這些視覺(jué)特點(diǎn)與其獨(dú)特的生理結(jié)構(gòu)和功能密不可分。各國(guó)在鷹眼視覺(jué)仿生方面進(jìn)行了大量研究。通過(guò)大量的研究表，人們發(fā)現(xiàn)了鷹眼結(jié)構(gòu)的獨(dú)特秘密。

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

圖 4 鷹眼結(jié)構(gòu)

鷹眼與其他眼睛在視網(wǎng)膜結(jié)構(gòu)上也有所不同，具有兩個(gè)中央凹結(jié)構(gòu)，分別為正中央凹和側(cè)中央凹。這兩個(gè)中央凹極大地提升了鷹眼的視覺(jué)靈敏度和視場(chǎng)范圍，使其能夠在高空中迅速發(fā)現(xiàn)地面上的小目標(biāo)。鷹眼的視網(wǎng)膜上密布著大量的光感受器，尤其是視錐細(xì)胞，其密度遠(yuǎn)高于人眼，使鷹在白天活動(dòng)時(shí)擁有極高的視覺(jué)敏銳度。

圖 5 鷹眼視場(chǎng)圖

基于上述結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，通過(guò)仿生技術(shù)模仿鷹眼的特殊生理結(jié)構(gòu)和視覺(jué)處理機(jī)制，開(kāi)發(fā)出先進(jìn)的仿生目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)。仿生鷹眼系統(tǒng)通過(guò)大視場(chǎng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)可疑目標(biāo)，再通過(guò)小視場(chǎng)系統(tǒng)將目標(biāo)與背景分離并進(jìn)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(jué)信息，使其在復(fù)雜環(huán)境中能夠精準(zhǔn)識(shí)別和鎖定目標(biāo)。

圖 6 仿鷹眼設(shè)計(jì)流程圖

在神在形，形在神在。仿生技術(shù)通過(guò)模仿自然界中生物的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和功能，為解決復(fù)雜的技術(shù)難題提供了新的思路。未來(lái)，仿生技術(shù)將繼續(xù)從自然界中汲取靈感，實(shí)現(xiàn)天然自然界與人工自然界的和諧發(fā)展，為人類(lèi)提供更多福祉。

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作者：蔡文垂 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所 研究生

審核：吉愛(ài)紅 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授