人类生活及其仿生学初探

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吉林大学 工程仿生教育部重点实验室,长春 130022

通讯作者：任露泉(1944-),男,教授,博士生导师,中国科学院院士.研究方向:工程仿生学.E-mail:lqren@jlu.edu.cn

作者简介:梁云虹(1979-),女,副教授,博士.研究方向:工程仿生科学.E-mail:liangyunhong@jlu.edu.cn

Key Laboratory of Bionic Engineering,Ministry of Education, Jilin University, Changchun 130022, China

Keyword:engineering bionics;daily life;humanities life;ontology life;bionic in life;life model

0 引 言

目前, 仿生学正以其无穷的创新活力促动着相关科学和技术快速发展, 引领着一次又一次的技术变革, 成为发展最快、应用最广的前沿交叉学科之一。在实际需求的驱动、科学推动以及相关任务的促动下, 现代仿生学已经远远超出传统仿生学研究的范围和深度, 不仅从工程技术领域扩展到人文社科领域, 仿生模本也从生物拓展到生活、生境以及大自然, 而且仿生模拟实现了非生物制造与生物制造的紧密结合, 包含自然或人造生命及其组件的人工制品不断涌现, 这些都是前所未有的, 将会对正在孕育的新的科技革命和工业革命产生不可估量的影响[1]。

仿生学技术发明的源头在于仿生模本, 在交叉学科的渗透和影响下, 仿生模本的研究范围在不断地丰富和拓展, 已不再是仅仅模拟生物, 还注重对人类生活以及人类与生物的生存环境(生境)所发生的一些现象进行探索, 将一切对人类有用的信息进行仿生尝试, 尤其是将生活和生境作为生活模本和生境模本, 同生物模本一样进行仿生模拟。生活模本就是人类各种生活中所呈现的生活现象, 例如, 人类日常生活、人文生活和本体生活中处处充满生活智慧、生活艺术与生活哲理, 解析这些生活现象和生活密码, 将其作为生活模本, 人类设计出了许多实实在在的、更贴近人类物质需要和精神需求的仿生制品, 创造出了更多具有人文底蕴、充分展现生活艺术的仿生作品。现今, 人类各种生活中所呈现的生活现象已成为人类研究仿生制品的灵感源头之一, 是仿生学的重要资源。

本文阐释了人类日常生活、人文生活和本体生活中所展现的智慧、艺术和哲理, 这些正在成为人类最尖端、最前沿技术发明的源泉, 成为仿生学原始创新的新领域, 推动仿生制品向着更智能化、人文化的方向发展。

1 人类生活及其方式

1.1 生活的含义

生活是指人类和生物为生存和发展而进行的各种活动。对于生物而言, 生活是其为了生存和延续后代所必需进行的本能性的生计活动; 而对于人类, 生活则是在生物基础上又包括了更高层次的物质活动、精神活动和社会活动。人类生活包括日常生活、人文生活和本体生活。

1.1.1 日常生活

日常生活是指人们吃、穿、住、行、劳动、工作、学习、休闲等各种活动和行为的总和, 是人类生存和发展的根本保障。日常生活中的点点滴滴看似普通、平常, 但却处处充满着生活智慧, 人类许许多多的发明和创造常常来源于日常生活中各种活动和行为的启示。例如, 人类根据生活中加热物体所产生的传热现象, 提出了传热学理论, 并以此发明和改造了许多仪器和装备; 瓦特根据水壶里的水沸腾产生的蒸气把盖子顶起来的现象, 发明了蒸汽机; 牛顿根据苹果落地现象发现了万有引力, 并提出万有引力定律; 海尔集团模仿人们手工搓洗衣物的方式、力度、频率等, 通过在洗涤桶内特设搅拌叶, 开发出了仿生搓洗式洗衣机等。

人类在日常生活中积累的经验、技能和知识, 对于科技进步起到了极为重要的推动作用。从古代中国的四大发明到现代汽车的诞生、飞机的升空、火箭的发射等等, 每一项科技革命带给人类的影响都是巨大和深刻的, 常能寻找到日常生活中智慧的影子。

1.1.2 人文生活

人文生活是指人们在文化、艺术、体育等方面的活动和行为的总和, 是人类有史以来生活中不可分割的有机组成部分。人文生活作为一种独特的精神现象, 是人类智慧和精神的独特展现, 人人有人文生活, 任何人都离不开人文生活, 它在人类的世代繁衍传承中一直占据着重要的地位。人之所以是万物之灵, 就在于其创造了人文生活, 有自己独特的精神文化。

人类日常生活中的吃、穿、住、行、劳动、工作、学习、休闲等各种活动都离不开人文生活, 如“ 吃” 有饮食文化、“ 穿” 有服饰文化、“ 住” 有建筑文化、“ 行” 有交通文化, 等等。例如, 人文生活的魅力在服装设计中得到了充分的展现, 服装设计已经从简单地满足人们穿衣需求发展成为展示人们生活艺术和科技含量的重要领域。服装设计越来越注重以自然界万物的型、色、质为研究对象, 通过相应的艺术手段处理, 设计出造型千姿百态、色泽丰富多彩、质地舒适宜人的仿生服饰[2, 3]。

人文科学一些领域的行为和生活, 如文学的创作、艺术的表演、体育的活动、哲学的悟道, 等等, 本身就是精神财富的精心营造, 是生活艺术更高境界的展现。人文生活是人类精神世界的重要组成部分, 常常隐含着美不胜收、雅韵翩然的生活艺术, 将之作为生活模本进行仿生设计, 是能尽人之才情的个性创造, 从而产生出伟大的科学和艺术。

1.1.3 本体生活

本体生活是指人类自然生命在生理、心理、心灵层面的活动和行为的总和, 是人类日常生活和人文生活的基础和根本。人类自身是生活智慧和生活艺术的载体和发生器, 探索人类生理、心理、心灵层面的生活哲理, 解开自然生命和精神生命的生活密码, 将会引导人类更科学地自我了解和自我调控, 从而把人类的认知、智能、创造性思维提高到前所未有的高度。例如, 研究人类大脑连接和处理不同感觉信号的机制[4], 可以帮助工程师们为机器人设计出更复杂的人造神经系统; 基于对人类自身组织和器官的研究, 开发了出许多相容性更高的人造器官、精密的人机一体化系统和仿人机器人等[5]。

人类社会文明起源于人类非凡的智慧, 而智慧的载体正是人类的本体生命, 智慧的体现正是人类自身在生活中学习、创新和创造的过程, 因此, 将人类本体生活中蕴含的生活哲理作为生活模本, 进行仿生设计和创造, 这无疑会成为推动人类文明进程的重要方式。

1.2 生活方式

生活方式是指人类在一定的自然条件、社会条件和价值观念指导下所形成的, 满足自身生活需要的全部活动形式和行为特征的体系。在不同的历史时期、地理环境、生产方式、文化传统、政治法律、思想意识、社会心理等条件下, 人类会形成不同的生活方式, 直接或间接地影响着人类的日常生活、人文生活和本体生活, 从而造就出不同的生活智慧、生活艺术和生活哲理。正是由于地域、历史、传统以及种种现实因素的影响, 不同区域、不同时期、不同传统、不同民族的人们生活方式表现出了鲜明的独特性、多样性和差异性, 进而产生了不同类型的文化、发明和创新。例如, 马镫是由古代中国北方地区以游牧生活方式为主的鲜卑人发明的, 具有典型的地域和民族特色, 一经发明, 便在欧亚大草原上迅速流传; 而在我国江南或沿海等地区以灌溉耕田为主要生活方式的人们发明了各式各样的水车, 促进了农业生产过程中提灌和排灌技术的发展; 住在非洲沙漠地区的居民, 由于没有电, 夏天无法用电冰箱保鲜食物, 当地人们利用多年的生活智慧发明了一种简易的“ 沙漠冰箱” , 它由内罐和外罐组成, 两罐之间填满潮湿的沙子。

生活方式是与生存环境紧密相关的, 即使在同一生境中、同一生活方式下, 人们也会发明创造种种不同的生活工具或手段, 以适应环境。非洲沙漠常年干旱缺水又多雾, 从空气中收集饮用水和灌溉用水成为当地居民的生活方式之一, 因此, 针对这一自然环境特性的集水技术、集水装置频频问世, 如高约9 m左右的灯笼式高效集水塔(Warka)和树型集水器(Tree of hope)等, 如图1所示。美国莱斯大学研究者利用水辅助化学气相沉积法制备长约1 cm的碳纳米管森林“ 吸湿架” , 能在干燥的沙漠空气中收集水分子, 储存起来以备使用, 如图2所示。碳纳米管森林生长过程中, 先在碳纳米管森林顶部沉淀一层超级疏水层, 然后把它们从硅基底座上剥离, 翻转过来再在上面加一层亲水聚合物, 如图3所示[6]。当小水滴粘在亲水端时, 水分子会受到范德华力、氢键结合力和双极作用力被拉进内部, 扩展到整个纳米管, 随后水分子会吸取更多的水进来, 吸收了达自身质量80%的水后仍能保持完好, 通过挤压纳米管把水挤出来, 可以反复使用。碳纳米管森林制造起来很容易, 如果可以大规模生产, 就能成为一种高效集水设备, 可广泛应用于干旱缺水的地区。

不同的生活方式产生了不同的生活智慧, 从而造就了多样性的生活文化和发明, 正是这种多样性差异, 才会有交流、相互借鉴和相互学习, 才会有进步和提升。从而, 人类的发明和创造在多样性的生活中不断产生和发展, 在多样性的生活中不断前进和更新。

2 人类生活现象

2.1 日常生活中的生活现象

人类有许多的科技创新都是从一个普通常见的生活现象开始的, 瓦特发明蒸汽机、牛顿发现万有引力、爱迪生发明电灯、詹姆斯发明珍妮纺纱机等, 都是受到了生活现象的启示, 看似普通平常的现象, 却能帮人们解决重要的科技难题, 而这样的例子在生活中比比皆是。

生活中看似非常简单的方法, 亦能解决大的科技难题。从物体表面撕下胶带时, 有时胶带会将物体表层粘住一并撕下, 这是生活中最常见的现象。2010年诺贝尔物理学奖被英国曼彻斯特大学的盖姆和诺沃肖格夫两位科学家获得, 他们正是受这一常见现象的启示, 利用胶带粘住石墨薄片的两侧, 撕开胶带, 薄片也随之一分为二, 不断地重复这一过程, 最终得到了只有单层碳原子厚的石墨烯, 如图4(a)(b)(c)所示[7]。然后, 将石墨烯放置在镀有一定厚度的氧化硅的硅片上, 利用光波的干涉效应, 有效地使用光学显微镜找到这些石墨烯, 如图4(d)(e)所示。

有时, 一个不经意的生活现象, 通过有心人的深悟带给人们意想不到的启迪, 而这种启迪正是科技创新不可或缺的源头, 会不断地催生新的发明。例如, 美国工程师珀西· 勒巴朗· 斯宾塞在安装雷达的磁电管时, 发现粘在裤子上的巧克力棒被融化了, 这一现象启发他发明了微波炉。被誉为纳米之父的理查德· 费曼偶然发现被抛起的盘子上图案发生变化, 受此启示, 他建立了旋转餐碟运动方程, 并发现这一方程也适用于电子旋转问题, 并因此获得了诺贝尔物理学奖。

科学家的重大发明创造对于普通人来说, 显得如此神秘和高不可攀, 但是许多伟大的创造却是从一个个平凡而普通的生活现象的启示开始的, 就如同一个苹果落地引发了牛顿的万有引力学说的诞生、一把普通芭蕉扇边上的竹丝启发了爱迪生的竹丝电灯问世一样, 日常生活中闪烁的点点滴滴生活智慧常常给科技创新带来意想不到的启迪和惊喜。

2.2 人文生活中的生活现象

人文生活中的生活现象是指人在自然界的一切活动中, 对自然现象和生活进行的体验、感悟、提炼、加工, 并用艺术的形式表现出来, 如文学、书法、绘画、雕塑、音乐、舞蹈、服饰、摄影、电影、戏剧、民艺、建筑等方面的活动, 常常意蕴丰富、内涵深刻, 在满足人们追求和谐和舒适的心理需求下, 还能给人带来感官和精神享受。每个人生活的时代和环境不同, 感受也不相同, 所以创作的生活艺术作品也不相同。例如, 在建筑文化中, 不同时代、地域、民族, 建筑文化内涵和风格完全不同, 它们不仅代表了各自时代的精神内涵和科技实力, 更是其独一无二的人文图腾。正是这些不同, 才能满足不同人的需要, 人们才能站在不同的角度去审视、品味生活艺术, 从中得到美的享受。

人文生活中的各种生活现象不仅承载着现代文明中的艺术情怀, 同时也彰显着科技内涵, 人们在享受人文生活带来各种愉悦的同时, 开始用各种科技手段探究其对人类本身的促动关系。例如, 研究运动与记忆的潜在关系[8, 9], 音乐对人类大脑发育的促动关系[10, 11, 12]等, 并将其与医疗、保健有机结合, 为不同的人群量身订制不同的运动和音乐疗法, 以改善身体状况。可见, 人文生活中的各种生活现象给人不仅是美的享受, 更多的是对人类本体生活中生理和心理层面的提升和促动, 揭示这些提升和促动的奥秘, 将会促进人类生活质量的提高。

人文生活中的各种生活现象不仅时刻展现特殊的艺术魅力, 在给人们带来快乐的同时, 也会为人们科技创新提供重要的灵感。例如, 在18和19世纪, 高尔夫球的表面都是光滑的, 在一场比赛里, 一名选手发现带有洼坑状撞痕的旧球可以打得更远, 几乎比表面光滑的小球远一倍。由于球员的这一偶然发现, 使现今所有的高尔夫球表面都制成了带有300~500个不等数量的圆形或六边形凹痕。美国麻省理工学院的研究人员利用高尔夫效应, 制成了中空的、表面可以产生各种洼坑状纹理的小球, 通过调节球内部压力, 可随意切换至光滑状态或有纹理状态, 如图5和图6所示[13]。其可以在低速运行时使球表面具有洼坑状纹理, 又可在高速运行时切换成光滑表面, 实现表面的动态调整, 从而全程减小气动拖拽力。这一原理可应用于汽车和飞机的外型设计, 通过调节面板的纹理, 以减少不同速度时的拖拽力。

可见, 人们在人文生活中不仅收获了快乐, 使人文创作在日常生活中展现了经久不衰的艺术生命力, 而且能收获科技创新的灵感, 实现技术发明新跨越。如果能将人文生活中各种生活现象作为生活模本进行仿生设计, 将会创造出更多具有人文底蕴的自然与人工、艺术与科技相结合的仿生作品。

2.3 本体生活中的生活现象

人类本体生活中的生活现象是人类自然生命所展现出的一系列活动, 如在生理、心理、心灵层面的各种活动, 是日常生活和人文生活的载体、基础和根本。人类在生理、心理和心灵等层面展现出的本体生活现象是十分复杂和缜密的, 常常隐藏着自然生命和精神生命的生活密码, 解开人类本体生活中各种生活现象所蕴含的奥秘, 不仅可以引导人类更健康、科学、优质地生活, 同时, 也为发明包含生命组件的仿生制品、具有完整生命的仿生制品, 特别是模拟人类智能、创造性思维、认知能力等的人机一体化仿生制品提供重要的模本。

2.3.1 生理活动现象

人类生理活动是产生其他本体生活现象的基础, 人类进化出了非常完善的生理功能, 只有了解人类自身的生理现象, 才能更好地提升人类本体生命的质量。人类分析观察自身生理现象, 生命运行的稳健性, 通过对产生这些生理现象的机能器官和组织的系统进行研究, 从而揭示人体机能产生的深层次机理, 为人类自然生命保健和医疗提供了借鉴, 也为人类制造仿生人体机能器官和组织提供了参考[14]。

在人类的各种生理现象中, 睡眠是最普通的一种生理节律, 在睡眠过程中会产生许多梦境, 这是睡眠时身体内外各种刺激或残留在大脑里的外界刺激引起的景象活动。这些景象从平常事物到超现实事物都有, 然而, 正是这些景象常常激发出艺术创作和科技创新的灵感, 甚至许多难解之题都是在梦中找到了答案。例如, 德国有机化学家凯库勒受梦境启发, 确定了苯的分子结构; 俄国化学家门捷列夫按梦里表格的构架设计出了元素周期表; 此外, 著名物理学家波尔提出的原子模型、美国设计师赫威发明的缝纫机、德国药物学家洛伊发现心搏的控制受神经释放的化学物质影响等成果均是受梦境启示而产生的。现今, 人们越发注重揭示梦境产生的机理和建立梦境可视图像[15], 并把梦当作一个治疗过程, 用于减轻人们的痛苦记忆[16]或加深对某些事物的记忆能力[17]。

2.3.2 心理活动现象

人类本体生活中的心理现象是极其复杂和深奥的动态过程, 涉及知觉、认知、情感、情绪、意识、顿悟等多个方面, 它是人的机能器官, 特别是人脑, 对事物的主观反应行为。人类心理深处的图景, 往往是塑造现实生活中自己的指引, 可以通过行为主体的外在行为推断其内在的心理活动, 从而了解其对外部世界的认知行为。人的心理活动具有一定的稳定性、可塑性和感染性, 可以在一定范围内对自身和他人的心理活动进行预测, 也可以通过改变内在或外在因素实现对心理行为的调控。例如, 积极的情绪能提高视觉认知能力, 会使人们看事物更全面、更加透彻[18]; 积极的情绪能使大脑中与创造力相关的神经回路被激活, 如图7所示[19]。

意识是人类各种心理现象中十分重要的一种心理活动, 它是人脑对客观物质世界的反映, 人与其他生物意识的最大区别是主观能动性, 即人类有思想、智慧和创造性思维。因此, 人类创造出了文化和文明, 大大地领先于地球上的其他生命体。在人类的意识活动中, 潜意识蕴涵着人类过去的知觉和智慧、现在的认知和知识以及对未来的思考和想象, 其力量无远弗界, 是潜藏在意识深处的宝藏, 具有神奇的效力, 有时会激发出人类无限的潜力和强大的机能。心理学家证实, 人类的大脑具有潜意识学习能力, 人们的行为和决定常常被潜意识的想法深深影响着, 而这些潜意识的想法又很容易被当前的感知所动摇[20, 21]。因此, 现今人们特别注重发掘潜意识的力量, 并在生活中有效利用这种潜能, 获得创新灵感。

人类不是自然界最强大、最强壮的, 但却是自然界中综合素质和智力最高的生物。人类在向自然界生物学习的同时, 也开始注重向自身学习, 人类本体生活中的各种生活现象已经成为现代仿生学十分重要的仿生模本。

3 人类自然生命

3.1 生活的主体, 智慧的载体

人类的自然生命是非常复杂的, 具有新陈代谢、生长和发育、遗传和繁殖、运动、应激和自我调节等特征, 具有强大的生命力。这些生命力和生命特征的展现是通过生活实现的, 生活是人类生命持续发展的具体体现。纵观人类和生物的进化历程和生存能力体系, 几乎所有环节, 生物都不比人类逊色, 都有其独到之处, 有些甚至比人类更强, 值得人类学习。然而, 与生物相比, 人类最大的优势就是拥有智慧、自我意识和创造性思维。人类的自然生命是智慧的载体, 智慧存在于人的大脑之内。不同的人所承载的智慧有所区别, 智慧让人可以深刻地理解人、事、物、社会、宇宙、过去、现在、将来等, 拥有思考、分析、探求真理、创造未来的能力。

人类之所以能成为万物之灵, 是因为其具有高度发达的智慧, 这是人类认识世界和改造世界的才智和本领, 人类的生活、劳动、学习和语言交流等活动, 处处展现着人类的智慧。创新思维是人类智慧的核心, 有了创新思维, 人类才能形成各种较复杂的意向, 从而主导人们生活中的一切活动, 表现出人类所特有的主观能动性; 有了创新思维, 人类才能探索自然界的奥秘, 发现自然现象背后的规律; 有了创新思维, 人类才能发明各种技术, 突破自己认识器官和行动器官的限制, 大大提高改造世界的能力。人类正是基于智慧, 基于创新思维, 创造出了人类物质文明、精神文明和社会文明。

3.2 创造文化的大脑智慧系统

人类在漫长的进化过程中, 创造了独一无二的文明, 发展了属于自己的文化艺术和科学技术, 所有这些, 地球上其他生物均望尘莫及。人类所取得的这些成果和创造的奇迹, 其根本原因在于, 人类具有一个创造文化的大脑智慧系统, 这使得人们在适应环境的生存竞争中获取了更大的优势。人脑作为自然进化的最高产物, 无论是脑结构还是其功能, 都是包括低等动物和高等动物的所有生物的大脑无法比拟的。人脑在每秒钟内会形成约十万种不同的化学反应, 形成大量心理层面的大脑活动。

由于人脑的结构和功能极其复杂, 需要从分子、细胞、系统、全脑和行为等不同层次进行研究和整合, 才有可能揭示其奥秘。为此, 世界各国投入了大量的人力和财力进行专门研究, 脑科学的研究热潮遍布全球, 美国把20世纪90年代最后十年定为“ 脑的十年” , 2013年又公布“ 推进创新神经技术脑研究计划” ; 欧洲确定了“ 脑的20年研究计划” ; 日本将21世纪视为“ 脑科学世纪” ; 2015年中国提出了“ 中国大脑计划” 等 。科学家们提出了“ 认识脑、保护脑、创造脑” 三大目标, 开发大脑潜能, 有效地将脑计划研究成果应用于智能人机交互、大数据分析预测、自动驾驶、智能医疗诊断、智能无人飞机、军事和民用机器人技术等重要领域。“ 了解大脑、认识自身” 已成为21世纪的科学面临的最大挑战。

从原始人类最初使用信号语言的悟性思维、用手势和声调表达的动作思维发展到智人的文化符号、语言思维, 再到现代人类理性和创造性思维, 人脑在动物脑长期演进的基础上发生更大的飞跃, 从而使人类的智力远远超越于动物, 并发展成地球生物中独有的人类智慧。

4 人类生活是仿生学的重要源泉

4.1 生活现象仿生

社会发展至今, 人类的生活取得了巨大进步, 在日常生活、人文生活与本体生活中积累了丰富的生活智慧、生活艺术和生活哲理, 这些生活现象所蕴含的原理是仿生学创新的重要源泉和动力。

以日常生活中常见的镊物现象为模本, 科技工作者运用声波与共振原理发明了3D声波镊子, 它可以捕获人类的单个细胞并放入其他地方而不损坏它[22]。这个镊子本身是用两条表面声波发生器发出的声波组成的, 当声波发生碰撞时, 他们创建的压力场就能够捕获和运送一个粒子或细胞, 如图8所示。可以用它在3D空间里移动细胞, 通过控制一定数量细胞、细胞间距, 并按照预定的几何结构来排列细胞, 并构建起非常精确的结构, 整个过程不会接触、变形或者标记细胞, 如图9所示。这一发明为再生医学、神经科学、组织工程、生物制造、癌症治疗等领域的研究提供了新方法。

生活中的各种生活现象对人们的启示是难以估量的, 它帮助人们解决难解之题, 为人们艺术创作和科技创新提供超乎寻常的灵感, 人们时刻都在利用生活智慧和规律进行各种创造。这些生活现象普通、平常, 以致于人们经常忽略它, 然而正是这些小现象却往往蕴含着大智慧, 甚至成就了历史上举世文明的发现、发明和创造。例如, 阿基米德在洗澡时, 发现了浮力原理, 提出了阿基米德浮力定律; 美国麻省理工学院谢皮罗教授根据放掉洗澡水时水产生的旋涡方向与地球自转方向相关, 以此判断台风旋转方向; 18世纪, 法国造纸商蒙戈菲尔兄弟在烧纸屑时, 看到碎纸屑在火炉中不断升起, 他们便用纸袋聚热气, 使纸袋能够随着气流不断上升, 最终发明了热气球。

从蒸汽机到内燃机, 从电动机到自动化装备, 从天然产物到化工产品, 从电能到原子核反应堆, 每一次科学技术进步创造出的成果都是人类智慧的结晶, 而许多都依稀可寻到生活的影像。人们在观察中领略生活现象的神奇, 在思考中体味生活现象的奥秘, 将生活中的各种现象作为仿生模本进行仿生设计, 这将会推动更贴近人类生活的仿生制品不断产生。

4.2 人类自身资源仿生

现今, 基于自身机能器官以及防御、免疫、自组织、自修复等功能原理, 人类开始以自身资源为模本, 进行各种工程部件的仿生设计和研发, 同时, 将仿生学与医学、药学、保健学等有机结合, 注重在分子、细胞、组织、器官、系统等多层次认识人体的结构、功能和其他生命现象, 不断开发出更适合人类使用的新的仿生成果, 如仿生人造心脏、胰腺、肝、肾, 仿生骨骼、关节、假肢, 仿生眼、鼻、舌, 仿生细胞、皮肤、肌肉等各种器官与组织等[23, 24], 这些仿生成果都是基于人类自身资源开发的, 与人体的相容性较高, 人类将从中获得更好的健康保障。

人类在制造复杂的仿生人工组织和器官上取得了难以置信的成绩, 然而开发出人工血管依然是组织工程领域的一项关键挑战。血管在人类机体中迂回曲折, 其具有运输必要营养物质和排出有毒废物的机能, 长期以来开发新型人工血管一直是医学领域的难题。悉尼大学的研究人员利用3D打印技术将许多互联的琼脂糖生物纤维进行“ 焊接” 相连, 从而为人工血管组织提供模板, 随后, 研究者利用富含蛋白质的细胞材料将模型转化成为3D打印节后, 最后, 研究人员移除生物打印纤维, 只剩下含有人类内皮细胞包含的小通道网络, 其就可以自组装形成稳定的毛细血管结构, 如图10所示[25]。值得一提的是, 2016年, 美国韦克福雷斯特大学研究团队开发出了组织和器官集成3D打印系统, 可将含有活性人体或动物细胞的水基凝胶与可生物降解的聚合材料结合作为打印材料, 有助于人造器官形成稳定结构[26, 27]。打印出的人造耳朵、骨头和肌肉组织等, 移植到动物身上后都能保持活性, 并长出了血管和神经结构, 如图11所示, 有效解决了人造器官移植成活率低的难题。人类可通过对自身细胞、组织的仿生研究和设计, 并将其用于制造仿生人造器官, 替代或修补人体已丧失功能的组织, 解决人类所面临的种种疾病困扰。

人类不仅对于自身组织的仿生研究取得了突破性进展和成果, 对以人类自身局部或整体形态、结构和行为为模本的仿人机器人也取得了巨大成就。仿人机器人具有人类的外观, 可以适应人类的生活和工作环境, 代替人类完成各种作业, 并可以在很多方面扩展人类的能力, 在服务、医疗、教育、娱乐等多个领域得到广泛应用。仿人机器人是能够与人相互影响的最理想的机器人, 因为它的外形像人, 它的思维方式和行为方式也将越来越接近人。仿人机器人能够通过与环境的交互不断获得新知识, 它会自己适应非结构化的、动态的环境。在人类的历史中, 曾经因为制造机器的局限性, 使得人不得不去适应机器, 而仿人机器人是完成让机器来适应人这一梦想的最好选择。研制与人类外观特征类似, 具有人类智能、灵活性, 并能够与人交流, 不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一[28]。

4.3 人类脑资源仿生

人的大脑及大脑的思维能力是人类所有智力资源的载体, 具有无限的认知能力和创造能力, 它是人类认识和改造世界的工具。现代脑科学研究表明, 人类大脑有巨大的潜在能力, 如何开发这些潜能, 善用大脑资源, 将其外化与物化, 是全世界科学家正在努力攻克的难题。现今, 仿生学最具挑战的领域之一是大脑仿生学, 模拟人脑的功能或是利用人脑思维与意识控制仿生装置, 直接把人类的想法有效地转化为行动, 这也是仿生学研究的难点。

人脑资源仿生最典型的代表成果之一, 就是电子计算机的发明。2016年, 韩国围棋九段李世石与英国DeepMind公司开发的围棋电脑智能机“ 阿尔法狗(AlphaGO)” 展开较量, 结果阿尔法狗以4∶ 1宣告胜利, 这标志着电脑智能化又上了一个更新、更高的台阶。现今, 人脑与电脑匹配的人机一体化操作指挥系统, 与现代通信的“ 神经系统” 结合起来, 与现代传感的“ 感知系统” 结合起来, 正在开创一个全新的信息网络文明时代, 正在创造一个全新的“ 智慧地球” 时代。智能日益提高、功能不断完善的机器人的研制, 是人脑资源仿生的又一代表性成果, 也是人机思维结合产生的又一硕果。机器人是由电脑思维控制的机器, 它是人脑思维外化与物化的产物, 也正是基于对人脑资源的模拟, 使机器人从一般“ 智能机器人” 提升到“ 智慧机器人” , 从而推动人机一体化向着更高的层次发展。

近几年发展起来的脑机接口技术, 也是通过研究人类不同寻常的大脑皮层表面神经信号, 在人脑(或者脑细胞的培养物)与外部设备间建立的直接连接通路, 能够实现脑与外部设备间的信息交换, 不仅可用于恢复人类损伤的听觉、视觉和肢体运动能力, 还可以帮助像物理学家霍金一样的神经渐冻症病人、或者是脊髓损伤导致高位截瘫的残疾人与外界进行沟通交流[29, 30], 这些仿生设备不是依靠电机来工作, 而是完全由人的大脑来控制的, 实现了人脑仿生学研究的突破性进展。

人类的大脑一直是科学家们不懈探索的一个重要领域, 许多研究成果不仅有利于揭示人类大脑智慧、创造性思维、潜意识、记忆等蕴含的奥秘, 提升人类大脑功能, 而且有利于开发更接近人类大脑功能的仿生智慧产品[31, 32]。

5 生活仿生学的发展态式及前景

Haman指出[33], 仿生学是隐身在生活中的设计大师, 任何人不论教育水平、文化背景和生活环境如何, 都能发现自己身边全新的仿生学现象, 或将其应用到生活中, 创造全新的价值。

生活仿生是人类基于自身各种生活现象而进行的仿生。人类善于从日常生活中寻找生活智慧和经验, 善于从人文生活中寻找生活艺术和感悟, 善于从本体生活中寻找生活哲理和真谛, 生活赋予了人们超乎寻常的灵感, 这些灵感正在成为人类最尖端、最前沿技术发明的源泉。人类自然生命的活力在生活中处处展现, 人类将自然生命所蕴含的力量, 将生活中所展现的智慧, 作为生活模本进行仿生设计, 这不仅丰富了仿生学的研究内容, 也将会成为仿生学原始创新的新领域, 催生了生活仿生学的诞生和快速发展, 推动仿生制品向着更智能化、人文化的方向发展。显然, 随着对自身生活、自然生命和自身资源研究的不断深入, 人类更加深切地意识到自身是自然界综合素质最高的生物, 可供研究和开发的资源难以估量, 人类正在下大气力在这一领域“ 深耕细作” , 因为人类自身不仅是生活智慧和生活艺术的动力源和发生器, 更应该是整个现代仿生学十分重要的仿生模本。这标志着一个更加注重研究人类自身生活、自然生命, 开发人类自身的资源、潜力和价值的时代已经到来。

6 结 论

(1)人类日常生活、人文生活和本体生活中展现的各种生活现象、生活智慧、生活艺术和生活哲理已成为人类研究仿生制品的灵感源头之一, 是仿生学的重要资源。

(2)生活仿生是人类基于自身各种生活现象而进行的仿生, 生活仿生模本包括人类自身生活、自然生命和自身资源。

(3)生活仿生学蕴含着极其巨大的潜能, 其诞生和快速发展, 不仅丰富了仿生学的研究内容, 也将会成为仿生学原始创新的新领域, 推动仿生制品向着更智能化、人文化的方向发展。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

[1]Ren L Q, Liang Y H. Preliminary studies on the basic factors of bionics[J]. Sci China Ser E-Tech Sci, 2014, 57(3): 520-530.[本文引用:1][2]Izadinia M, Dehgani K. Structure and properties of nanostructured Cu-13. 2Al-5. 1Ni shape memory alloy produced by melt spinning[J]. Transactions of Nonferrous Metals, Society of China, 2011, 21: 2037-2043.[本文引用:1][3]Cong H P, Ren X C, Wang P, et al. Wet-spinning assembly of continuous, neat, and macroscopic graphene fibers[J]. Scientific Reports, 2012, 612: 1-6.[本文引用:1][4]Fetsch C R, Pouget A, DeAngelis G C, et al. Neural correlates of reliability-based cue weighting during multisensory integration[J]. Nature Neuroscience, 2012, 15(1): 146-154.[本文引用:1][5]Johnson F E. The Bionic Human: Health Promotion for People with Implanted Prosthetic Devices[M].

Totowa,

NJ: Humana Press, 2006.[本文引用:1][6]Ozden S, Ge L, Narayanan T N, et al. Anisotropically functionalized carbon nanotube array based hygroscopic scaffolds[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2014, 6: 10608-10613.[本文引用:1][7]Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films[J]. Science, 2004, 306: 666-669.[本文引用:1][8]Fernand es M F A, Matthys D, Hryhorczuk C, et al. Leptin suppresses the rewarding effects of running via STAT3 signaling in dopamine neurons[J]. Cell M Etabolism, 2015, 22(4): 741-749.[本文引用:1][9]Hopkins M E, Davis F C, Vantieghem M R, et al. Differential effects of acute and regular physical exercise on cognition and affect[J]. Neuroscience, 2012, 215(1): 59-68.[本文引用:1][10]Tierney A T, Krizman J, Kraus N. Music training alters the course of adolescent auditory development[J]. PANS, 2015, 112(32): 10062-10069.[本文引用:1][11]Salimpoor V N, Benovoy M, Larcher K, et al. Anatomically distinct dopamine release during anticipation and experience of peak emotion to music[J]. Nature Neuroscience, 2011, 14(2): 257-262.[本文引用:1][12]Bernardi L, Porta C, Casucci G, et al. Dynamic interactions between musical, cardiovascular, and cerebral rnythms in humans[J]. Circulation, 2009, 119(25): 3171-3180.[本文引用:1][13]Denis T, Miha B, Reis P M. Smart morphable surfaces for aerodynamic drag control[J]. Advanced Materials, 2014, 26: 6608-6611.[本文引用:1][14]Xia Y, Nivet E, Sancho-Martinez I, et al. Directed differentiation of human pluripotent cells to ureteric bud kidney progenitor-like cells[J]. Nature Cell Biology, 2013, 15: 1507-1515.[本文引用:1][15]Dresler M, Koch S P, Wehrle R, et al. Dreamed movement elicits activation in the sensorimotor cortex[J]. Current Biology, 2011, 21: 1833-1837.[本文引用:1][16]Helm E, Yao J, Dutt S, et al. REM sleep depotentiates amygdala activity to previous emotional experiences[J]. Current Biology, 2011, 21: 2029-2032.[本文引用:1][17]Wamsley E J, Tucker M, Payne J D, et al. Dreaming of a learning task is associated with enhanced sleep-dependent memory consolidation[J]. Current Biology, 2010, 20: 850-855.[本文引用:1][18]Schmitz T W, Rosa E D, Anderson A K. Opposing influences of affective state valence on visual cortical encoding[J]. The Journal of Neuroscience, 2009, 29(22): 7199-7207.[本文引用:1][19]Mcpherson M J, Barrett F S, Lopez-Gonzalez M, et al. Emotional intent modulates the neural substrates of creativity: an fMRI study of emotionally targeted improvisation in jazz musicians[J]. Scientific Reports, 2016, 6: 18460-18472.[本文引用:1][20]Pessiglione M, Petrovic P, Daunizeau J, et al. Subliminal instrumental conditioning demonstrated in the human brain[J]. Neuron, 2008, 59: 561-567.[本文引用:1][21]Custers R, Aarts H. The unconscious will: how the pursuit of goals operates outside of conscious awareness[J]. Science, 2010, 329: 47-50.[本文引用:1][22]Feng G, Peng L, French J B, et al. Controlling cell-cell interactions using surface acoustic waves[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2015, 112(1): 43-48.[本文引用:1][23]Peppo G M, Marcos-Campos I, Kahler D J, et al. Engineering bone tissue substitutes from human induced pluripotent stem cells[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2013, 110(21): 8680-8685.[本文引用:1][24]Efe J A, Hilcove S, Kim J, et al. Conversion of mouse fibroblasts into cardiomyocytes using a direct reprogramming strategy[J]. Nature Cell Biology, 2011, 13(3): 215-222.[本文引用:1][25]Bertassoni L E, Cecconi M, Manoharan V, et al. Hydrogel bioprinted microchannel networks for vascularization of tissue engineering constructs[J]. Lab on a Chip, 2014, 14(13): 2202-2211.[本文引用:1][26]Kang H W, Lee S J, Ko I K, et al. A 3D bioprinting system to produce human-scale tissue constructs with structural integrity[J]. Nature Biotechnology, 2016, 34(3): 312-319.[本文引用:1][27]Murphy S V, Atala A. 3D bioprinting of tissues and organs[J]. Nature Biotechnology, 2014, 32(8): 773-785.[本文引用:1][28]Pistono F. Robots will Steal Your Job, but that's Ok: how to Survive the Economic Collapse and be Happy[M].

US:

CreateSpace Independent Publishing , 2012.[本文引用:1][29]Zhang D, Song H, Xu R, et al. Toward a minimally invasive brain-computer interface using a single subdural channel: a visual speller study[J]. Neuroimage, 2013, 71: 30-41.[本文引用:1][30]Todd A. Kuiken, Guanglin Li, Blair A. Lock, et al. Targeted muscle reinnervation for real-time myoelectric control of multifunction artificial arms FREE[J]. The Journal of the American Medical Association, 2009, 301(6): 619-628.[本文引用:1][31]Chen C H, Gutierrez E D, Thompson W, et al. Hierarchical genetic organization of human cortical surface area[J]. Science, 2012, 335: 1634-1636.[本文引用:1][32]Rosanne M T, Gregory H, Daniel A P. Acute psychosocial stress reduces cell survival in adult hippocampal neurogenesis without altering proliferation[J]. The Journal of Neuroscience, 2007, 27(11): 2734-2743.[本文引用:1][33]Haman J. The Shark's Paintbrush: Biomimicry and How Nature is Inspiring Innovation[M]. United States: Nicholas Brealey, 2013.[本文引用:1]

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