知识窗
仿生学

——世界重大发明创造的源泉
     仿生学(Bionics)这个名词来源于希腊文“Bion”,其含意是生命的单位,并不是大家所想象的那样认为仿生学就是把生物学和电子学两门学科合并起来。事实上,仿生学的研究涉及到其它许多学科。具体地讲,仿生学主要是观察、研究和模拟自然界生物各种各样的特异本领,诸如生物本身特殊的结构、各种器官的功能、体内的物理和化学过程、能量的供给、信息的加工、记忆与传递等等,以便将这些优异的性能移植到科学技术中去,来改善旧的、创造新的各式各样的自动装置和调节系统;提供效率高、可靠性好、动作灵活、结构简单、体积小重量轻、价格低、最接近于生命系统的技术装置。
     应该注意的是,模仿生物的卓越功能并巧妙和精确地应用到工程技术上,这还不是仿生学的全部。仿生学还要通过对自然界所发生的现象进行探索,究其因果,思索对策,设法人为预测、预防乃至控制危及人类文明社会的严重灾害。应该说,现代仿生学已不仅仅是电子学、工程机械学与生物学的结合,而和几乎当今所有理工学科都有着密切的关系,已经形成了多学科边缘上的一门没有学科边界的大学科,并形成了一批新型专业,诸如仿生化学、仿生机械学、仿生设计学、机器人学等等。
     分析和回顾十八至二十世纪科学技术发展的历程,我们不难发现,许多重大发明创造都得益于仿生学,尽管早期没有一位学者给它一个确切的定义,但是人类的天性就是善于探索和模仿,没有这一条,恐怕人类的进步就没有那么快了。仿生学与人类社会的进步息息相关,它是一门促进人类进步和发展的学科。在人类社会迈进二十一世纪,科学技术高度发达的今天,要想解决许多诸如完全智能化的机器人、与人体相融合的人造器官、细胞死亡的程式及至生命起源等大难题,首先还是要探索自然界中生物最高的活动形式——生命活动的全过程,重视对生物原型的研究,探讨和学习其中的奥妙。为什么呢?其实我们仔细想一想,我们目前所碰到的问题,对生物界本身而言是很早以前就解决了的。生物界为了解决这些问题,几乎花了十亿年的时间。这些问题的解决已经不是能不能或行不行的问题,解决这些问题的方法早就存在了。剩下的问题是我们如何从生物界本身和大自然中去寻找、学习和模仿,然后再能解出如何解决问题的答案和方法。这就是现代仿生学所面临的艰巨任务。
     青蛙肌肉和电池的发明
     人类自古就知道了自然界中种种电的现象,如雷、闪电、电鱼,加热时会产生电的电石,甚至琥珀摩擦生静电的方法。到十七世纪,德国的葛利克制成了一种旋转硫磺球的摩擦起电机后,才有人对电加以科学的探讨。到十八世纪,荷兰莱登大学的一位教授发明了一种可以蓄积摩擦电的玻璃瓶,于是作为一种游戏而风靡全欧洲。由于这种摩擦电贮存在莱登瓶中,一次放电就马上消失,所以也没有太大的用处。
     当时在意大利的波隆那大学解剖学教授贾法尼发现,以金属棒接触剥去皮的青蛙腿部肌肉时,青蛙的肌肉便会收缩。他认为一切动物都带有电,且积蓄在肌肉中,金属棒的接触使动物放电,肌肉会因电的冲击而收缩。这一动物放电的发现,引起全欧洲科学家的莫大反响。同为意大利人的帕维亚大学物理学教授伏特,对此也进行了探讨,却得到另一个结论:肌肉的收缩不是因动物电的放电,而是因接触了金属而产生电所引起的。1800年,伏特根据动物放电的现象设计完成了一种蓄电的新装置。这种装置是把数十片银板和锡板交互重叠,在每对板之间插入浸过盐水的布条作为电堆;然而用金属片和盐水钵分别替代金属板和盐水布,不必事先充电,就可源源不断地取出电来。伏特的这项发明实实在在地让英国科学家们震惊。拿破仑还邀请他到巴黎,亲眼目睹他的实验,赐于他金牌、丰厚的年俸和爵位。电池在日常生活、科学和工业上给人类带来了福音,那些赞美和荣誉就显得微不足道了。
     心脏活动电流与心电图发明
     十九世纪,瑞士解剖学家凯利克尔和德国生理学家缪勒用鸽子证明了心脏活动电流的存在。德国生理学家维伦斯坦首次用图形表现神经和肌肉之活动电流,继而有许多生理学家用他发明的装置来显示动物的心脏活动电流。这种装置仅仅是作研究用,而且必须通过解剖让心脏在暴露的情况进行测定。那么,是否有办法不要把心脏暴露出来,而就在体表内测定呢?当时恰好法国物理学家利普曼发明了一种毛细管静电计,这就促使了法国生理学家瓦勒采用了新发明的毛细管静电计来测量人心脏活动的电压,并描绘了图形。
     这些研究结果引起了荷兰生理学家爱因多汶的注意,并把瓦勒所做的心脏活动电压的图形称作“心电图”,然后他潜心研究,证实了心电图对临床诊断非常有价值。于是他就致力于精确度高的心电图记录计的研制,几年后,他终于研制出一种高精度的石英系的弦电流计,用于心电图测量上,可精确地记录人的心电图。
     爱因多汶所发明的心电图记录计最大的缺点是重量超过140公斤,无法带进病房,然而也不可能把患有严重心脏患者带到他的实验室去。既然不能做临床试验,再好的装置也是没有用的。因此,有人建议他不妨把大学附属医院住院患者和他的实验室装置用电线连接起来,这样他就将许多心脏病患者的心电图记录下来,他把这命名为“远隔心电图”。爱因多汶的心电图记录计在心脏病临床诊断中发挥了巨大的作用。迄今为止,心电图还是我们诊断心脏病的通用设备。
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