仿生技术-巧夺天工

生物的玄妙是自然的天工开物，如同一场数亿年的基因迭代进化。在人类历史的发展过程中，自然界一直是我们不断探索和学习的对象。从古代的风筝到现代的飞机，人类通过模仿鸟类的飞行掌握了翱翔天空的秘密。这种从自然界汲取灵感并应用于技术创新的过程被称为仿生技术。仿生学思想在生物学与技术之间架起了沟通的桥梁，为解决复杂的技术难题提供了源源不断的开阔思路。

仿生技术的应用范围广泛，可以根据其研究对象和目的分为多个类别，包括结构仿生、信息仿生和化学仿生等。其中，结构仿生是仿生技术中最为常见的类别，涉及模仿生物的物理结构以改善材料和建筑设计，开发出高能量吸收的仿生结构，可以应用于航空航天领域的轻量化设计中。信息仿生则主要借鉴生物的信息处理系统，研究与模拟感觉器官神经元与神经网络以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。而化学仿生侧重于模仿生物的化学反应机制，在分子水平上模拟生物体功能，可以应用于新材料开发和化学能源工程等领域，推动绿色化学的发展。

一、轻量化仿真技术

目前，深空探测器、先进战机和高超声速飞行器等航空航天装备领域，正朝着更长航时、更高承载和更高机动性的方向发展，这使得轻量化技术变得尤为重要。通过减轻结构重量，可以显著减少飞行器的燃料消耗，提升其续航能力和机动性。因此，轻量化技术成为未来航空航天装备发展的关键技术之一。

图 1 应用于航空航天结构的轻量化设计制造技术

研究人员把目光投向了在自然界中经过亿万年的进化的生物。一些生物形成了与特定环境高度适应的高效功能结构，具备低密度和高强韧的特点。仿生轻量化设计借鉴这些独特的生物宏微观结构和尺寸特征，依据相似性原理，采用仿生设计方法来获得与原生物相似功能和力学特征的结构设计。

图 2 仿生宏观结构及其应用

(a) 王莲生物学模型，(b) 叶脉生物学模型，(c) 蜂窝生物学模型

(d)基于王莲的仿生模型，(e)基于叶脉的仿生模型，(f)基于蜂窝的仿生模型

骨骼是一种典型的轻质多孔结构，具有高强度和耐冲击的特性；蝴蝶翅膀在纳米尺度下展示出三周期极小曲面多孔结构，在轻量化和光学领域有广泛应用；墨鱼骨为具有出色强度和能量吸收能力的多孔微结构贡献了灵感；竹子的轻质、高强韧和高能量吸收效率特点，也为设计梯度竹子仿生微结构提供了依据，显著提升了能量吸收能力。科学家们还根据白金花龟鞘翅表皮层中的纤维排列方式和微观结构特征设计了仿鞘翅轻质高韧夹芯结构，展示出优异的韧性，且其承压能力与蜂窝夹芯结构相当。下面，我们选择其中趣味性更高的竹子仿生结构展开了解。

图 3 仿生微观结构及其应用

“千磨万击还坚劲，任尔东西南北风。”竹子在生长过程中，需要承受自然气候带来的载荷以及自身的重量。为了抵抗这些载荷并降低能量消耗，竹子形成了轻质、高强度和高韧性的结构。竹子的宏观结构为细长的中空圆管，带有竹节，增加了强度和抗压能力。微观上，竹子具有梯度分布特性，竹壁的维管束和组织细胞在外层分布密集，内层稀疏，从而提高了强度和稳定性。

研究人员受到竹子结构及其优异力学性能的启发，设计了多种仿竹结构的吸能管。调整吸能管壁厚和增加横向隔板，可以提高吸能效率和压溃效率，减少峰值力。组合多层管壁和横向肋板，则增强了结构的抗拉强度和能量吸收能力。这些设计通过模仿竹子的壁厚梯度、竹节结构和纤维束排列，大大提升了吸能特性和结构强度。

二、生物视觉的仿真

在军事领域，战场环境与信息交错复杂。这使得武器装备也需要适应新时代的环境，武器系统的发展一定是智能化、精准化与小型化。而基于生物视觉的仿生目标检测技术正是应对这一需求的重要手段之一。通过模拟生物眼睛的视觉原理，仿生技术能够显著提升目标检测的精度和效率，再通过深度学习等技术进一步解决传统目标检测在小目标识别、视场范围和背景干扰方面的不足，在复杂战场环境中提供更精准和可靠的监测手段。

在自然界的动物中，鹰属于中型猛禽中的隼科鸟类，其视力可以媲美1.5倍到2倍的望远镜，能够从1500米高空发现地面上的小目标，如兔子和蛇。这些视觉特点与其独特的生理结构和功能密不可分。各国在鹰眼视觉仿生方面进行了大量研究。通过大量的研究表，人们发现了鹰眼结构的独特秘密。

相较于人眼，鹰眼更圆且拥有较大的瞳孔以增加进光量。高速飞行时，鹰眼的眼睑和瞬膜能保护眼睛不受伤害，并保持清晰的视觉。同时，鹰眼内部的梳膜结构能有效减少散射光的干扰，使其在强光下依然保持高视觉灵敏度。

图 4 鹰眼结构

鹰眼与其他眼睛在视网膜结构上也有所不同，具有两个中央凹结构，分别为正中央凹和侧中央凹。这两个中央凹极大地提升了鹰眼的视觉灵敏度和视场范围，使其能够在高空中迅速发现地面上的小目标。鹰眼的视网膜上密布着大量的光感受器，尤其是视锥细胞，其密度远高于人眼，使鹰在白天活动时拥有极高的视觉敏锐度。

图 5 鹰眼视场图

基于上述结构基础，通过仿生技术模仿鹰眼的特殊生理结构和视觉处理机制，开发出先进的仿生目标检测系统。仿生鹰眼系统通过大视场系统发现可疑目标，再通过小视场系统将目标与背景分离并进行跟踪。这一系统不仅具备图像获取功能，还能高效处理视觉信息，使其在复杂环境中能够精准识别和锁定目标。

图 6 仿鹰眼设计流程图

在神在形，形在神在。仿生技术通过模仿自然界中生物的独特结构和功能，为解决复杂的技术难题提供了新的思路。未来，仿生技术将继续从自然界中汲取灵感，实现天然自然界与人工自然界的和谐发展，为人类提供更多福祉。

参考文献

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作者：蔡文垂 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 研究生

审核：吉爱红 南京航空航天大学机电学院教授