仿生学在中国_仿生人_机器人

  仿生学在社会经济发展中所起到的作用越来愈突出，渗透到人类工作生活的方方面面，尤其是近年来，仿生学发挥作用的产业领域愈加广泛而重要。

  仿生学作为一门古老而又新颖的学科，在中国最近几年风行，各种国产仿生产品频频出现在大众视野。

  我国研制的一款四足驱动机器狗“莱卡狗”重22千克，采用电机驱动，采用完全外部供电，可行走三个小时。动态性能出色，力控响应快，平衡控制以及恢复能力很强。

  中国科学院自动化研究所的研究人员受水母喷射式推进方式启发，研制了一款机动灵活的仿生机器水母系统，并构建了基于强化学习的运动控制器，解决了仿生机器水母的三维姿态控制问题，实现了三维空间的仿水母游动及姿态自主调整。相关研究成果发表于《中国科学报：信息科学（英文版）》上。

  4月上海成人展中彼之良展出人工智能仿生人“LILITH”，引起关注。其系统以蒙特卡洛树搜索(MCTS）为基础，以被动强化学习（Passive RL)为执行逻辑，可在深度神经网络(DNN)实现各类仿生功能及类人脑逻辑的转化与输出。

  仿生学的诞生与发展过程分为4个时期：仿生学萌芽时期、仿生学建立时期、仿生学巩固时期、现代仿生学时期。

  在人类文明的早期，为生存，人类不得不对其赖以饱 腹的动植物的生活习性以及周围世界的各种自然现象进行 观察。因此，从远古时代起，人们实际上就已在从事仿生学 工作。例如，相传春秋战国时代（公元前450 ~ 500年），鲁班 上山伐木途中，手指为茅草划破，从而受到启发，经反复实践，终于制成了人类史上第一架带有锯齿的木工锯。

  2300 多年前墨子和他的300弟子，花了 3年时间，造成一只“会飞 的木鸟”，同时间希腊人阿奇太也制成一只“机械鸽子”。自 古就有许多中外人士模仿鸟类飞行试制飞行器，但都不成功，原因主要在于不了解鸟类的形态构造和生理机能适于飞行的 科学原理；又不了解人不具备飞行的生理条件，人要上天，必须依靠机械动力才有可能。

  1903年12月17日，美国人莱特 兄弟飞机飞行的成功便是一例。另外，1884年，人们受到蚕食桑叶吐丝的启迪，利用硝酸液处理棉绒，制成硝酸纤维素， 由法国化学家德贝尔尼戈·夏尔多内首次成功地将硝酸纤维 素制成硝酸纤维。同年，英国人查尔斯克劳斯(Charles-F- Cross）和爱德华贝文(Edward，J-Bevan)申请了第1个醋酸纤 维制造方法的专利，这两种纤维的问世是仿生学运用的成 果。但这些发明和尝试，在人类文明史上犹如点点星火，一 闪而灭，始终未能形成一门独立的学科。

  总之，20世纪40 年代前，人类对于生物体与机器之间有无共同之处，还缺乏 明确认识，还不具备将二者进行类比的必要的基础知识。工 程技术人员还不了解生物系统可成为各种技术思想、设计原 理以及发明创造的源泉，生物学家也只局限于研究和描述生 物结构的精巧、功能的神奇。

  因此，从远古到1940年属于仿 生学的萌芽时期。该时期，人类的各种仿生现象与成果不断 涌现，为这门科学的诞生积蓄了实践经验与感性认识。

  1944年，一些科学家已经明确机器与动物在 自动控制、通信和统计动力学等一系列问题上是统一的，具 有共同之处。同一个时期，美国的一位年轻工程师申农(C· Shannon)提议建立了一门叫做“信息论”的科学。从此，开展 了大量关于信息传递与处理的研究工作，深刻认识到一切通 信与控制管理系统所共有的特点。对许多研究工作得到的结果 进行理论概括，并将技术控制系统的控制机理与现代生物科 学所发现的动物体中的某些控制机理进行类比，又逐渐形成 了一门新的科学“控制论”。

  1949年，控制论创始人、美国科 学家维纳(N·Wiener）出版了《控制论》一书，对这一学科的思 想和概念等作了比较全面的论述。维纳着重指出，控制论是 研究机器和生物体中控制与通信的科学。科学研究和生产 实践完全证实了生物和机器在许多问题上的共同之处。而控制论则把生物科学和工程技术从理论上联系起来，成为在 原理上沟通生物系统与技术系统的桥梁，奠定了生物与机器 在控制与通信上进行类比的科学理论基础。随着这两门学 科的结合与渗透，人类就为自已找到了一条新的技术发展道 路一向生物界索取设计蓝图，并于1960年9月诞生了一门 新的交叉科学——仿生学。

  1960年9月13-15 B，在美国俄 亥俄州达顿城(Dayton)的一个空军基地，召开了美国第一届 仿生学讨论会。在20世纪50年代已成为一门独立学科的 “仿生学”，在这次会议上被正式命名。一位专长于精神病学 和神经学、又受过数学和电子学训练的美国军医J.E·斯蒂尔 (Jack Ellwood Steel)博士，给这门新诞生的科学分支起了一个 名字叫做bionics（仿生学）。斯蒂尔博士给它下了这样一个 定义：“仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者 使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学”，简单一句话，仿生学就是“模仿生物的科学”。因此，从1940 ~ 1960年属于仿生学的建立时期。

  该时期，人类在仿生学研究中的最大贡献是建立了仿生 学理论。从实质上看，仿生学的诞生带给人类的是创新的理 念与方法，即向生命系统学习的理念，模拟生命系统的方法。 使人类从一个崭新的视角透视世界，发现前人未发现的事物， 实现科学技术的原始创新，这是其他科学不能够比拟的优势。

  “提出模型，进行模拟，这就是仿生学的基本研究方 法。”在仿生学的研究过程中，模型是生物科学与技术科学 间的桥梁，它连接并指导着这两个领域的研究工作。数学模 型与技术模型来源于生物模型，反过来又指导对生物系统的 研究，更深刻地揭示其奥秘，并最终使它自己机能上更接近 于生物系统。模拟是仿生学理论的实质所在，是通过联想- 心理过程来获得由一种事物到另一事物的思维的推移与呼 应，是从生命系统的角度研究别的问题的重要方法。

  模拟有其一定的适合使用的范围。不恰当的模拟也会适得其 反。最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法 的突出特点。其目的不在于直接复制每一个细节，而是要理 解生物系统的工作原理，以实现特定功能为中心目的。一般 认为，在仿生学研究中存在3个相关的方面：生物原型、数学 模型和硬件模型。前者是基础，后者是目的，而数学模型则 是两者之间必不可少的桥梁。

  美国从1960年起，先后召开过4次全国性的仿生学学术 讨论会。北约组织下属的一个机构（宇宙空间研究和发展顾 问小组）也曾经召开过一次仿生学会议，由北约6国（美、英、 法、比、西德、荷兰）参加，专门讨论了仿生学与宇宙空间研究 的关系。前苏联的仿生学研究是在前苏联科学院控制理论委 员会领导下专设一个仿生学局，以协调全苏的仿生学研究工 作。至1975年已召开4次全苏仿生学座谈会，同时，还举行 过多次加盟共和国仿生学专业会议。

  我国的仿生学研究工 作始于1964年前后。1975年12月26日~ 1976年1月3 0日， 中国科学院在北京主持召开了我国第1次仿生学座谈会。 1977年的“全国自然科学学科规划会议”正式、全面地制定了 我国的仿生学研究规划。自此，仿生学已普遍引起了国内许 多学科和部门的关注，并陆续开展了研究工作。以后，在由 中国生物物理学会主持召开的一些全国性学术会议上，经常 宣读仿生学方面的学术论文。我国的仿生学研究工作，正在 形成队伍，继续扩展着研究范围和研究深度，并已取得一些 可喜的研究成果。

  从仿生学诞生到20世纪70年代初期，美、俄（前苏联）等 许多国家都曾对仿生学知识进行过广泛宣传，大量的知识性 文章和书籍相继出版。仿生学方面的学术论文，纷纷在各学 科的学报和杂志上发表，每开过一次仿生学学术会议，立即 就有篇幅很大的会议录问世。所有这一切工作，都为人们深 入了解这门新兴的边缘学科作出了积极的贡献。

  中国科学院图书馆在中国科学院生物物理研究所等单位的协助下，曾 广泛收集这些文献资料，编印了 4册《仿生学文献索引》。

  至1990年，随着仿生学向所有的领域的渗透，它的研究方法也 已纳入了各领域的研究工作之中。总之，1960- 1990年各国 政府及科研单位、科研人员对仿生学倾注了极高的热情与支 持，已广泛地唤起整个社会对仿生学的理解与支持，所以，属 于仿生学的巩固时期。

  该时期，人们借助仿生学的研究理念与方法在信息仿生 学、控制仿生学、力学仿生学、化学仿生学、医学仿生学等领 域中取得了新的成就，进一步巩固了仿生学的科学地位。

  20世纪90年代初，各国都在为发展仿生学这门交叉学 科的基础研究作精心长期的计划准备。美国有一项优先发 展制造、先进材料以及先进军事装备研究等领域的长期计划，德国的研究与技术部已就“21世纪的技术”为题在适应电 子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感 器等领域投入了相当大的财力和人力。英国政府早在1993 年5月就发表了科学大臣沃德格雷夫主持撰写的科技白皮 书，题为《运用我们的潜力一一科学、工程和技术战略》。

  日本、俄罗斯以及韩国等国都有相应的中长期计划，在先进制 造、材料、生物技术、高性能计算与通信计划等领域开展基础 性研究。这是一场在仿生科学技术研究领域内展开源头研 究的全球竞争。为适应我国科学和技术源头创新的需要，进 一步推动我们国家经济和社会实现跨越式发展，

  中科院香山科学 会议于2003年12月11-13日召开了题为《仿生学的科学意 义与前沿》的第220次学术讨论会。院士和杜家纬研 究员分别作了题为“仿生学的意义与发展”和“21世纪仿生学 对我国高新技术产业的影响”的主题评述报告。会议提出了 “仿生科学与技术”系统性基础研究的方向和优先发展的前 沿领域和基本发展战略：

  ①建立复杂生物体系的研究与发 现。着重发展仿生结构与力学，仿生材料与微纳米系统，仿生 功能器件及控制，分子仿生，神经和信息科学等五大“仿生科 学与技术”系统性基础研究的方向；

  ②优先发展仿生材料， 仿生工艺，仿生机械，仿生功能器件，微纳米仿生技术，仿生 传感器，基因仿生工程，组织仿生工程，生物膜仿生工程和人 工智能等10个前沿领域的研究与开发；

  ③注重仿生科学技 术创新研究在我国当前优先发展的141项高技术产业领域 中的应用和商业化。

  ①建议将“仿生科学与技 术”的研究放在国家经济和科学技术发展及国家安全的重要 战略地位加以考虑，列入重大基础研究国家计划和国家中长 期科学技术发展规划；

  ③建议国家自然科学基金委每 年设立专项风险基金，支持“仿生科学与技术”的创新研究， 在863有关领域重视仿生技术前沿研究；

  ④建议定期召开全 国性“仿生科学与技术”论坛，进行学术交流，促进沟通和 联合。

  此后，院士又发表了著名文章《仿生学的意义与 发展》，提出了现代仿生学的前沿包括：

  ①随着分子生物学 和系统生物学的进展，以及纳米技术和MEMs技术发展的推 动，仿生学向微纳结构和微纳系统仿生学方向发展；

  ②随着 信息技术向网格和智能化方向发展以及神经发育生物学的 进展，向智能与认识仿生学以及可持续经济仿生学、管理仿 生学等方向发展；

  ③随着人们对生态环境关心的日益迫切， 将引发过程仿生学、能源仿生学等发展；

  ④随着对基因组、蛋白质结构、脑与神经结构与功能的认识，可能会推动以解读 生命信息为目的的计算仿生学的发展。

  值得注意的是，在这里“管理仿生学”、“经济仿生学”的 前沿地位首次由国内权威专家确认。这为仿生学研究扩展 到社会科学领域提供了强有力的支持，突破了过去仿生学研 究仅限于自然科学领域的范畴。总之，从1990年至今，仿生技术具有快速、灵敏、简单、可同时分析多个材料和所需起始 材料量低等优点。

  自1992年创立以来，很快成为克隆新基 因和研究基因表达的有力工具。但该技术应用受到限制的 最普遍问题是其较高的假阳性比率和放射性同位素 应用给实验人员可能带来的危害性。

  “大数据、互联网、人工智能等科学技术手段，在疫情分析、疫情防控和疫情预测等方面发挥着作用，也正在助力各行业恢复生产。我们要在与自然和谐共生的前提下，运用科学技术推动国家发展、增加人民福祉。”采访一开始，中国科学院院士、吉林大学教授任露泉就谈起了自己近期的感受。

  这也是任露泉一生致力于仿生学研究的感悟。1944年，任露泉出生于江苏铜山一个普通的农民家庭。少年时的他除了读书，就是帮家里做农活。至今，任露泉还能回忆起第一次看见拖拉机耕作的场景：“小时候，父亲在我眼里力气最大，可在拖拉机面前却很渺小。那时候，我隐约认识到这些机器能帮助乡亲们摆脱贫困。”

  知识改变命运，科技助力发展，任露泉是受益者也是践行者。1962年，他考取吉林工业大学，选择的就是拖拉机专业。毕业后，他主动要求到新疆的油田工作，在劳动中不断地实践着所学知识，尝到了理论联系实际的甜头。

  “研究生毕业后，我回到吉林工大拖拉机专业任教。在一次拖拉机负荷车设计调研中，看到挖掘机作业时，铲斗中的土怎么也掉不下来，人们不得不用锹一铲一铲地清除。”任露泉说，“作为一名从事地面机械研究的教师，我有责任解决这一个问题。”

  调研回来后，在导师和学校的支持下，任露泉把“地面机械脱附减阻”作为研究方向，带领课题组对全国20多个省、自治区的地面机械作业情况做调研。一次，在一片刚刚收割完的稻田里，任露泉看到田鼠在快速穿梭，浑身却一点也没沾上泥巴。这给任露泉极大的震撼和启发，经过深入思考，重新确立了“地面机械仿生脱附减阻”的研究方向。

  任露泉带领科研团队，在近10年的时间里，对6门10纲1万多只土壤动物进行系统研究，探索土壤动物脱附减阻现象的特征规律，创建了“生物非光滑减阻理论”和“多元仿生耦合理论”，这也是我国在国际地面机械仿生领域首次提出原创性理论，任露泉因此成为地面机械仿生领域的开拓者。

  土壤动物脱附理论的重大突破，并没有令任露泉停止科研的脚步。他继续带领团队投入实质性研究，研制出具有脱附减阻功能的犁壁、辊、深松铲等多种仿生机械部件，并向其他非土壤介质领域拓展，又研发出防粘模具、不粘模具、减摩活塞、仿生钻头等仿生产品。

  当选院士后的任露泉在科学研究、成果转化和人才教育培训上投入了更多的精力。在他的带领下，吉林大学工程仿生教育部重点实验室慢慢的变成了国内一流、国际上有重要影响的仿生科学与工程基地；小组成员一起努力，荣获了省部级一等奖以上奖励15项，其中国家级奖励5项；在他的悉心培养下，许多学生成为科教等领域的中坚力量，有的已成长为长江学者、中国青年科技奖获得者等。

  如今，已经76岁的任露泉院士除出差外，天天都会到实验室，带领团队紧跟科技发展前沿和国家重大需求开展工作。任露泉的学生们说：“老师对待科研一生执着，对待科研和教学始终有真心、投真情、下真功、动真章。”

  国家统筹：在后疫情时代，为逐步提升中国仿生工程的带头与国际影响力，针对仿生工程学提出进一步的要求。

  国际仿生工程学会作为全国 38 家国际性社团之一，由吉林大学牵头 15 个国家的仿生学者联合发起，经教育部、科技部、民政部、外交部、中国科协会商同意，并报经国务院批 准后，于 2010 年正式成立。历经 10 年发展， 学会已成为国际仿生领域学术交流与科学技术合作 的高端平台，在推动仿生科学进步、人才教育培训 和学科发展方面作出了重要贡献。2020 年，在新型冠状病毒肺炎疫情常态化防控政策下，学会在会员服务与创新发展方面不断实践和探索，取得了阶段性成果和进展。

  会员是社团的构成主体，科技社团通过凝聚会员实现自身在组织规 模和社会影响力等方面的升级。国际仿生工 程学会一方面通过吸纳、培养高水平会员加强 学术引领，另一方面则通过拓展会员国别来扩 大引领范围。当前，学会拥有院士 13 人，长江学者、国家杰青 30 余人。2020 年，多位会员在《Nature 》和《Science 》上发表突破性成 果，起到良好的示范作用。通过线上渠道扩大海外宣传，学会新增来自爱尔兰、埃及、阿尔及利亚、匈牙利等 12 个国家的会员，会员国别达到 72 个，奠定了学会在全球仿生领域的学术引领地位。

  为会员提供学术交流服务，是科技社团最重要的功能和职责。国际仿生工程学会通过创设高端学术交流品牌引领学术领域研究发展。疫情防控政策下，学会发起并举办系列仿生前沿在线学术论坛，聚焦前沿热点领域， 吸引中国、英国、德国、法国、加拿大等国内外数百名学者参加，促进了所在领域的深入交流与合作。此外，在已有国际会议和研讨会品牌活动基础上， 学会于2020 年成功举办第一届仿生科学与工程研讨会，共吸引 400 余位专家学者和企业代表参会，展示了仿生领域最新科研和技术成果，做到开拓创新、先导领航。

  根据科睿唯安 2020 年度《期刊引证报告》，学会会刊《Journal of Bion- ic Engineering》在国际仿生专业期刊领域的影响因子排名由第 3 位上升到第 2 位，并获中国最具国际影响力学术期刊荣誉称号。学报编辑 部还积极组织编委会改革，增设期刊子领域副 主编和青年编委，以逐步提升期刊活力和水 平。为加强学术引领，学会同时启动创办综合性期刊《Frontiers in Bionics》，致力于报道全球仿生领域的最新科研成果、学术动态、新闻聚 焦、社会评论等，反映学术前沿进展及水平， 引导仿生领域应用与发展。

  面对国家建设创新智库的新形势，科技社团向智库方向转型，既可 以满足社会持续健康发展需求， 也能够在一定程度上促进自身发展。国际仿生工程学会通过开展各类学术交 流活动，凝聚了一批活跃在国际最前沿的知名 专家学者，逐步建立起具有资源特色的开放式 专家智库，彰显了跨地域、跨部门、跨行业的 结构优势。学会智库在做好人才教育培训和国际合 作咨询服务的同时，围绕国家战略发展需求， 主持制订国家自然科学基金委 “生物与仿生制造” “十四五” 规划，并组织召开仿生创新发展的策略研讨会，研讨仿生学科建设发展目标，评估仿生科技与产业发展方向。

  为更好地服务于我国仿生学科发展，同时为智库建设提供必要支 撑，学会与美国知名智库费尔马尼安商业与经 济研究所建立合作伙伴关系，积极开展仿生科技创 新对标研究。由双方共同完成的达芬奇中国指 数在第一届仿生科学与工程研讨会上正式发布，展示了近 20 年来我国仿生活动发展情况， 以及与全球指数的对比关系。双方还进一步召 开线上会议，就对标世界一流，开展美国、英 国、德国、法国、日本、韩国仿生发展指数合 作研究，联合发布系列达芬奇全球比较指数达 成合作意向，做到对标定位、促进发展。

  围绕国际仿生科技发展动态，学会积极开展科技情报研究工作，为会员提供数据库平台服务与智库服务。学会创建有仿生数据库，收录论文、专利、机构、专著等信息 5 万余条，同时开展国际科技前沿信息采集、动态跟踪、数据分析、热点挖掘、发展预测， 有效提升智库服务能力。学会于2020 年开发建设国际仿生科技平台，采用线上线下结合、产学研用协同框架，致力于发挥数据资源优势，编写《全球仿生科技发展白皮书》，充分发挥为政府决策提供咨询服务的作用。

  国际仿生工程学会致力于通过完善学科建设来加强科普人才培养和促进科普能力提升。以学科为支撑，“仿生科学与工程” 一级学科已通过国务院学位委员会审议批准，我国仿生学科建设迎来重要里程碑，为进一步建立健全科普人才培养体系奠定了基础。学会基于与中国互联网上网服务行业协会的合作，拟设立仿生科普促进委员会，并共同推进仿生科普馆的建立。此外，创办科普期刊也已列入学会工作规划，将与公众平台等电子媒体共同做好大众科普服务。

  学会多年来一直专注于科普服务的创新，于 2013 年创办科普品牌活动———仿生学基本方法短期课程。2020 年，受疫情影响，短期课程转为在线举行。此项科 普活动先后吸引来自国内外多所高校不同研究 领域的数百位青年学者和硕博研究生参加，并 获得培训证书。为做好青少年科普工作，学会 于 2020 年在线主办第二届中国智能机器人大赛，面向在校研究生、本 （ 专） 科生、中小学生开展科技竞赛，吸引近 1000 人参加，既激发了青少年科学热情，又提升了青少年科技水平。

  2020 年，学会企业委员会依托吉林大学威海仿生研究院，走访对接30 家企业，并与威海市科博乐汽车电子、威海光威复合材料等企业签订框架协议。学会第一届企业委员会论坛于 2020 年 10 月在威海召开，通过校企交流深入促进产学研用结合。为快速推进仿生技术产业化发展，学会联合 64 家科研院所和企事业单位发起筹备成立仿生健康联盟，同时进一步与中国科学院北京综合研究中心合作筹备成立中国仿生工程产业科学技术创新联盟，以构建学会与产业连接的纽带，深入推动校企合作，打造基础研究与产业结构协同发展的一体化创新体系。

  面对仿生学产业发展的形势和需求，学会与国际仿生标准化技术委员会 ( ISO / TC 266 ) 国内对口单位北京机械工业自动化研究所建立合作关系，研究制定仿生标准体系，联合推动中国仿生标准化技术委员会筹备成立进程。2020 年，在 ISO / TC 266换届之际，双方联合提交了秘书处迁址中国和主席任职申请，以增强我国在国际仿生标准制定过程中的先导权和主动权。学会还进一步与中国机电一体化技术应用协会签订战略合作协议，将联合建立标准化服务机构，引导仿生技术与产业相关标准制定、实施与推广。

  科技社团国际化发展有利于推动全球科技协同创新，提高我国国际科技话语权。学会的国际化发展依赖于国际化的管理运营。理事会作为领导机构，其组织架构与运作模式决定了学会的国际化水平。国 际仿生工程学会理事会组成坚持彰显国际性， 外籍理事占比近 90% 。学会着力发挥理事会的引领作用，通过广泛联系各国会员、开展国 际活动，引领国际学术发展方向。自 2017 年起，德国、丹麦、以色列、韩国、英国等境外 理事单位先后参与和组织学会相关学术活动。良性的长效管理运营模式，保证了学会国际化 进程稳步向前。

  为提升全球竞争力、培育世界一流，学会专注于举办高水平学术活 动，搭建创新流平台，开展实质流访 问，建立前瞻性项目合作，多措并用，坚持国 际化发展。2020 年，在常规国际活动受到疫情防控政策限制下，学会另辟蹊径，与常驻中 国的德中经济文化交流协会会长墨轲博士建立 了友好合作关系，双方在中德仿生推广方面达 成合作意向，将积极推动学会教育工作委员会 成立，为中德两国高校仿生学科建立对接，在 充分利用德方优势资源基础上，深入推动我国 仿生学教育发展，实现国际化仿生人才教育培训。

  总之，在后疫情时代，面对新的机遇和挑战，应积极转变思维，提升应变能力，改进应对措施，聚焦国家战略需求，以会员为基石，以服务为杠杆，积极拓展国际合作渠道，引进先进管理理念和运营模式，开发更多种类和更精细化的服务方式，不断提升学术引领、智库支撑、科学普及、产学融合、国际化发展业务水平，努力擘画后疫情时代国际科技合作蓝图。

  近几年我国的研究人员对其在农业、工业和服务业等各产业的应用研究更加细化并走向深入，仿生思想同时又是一种重要的设计理念，给消费者带来的是不一样的独特感受，在未来仿生科技不会再单独方向“吊死”，而是更多地将研究触角伸向情感、情趣的风格诉求，推动仿生学在产业领域应用的多元化、丰富化发展，这对我国未来产业体系优化、促进产业升级逐步迈向高端化、丰富产业集群发展的内容和元素，都有着很强的理论指导意义。