自动化科技技术中的控制论是维纳（N·Wiener）创始的，他的论文名《控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，是就首创仿生学和自动化科学技术关联，只是这么多年以来，鲜见有瞩目的技术突破，但把动物和机器的控制和通讯问题多多联系是大有发展潜质的技术真空。

仿生学（Bionics）从1960年在美国俄亥俄州召开第一届仿生学讨论会以来，已经提到了发展，而且在一些行业已发展了医用仿生学，军事仿生学等学科，值得期待通过原始创新实现智慧化制造的工业制造业学者关注。

2 国家驱动的智能制造

《中国制造2025》国家科技创新布局，智能制造计划已经进入执行阶段。十二五国家发展规划的高端装备制造产业、智能制造装备、高端智能装备，高端智能制造装备等之间，涵括设计和制造出来的机械产品是要智能化的同时，还确认制造这些智能化的高端产品的本身也要采用智能的制造方法、制造工具、制造机床、制造工艺装备。也就是工业母机产业的智能化，并制造出智能化的产品。

智能化具体是指感知、认知、记忆、分析、推理、控制、决策等功能，这些功能在人对机器或生物对自然界之间的行为中，都可以见到，所以，人类解决这些问题，发明了自动化科学技术，我们要向经过上亿年进化了生物（名指人体）学习，要总结出仿生学来，让设计机器的科技人员学习，科技人员和工匠们再从理论到实践及实践到理论不断反复的过程中，制造出智能化的机器来，这也就是创新。

3 仿生学概况

3.1 仿生学的定义

仿生学定义为把各种生物系统所具有的功能原理和做作用机理作为生物模型进行研究并改善现代技术设备创造新工艺技术的科学。也有人简单地概括为仿生学就是模仿生物的科学。仿生学是边缘科学、涉及到生理学、生物物理学、生物化学、医学、神经学、物理学、数学、电子学、材料科学、信息科学、控制论及自动化科学技术、工程学等众多学科。目前主要研究方法是通过对有优异特性的生物体（系统）的生物模型建立和分析，概况为数学模型，对此数学模型反复实验，改进，发展成技术模型并制成技术装置或技术系统。

3.2 仿生学的分类

（1）神经元仿生：我们最有兴趣的是有关信息和控制的课题，即模拟人和动物的感觉器官、人脑的神经元和神经网络制成各种技术装置。我国科学家对机器人的一种定义中，强调了其与其他机器的不同点，即机器人具有一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力，规划能力，动作能力和协同能力。所以有一类机器人，又称为仿生机器人，即仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状，运动原理和行为方式的系统，能从事生物特点工作的机器人。仿生机器人按照仿生类型分有仿人机器人，仿生物机器人，生物机器人三类。关于仿生机器人下节将进行阐述。

（2）医用仿生：已形成学科的仿生学重要分支之一的医用仿生学（Medical Bionics）它是研究和探索人体的结构特性、能量转换、信息控制过程，用来改进现有的和创造新的人体器官和人工调制器，以及用仿生学治疗疾病的科学。他的研究课题很多，如对基本元件的研究，眼模型，耳膜型，神经模型；研究以人机双方为主题的对肌肉收缩时产生的电信号的应用；研究中枢系统模型；探讨更高水平的可靠性、适应性等。

（3）军事仿生：另一个分支是军事防生学（Millitarg Bionics），它是研究生物系统的运行规律和原理以建造军事技术系统的学科。主要研究内容有：模拟神经细胞和神经网络，以改进复杂控制系统的收集、整理和分配信息的装置；模拟有机体的感觉器官，以研制新式传感器、指示器和发现系统；模拟动物的定向、定位、导航和通信原理，以便在军事技术中应用；研究生物系统运行机制，以便提出新的科学技术原理等。目前这些已在军队指挥，自动控制、通信、侦察、导航、兵器制造等各领域得到应用。

3.3 仿生学的范围

仿生学的研究范围，目前可以归纳为如下六个仿生。即信息仿生、控制仿生、拟态仿生、力学仿生、化学仿生、整体仿生。当然也有其它的划分方法，如有些文献中把化学仿生分成分子仿生、能量防生，信息和控制部分称为神经防生，整体仿生中突出自学习，称为模仿人类学习过程或人机系统的仿生学等，总之，五彩缤纷的生物神经系统和感觉器官的研究和模拟占整个仿生学研究的80%左右，所以下面只能通过少数的例子展开阐述，尽量照顾自动化专业，增加一些感性认识，对目前现状及发展趋势的深入研究，还有待以后再议了。

4 仿生学案例

4.1 青蛙与电子蛙眼

    青蛙对静止的东西视而不见，而对飞虫捕捉却很快很准确，青蛙眼的生物模型是神经节细胞有4种，第一种为反差检测器，它能感觉运动目标暗色前后缘；第二种为运动凸边检测器，对静止和运动物体的边缘感觉灵敏；第四种为变暗检测器，只要光的强度减弱了，它就主刻反应。接着图像信息在由晶体状透镜在视网膜上形成光学图像后，经过视细胞、双极细胞、输出细胞（神经节细胞）而送往大脑中枢，视觉中心就能够把已分解的4种容易辨别特征，再整合成完整图像，根据这个视觉原理，已研制成功了电子蛙眼，从而装入雷达系统提高了抗干扰能力，特别能区别真假导弹。电子蛙眼在监视飞机起降和交通要道等方面起到广泛应用。其它视觉系统在仿生昆虫的复眼等课题中，应用仿生纳米智能材料，也取得了成效。

例如，在目前应用广泛的工业中机器视觉系统，这就是受了信息仿生的影响，而扩大了人的视野。机器人视觉（Robot Vision）技术，已逐步做到了识别对象物，测定它的位置和姿态……最终达到图像理解的目标。

4.2 关于苍蝇和飞行器

（1）嗅觉仿生：苍蝇嗅觉特别灵敏，但它并没有“鼻子”，实际它的嗅觉感受器分布在头部的一对触角上，每个“鼻子”与外界相通，内含有上百个嗅觉神经细胞。气味进入“鼻孔”气味刺激变成神经电脉冲送进大脑。这就是一台气体分析仪。实际应用中一种方法是在活的苍蝇的嗅觉神经上插入微电极，再把引导出来的神经电信号经过电子放大器放大送给分析器。这种方法已经用在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。当然这种方法一方面简单，同时也实验了苍蝇在宇宙飞船内的生存状态；但另外深入研究技术模型，找出气敏材料或嗅敏电阻（如Sn为主体的半导体）等这还有待继续开展研究工作。

（2）飞行仿生：蝇的飞行工具只有两只短小却强壮的翅膀第二对翅膀化为小的平衡棒。蝇胸部的结构因仅有一对翅膀而变得简单：胸部的前后节实际上已经消失，中间的那一节变大，且整个被翅肌肉仓裹起来。这种结构保证其身体具有高度的机动性，可以实现极高的速度和振翅的频率，而对方向和身体姿势的控制能使身体降落在任何可能的地点，甚至可以头朝下地停留在天花板上。

许多蝇都有盘旋飞行的本事，能绕着它们自身的体轴旋转，或者飞过那些比它们的翅膀展宽不了多少的地方，甚至倒退着飞，所有这些本领都是在平衡棒提供的感觉信息的协助下实现的。平衡棒就像一个微小的陀螺仪，在每一个平衡棒的基部感觉器官彼此间呈直角，形成三组，这样的排列使蝇能够感觉到自己飞行和弯度的速度，以及它是否被吹离飞行的轨道。与机动性相联系的是蝇的眼睛，隔得很开的眼睛能提供敏锐的视觉，神经内的视杆感觉元素通向小眼面（蝇类独有的特征）。此外，蝇能通过附肢上灵巧的爪和肉垫，抓牢任何表面。

正是人们对这些昆虫的特技及鸟类的研究，壮大了目前国内外的广泛关注微型飞行器侧重于扑翼机的研究的潮流，将举升。悬停和推动能集于一个扑翼系统们可以用很小的能量进行长距离飞行，同时具有较强的机动性。

5 与传感器驱动器有关的仿生纳米智能材料

5.1 仿生材料

仿生材料（Bio-inspired）是指受生物启发或者模拟生物的各种特性而开发的材料。

    材料的仿生包括下面几种的仿生：模仿天然生物材料的成分和结构特征的成分；结构仿生；模仿生物体中形成材料的过程和加工制备；模仿生物体系统功能的功能仿生。

    对生物体的研究可知：生命体中特殊机能的智能化大多与其微观结构密切相关。如昆虫复眼感光膜的视觉神经纤维具有微纳米结构，即由紧密排列的柱状的微绒毛构成，绒毛的长度约1-2nm、直径约60nm；有例如鲨鱼皮肤面具有排列有序的微小鳞状突起。具体事例还有：荷叶等植物表面的自清洁性，总结出微米——纳米的分级复合结构；类似水稻叶表面的碳纳米管薄膜；蝴蝶翅膀表面的自清洁性，总结出微米尺寸的鳞片交叠覆盖，每一个鳞片上分布有排列整齐的纳米条带结构，每条带由倾斜的周期性片层结构而成的这种结构形式。下面对水黾和壁虎相关的仿生作一下较详细的解释。

5.2 来自哈工大的案例

水黾是一种能在水面支撑起15倍于身体的重量，在水面上的每种可滑行100倍于身体长度的距离，其原因是：腿部有数千根按同一方向排列的多层微米尺寸的刚毛（直径3um）刚毛表面形成螺旋状的纳米沟槽结构，这种微/纳米结构和油脂的协同效应，形成了水黾的水上运动特性，这种结构将空气有效地吸附在这些统一取向的微米刚毛和螺旋状纳米沟槽的缝隙内，在其表面形成一层稳定的气膜，阻碍了水滴的浸润，宏观上表现出水黾腿的超疏水特性。

哈尔滨工业大学模仿水黾制造出了新型超级浮力材料。研究人员以多孔状钢网为基材，将其制作成数艘邮票大小的“微型船”，然后通过硝酸银等溶液的浸泡处理，使船表面具有了超疏水性。这种微型船可自由漂浮，可承超过自身最大挑水量50%以上的重量，甚至在其重载水线以上的部分处于水面以下时也不会沉没。船表面的超疏水结构可以在船外表的形成“空气垫”，改变了船与水的接触状态，防止船体表面被水直接打湿。这就是仿生纳米界的材料的秘密。

5.3 壁虎与直立型碳纳米管

壁虎可以在光滑的墙壁上行走，原于壁虎的每只脚底长着大约50万根微米级阵列的刚毛（100um），刚毛末端又有约400-1000根更细的分支，刚毛于物体表面分子之间的范华德力的累积。范华德力是中性分子彼此距离很接近时产生的一种微弱的电磁引力，据计算如果壁虎同时用四只脚全部的刚毛，就能支持1225N的力!

仿生壁虎脚利用结构可控的直立型碳纳米管陈列制成。有实验为证：4*4m的碳纳米管陈列可自吸附在垂直玻璃的表面上悬挂一瓶约650克的瓶装饮料。另外，人造的聚酰亚胺绒毛，还可用作外科手术用的夹子和缝线，登山者使用的安全装置等。

5.4航天飞机：智能材料的结构与功能

材料一般分为结构材料和功能材料两大类。功能材料一般是指对来自外界或内部的各种信息具有感知能力的敏感材料，它是在外界环境或内部状态发生变化时，能作出适当的反应并产生相应动作的驱动材料，把感知驱动和信息等三种功能材料有机地复合或集成于一体，就实现了材料的智能化。现在人们对智能材料定义为：具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，对之进行分析、处理、判断、并采取一定措施进行追度响应的类似生物智能特征的材料。

智能材料由基体材料、敏感材料、驱动材料和信息处理器四部分组成。它是一种复杂的智能材料系统。

常用的敏感材料由形状记忆材料、压电材料、充纤材料、磁致伸缩材料、电致变色、液晶材料等，常用的驱动材料由形状记忆材料、压电材料、磁致伸缩材料。驱动材料可产生较大的应变和应力，它负担响应和控制的任务。

举例子如下：用于航空航天飞行器上，采用光纤传感器阵列和聚偏氟乙烯传感器的智能结构，对机翼、机架以及可重复使用航天运载器进行全生命周期实时监测、损伤评估和寿命预测；空间站等大型在轨系统采用光纤智能结构，可实时探测，由于交会对接碰撞、陨石撞出或其他原因引起的损伤，对损伤进行评估，实施自诊断；自适应机翼具有翼行自适应能力，如当飞机飞行过程中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中智能材料就能迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平衡地飞行。

近悉美国新编的纳米材料手册，以仿生学为题编了其中一册。

6 仿生机器鱼（Bio-mimetic Robot Fish）

6.1 蓝鳍金枪鱼-Z1

两年前马航事件发生时，曾借住“蓝鳍金枪鱼-Z1”这个机器鱼参与了搜索工作，那时人们就知道了，机器人之外还有这种水下无人航行器。其实我国对于这方面技术着手并不晚，我就以于2013年7月出版的谢广明、何宸光所著“仿生机器鱼”一书为主，进行介绍。

从控制的角度看你，应包括下面三方面：定位与导航技术研究，游动控制算法的研究，多机器鱼的协调协作研究。我介绍的第二方面为主。

6.2 速度与效率：鲹科鱼

鲹科鱼类以极高的运动速度和推进效率而备受研究者的青睐，同时也是大多数机器鱼系统的模仿对象。其推进方式为BCF模式中的波动类（BCF  Body and/or caudal Fin 身体/尾鳍推进模式），其运动特征是：推动是身体主干部分（前2/3身体部分）的波幅很小，明显的波动主要集中在身体的后1/3处，前向的推动主要由刚性的尾鳍产生。在运动学模型基础上，进行仿生机器鱼机械结构鱼头、鱼体骨架，鱼尾设计，及控制单元控制系统、推进系统、通信系统、供电、测控平台等硬件系统设计。控制部分CPU选用ATMEL公司生产的精简指令等8位AVR单汽机ATmege128。关键是运动控制机制的设计，即为何协调机器鱼的多自由度的获得实施运动模式。方法有二，一是建模方法，另一是正弦方法，由于正弦的方法具有较小的计算书加强量，便于在线产生步态，振幅和频率等重要的物理是能够被清晰表示出来，便于控制，所以采用了后者简单的正弦函数来产生推动机器鱼运动的行波方法。

实际采用的CPG方法（Central  Patterator  Generator中枢模式发生器）是被仿生学认可的一种控制方法，已用四足机器人、六足机器人、两栖机器和水中机器人。该书介绍了CPG 采用典型的网状结构，是一个有N个耦合线性振动组成的系统，转换层包含了速度控制器和方向控制器，经过了数值仿真和实体机器鱼实验。其中还采用了PSO优化方法（Particle Swarm Optimization 微粒群优化算法），这也与自然界许多自适应现象有关，也可以说这是仿生学在软件工程方面的业绩。

7 结束语

回到原点。本文提出，维纳的《控制论，或关于在动物和机器中控制和通讯的科学》是智慧化工业制造业原始创新的一片蓝海。本文搁笔之时正值2016年4月24日，是中国第一个宇航日，记住4月24日这个日子，将给国人以激励。

参考文献（略）