蜂巢仿生毕业论文

未来也许会出现像乌龟壳一样的仿生建筑，这个建筑的特点就是防震，还非常坚固。

苍蝇与宇宙飞船令人讨厌的苍蝇,与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及,但仿生学却把它们紧密地联系起来了. 苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”,凡是腥臭污秽的地方,都有它们的踪迹.苍蝇的嗅觉特别灵敏,远在几千米外的气味也能嗅到.但是苍蝇并没有“鼻子”,它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来,苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上.[9] 每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通,内含上百个嗅觉神经细胞.若有气味进入“鼻孔”,这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲,送往大脑.大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同,就可区别出不同气味的物质.因此,苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪. 仿生学家由此得到启发,根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能,仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪.这种仪器的“探头”不是金属,而是活的苍蝇.就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上,将引导出来的神经电信号经电子线路放大后,送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号,便能发出警报.这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里,用来检测舱内气体的成分. 这种小型气体分析仪,也可测量潜水艇和矿井里的有害气体.利用这种原理,还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中. 从萤火虫到人工冷光从萤火虫到人工冷光自从人类发明了电灯,生活变得方便、丰富多了.但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光,其余大部分都以热能的形式浪费掉了,而且电灯的热射线有害于人眼.那么,有没有只发光不发热的光源呢? 人类又把目光投向了大自然. 在自然界中,有许多生物都能发光,如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等,而且这些动物发出的光都不产生热,所以又被称为“冷光.”在众多的发光动物中,萤火虫是其中的一类.萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色,光的亮度也各不相同.萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率,而且发出的冷光一般都很柔和,很适合人类的眼睛,光的强度也比较高.因此,生物光是一种人类理想的光.[10] 科学家研究发现,萤火虫的发光器位于腹部.这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成.发光层拥有几千个发光细胞,它们都含有荧光素和荧光酶两种物质.在荧光酶的作用下,荧光素在细胞内水分的参与下,与氧化合便发出荧光.萤火虫的发光,实质上是把化学能转变成光能的过程. 早在40年代,人们根据对萤火虫的研究,创造了日光灯,使人类的照明光源发生了很大变化.近年来,科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素,后来又分离出了荧光酶,接着,又用化学方法人工合成了荧光素.由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯.由于这种光没有电源,不会产生磁场,因而可以在生物光源的照明下,做清除磁性水雷等工作. 现在,人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光,作为安全照明用.

鲨鱼皮肤－泳衣 一件泳衣，在悉尼奥运会上改变了世界泳坛的格局。几乎大半金牌得主都穿上一种特殊的泳衣———连体鲨鱼装。这种鲨鱼装仿造了海中霸王鲨鱼的皮肤结构，泳衣上设计了一些粗糙的齿状凸起，能有效地引导水流，并收紧身体，避免皮肤和肌肉的颤动。 此后，仿生泳衣越仿越精。第二代鲨鱼装又增加了一些新的亮点，加入了一种叫做“弹性皮肤”的材料，可使人在水中受到的阻力减少4％。此外，还增加了两个附件，附在前臂上由钛硅树脂做成的缓冲器能使运动员游起来更加轻松；附在胸前和肩后的振动控制系统能帮助引导水流。 海蜇－水母耳 每当风暴来临前，最古老的腔肠生物海蜇仿佛能未卜先知，早早就离岸游向大海避灾。原来，海蜇有个“顺风耳”，其“耳”（细柄上的小球)中有小小的听石，上面布满神经感受器，能听到风暴产生时发出的次声波（由空气和波浪摩擦而产生，频率为8赫兹-13赫兹，传播比风暴、波浪的速度快）。 模拟海蜇感受次声波的器官，科技人员设计出一种“水母耳”仪器，可提前15小时左右预报风暴。它由喇叭、接受次声波的共振器和把这种振动转变为电脉冲的转换器以及指示器组成。将这种仪器安装在船的前甲板上，喇叭做360°旋转。当它接收到8赫兹－13赫兹的次声波时，旋转自动停止，喇叭所指示的方向，就是风暴将要来临的方向。指示器还可以告诉人们风暴的强度。 仿生成果走向产业 京沪两地科学界级别最高的“香山科学会议”和“东方科技论坛”最近联合就仿生学召开学术研讨会，此举在科学界引起不小震动:为何给予仿生学如此高规格？ 缘自国际科研和高新技术产业的竞争态势。越来越多的科学家认识到：模仿自然更有无限的潜力和机会，更有可能提升原始创新的能力。 人类进化只有500万年的历史，而生命进化已经历了约35亿年。大自然的奥秘不胜枚举。每当我们发现一种生物奥秘，就有可能成为我们一种新的设计可能性，也可能带给我们新的生存方式，仿生思维就是在大自然中寻找解决问题的方程式。10年前，许多国家就开始通过仿生学，提升科技创新活力和产业能级。在美国，有一项长期研究计划与仿生科技紧密相关，其优先发展的先进制造、先进材料和先进军事装备等，不少是从模拟与仿真入手；德国研究与技术部已就“21世纪的技术”为题，从仿生学出发，在电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、材料、生物传感器等领域投入了相当大的财力和人力；英国、日本、俄罗斯以及韩国等国都有相应的仿生科技和仿生产业中长期计划,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。 仿生成果已不断涌现，并开始从基础研究发展到商业化竞争阶段。中科院上海生命科学研究院植物生理生态研究所研究员杜家纬介绍，这些仿生学成果应用于经济、军事和人类卫生事业后，在全球经济中所创造的份额会越来越大。如德国轮胎设计专家根据跑行中的猫前爪垫的功能和蜘蛛网的柔顺结构及其稳定性，设计出一种AMC垫型轮胎，其表面的柔软性和硬性网状结构设计，具有较大的抓地性和运行精度，增加了轮胎与地面的摩擦力，使刹车距离从现在的19米缩短为9米，大大提高了安全性。这种轮胎已完成了实地试验，一旦投产，对世界轮胎业产生的冲击可想而知。又如，德国米勒公司新设计的一款洗衣机内桶表面结构仿造蜂巢和龟背壳形状，所洗的衣服非常干净，但洗涤过程却非常柔顺，不伤衣料。据统计，我国每年洗衣机更新量为500万台，有关专家已经担忧，一旦这种仿生洗衣机进入市场，将大大挤压我国的洗衣机市场。 将仿生研究纳入国家战略 机器人、纳米自洁涂料、生物农药……仿生科研在本市和全国其它城市的不少领域已有开展，但始终难以形成规模产业，缘于仿生学缺乏系统的研究规划和研究体系，因此源头创新性研究还远远不够。为此有关专家认为，科研主管部门、科技界和产业界都应转变观念和视角，从模仿国外转变为模仿自然，向大自然汲取科技创新的灵感。 据了解，我国当前优先发展的高技术产业化重点领域共有141个方面，其中将近有30个领域与仿生学相关。例如:光传输系统，生物医学材料及体内植入物和人造器官，生物反应器及分离技术与成套设备，医药新剂型，新型医用精密诊断及治疗仪器，新型材料－纳米材料，膜工程技术，子午线轮胎生产技术及关键设备和原材料，新型传感器，工业机器人及机器人自动化生产线，环境与污染源监测仪器及自动监测系统，高效、安全新农药、兽药及生物防治技术，新型墙体材料等。由此可见，加强仿生科研和仿生成果的转化，将使我国的高新技术产业的质与量都产生飞跃。 杜家纬介绍，21世纪的仿生学，正朝着微观、系统、智能、精细、洁净方向发展，更多地表现为将生物系统构造和生命活动过程融合到技术创新的设计思想中去。当前仿生结构和力学的研究在国际上受到高度关注，研制微型飞行器，机器昆虫和机器鱼等正形成热潮。在新材料研究方面，世界各国也都将目标放在模仿生物界的结构，如海洋壳类构造、蜘蛛丝、植物表面超微结构、动物角趾皮肤等等。 仿生学是多学科的交叉，需要多学科的专家，尤其是生命科学家和工程技术专家的共同关注与参与。专家呼吁：要将仿生学的发展放在国家重要战略地位加以考虑，把握21世纪国际仿生学的发展方向和前沿，加强原始创新研究，从仿生结构与力学，仿生材料与微纳系统，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”系统性基础研究方向，建立复杂生物体系的研究与发现体系。在仿生材料,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，加强仿生研究和产业孕育。

例如蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家精确计算出来的菱形钝角和锐角完全相同，是最节省材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声音和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。如图13所示，作者曾经设计过一个设计类学生专用教学课桌椅的方案，灵感来自于蜂巢结构，提取六边形作为基本要素进行设计，桌面可以根据设计或教学需要自由组合成不同形态，并且考虑它们彼此之间组合时面与面之间不要留有许多空隙，组合时稳定性，最终选择了蜂巢结构。

人造世界就像天然世界一样，很快就会具有自治力、适应力以及创造力，也随之失去我们的控制。但在我看来，这却是个最美妙的结局。

——《失控》

"蜂巢思维"出自凯文·凯利的《失控》（1994），简单的说“蜂巢思维”就是“群体思维”。蜜蜂的群体结构，在蜂巢之中每个个体各有分工，自发维系整个蜂巢，蜂巢就像是一个整体，汇集了每个个体的思维。凯文·凯利用蜂巢思维比喻人类的协作带来的群体的智慧。

1.蜂群的“蜂巢思维”

“蜂群的灵魂”在哪里？早在1901年，比利时作家莫利斯·梅特林克发出了这样的疑问：它由谁统治，由谁发布命令，由谁预见未来……？

现在我们已经能确定统治者不是蜂后。当蜂群从蜂巢前面狭小的出口涌出时，蜂后只能跟着。蜂后的女儿负责选择蜂群应该何时何地安顿下来。五、六只无名工蜂在前方侦察，核查可能安置蜂巢的树洞和墙洞。他们回来后，用约定的舞蹈向休息的蜂群报告。在报告中，侦察员的舞蹈越夸张，说明她主张使用的地点越好。接着，一些头目们根据舞蹈的强烈程度核查几个备选地点，并以加入侦察员旋转舞蹈的方式表示同意。这就引导更多跟风者前往占上风的候选地点视察，回来之后再加入看法一致的侦察员的喧闹舞蹈，表达自己的选择。

除去侦察员外，极少有蜜蜂会去探查多个地点。蜜蜂看到一条信息：“去那儿，那是个好地方。”它们去看过之后回来舞蹈说，“是的，真是个好地方。”通过这种重复强调，所属意的地点吸引了更多的探访者，由此又有更多的探访者加入进来。按照收益递增的法则，得票越多，反对越少。渐渐地，以滚雪球的方式形成一个大的群舞，成为舞曲终章的主宰。最大的蜂群获胜。

这是一个白痴有、白痴享、白痴治的选举大厅，其产生的效果却极为惊人。这是民主制度的真髓，是彻底的分布式管理。曲终幕闭，按照民众的选择，蜂群挟带者蜂后和雷鸣般的嗡嗡声，向着通过群选确定的目标前进。这是一个由两万个群氓合并成的整体，它和比特币的方式有异曲同工之妙。

2.蚂蚁的“蜂巢思维”

从一个定居点搬到另一个定居点的蚁群，会展示出涌现控制下的“卡夫卡式噩梦”效应。你会看到，当一群蚂蚁用嘴拖着卵、幼虫和蛹拔营西去的时候，另一群热枕的工蚁却在以同样的速度拖着那些家当掉头东行。而与此同时，还有一些蚂蚁，也许是意识到了信号的混乱和冲突，正空着手一会儿向东一会儿向西的乱跑。简直是典型的办公室场面。

不过，尽管如此，整个蚁群还是成功地转移了。在没有上级作出任何明确决策的情况下，蚁群选定一个新的地点，发出信号让工蚁开始建巢，然后就开始进行自我管理。

3.鸟群的“蜂巢思维”

一个鸟群并不是一只硕大的鸟。科学报道记者詹姆斯·格雷克写道：“单只鸟或一条鱼的运动，无论怎样流畅，都不能带给我们像玉米地上空满天打旋的燕八哥或百万鲰鱼鱼贯而行的密集队列所带来的震撼。（鸟群疾转逃离掠食者的）高速电影显示出，转向的动作以波状传感的方式，以大约七十分之一秒的速度从一只鸟传到另一只鸟。比单只鸟的反应要快得多。”鸟群远非鸟的简单聚合。

4.算法生成的群体智慧

在《蝙蝠侠归来》中有一个场景，一大群黑色大蝙蝠一窝蜂地穿越水淹的隧道涌向纽约市中心。这些蝙蝠是由电脑制作的。动画绘制者先制作一只蝙蝠，并赋予它一定的空间以使之能自动地扇动翅膀；然后再复制出几十个蝙蝠，直至成群。之后，让每只蝙蝠独自在屏幕上四处飞动，但要 遵循算法中植入的几条简单规则：不要撞上其他的蝙蝠，跟上自己旁边的蝙蝠，离队不要太远。 当这些“算法蝙蝠”在屏幕上运行起来时，就如同真的蝙蝠一样成群结队而行了。

5.涌现——看不见的手

“蜂巢思维”的神奇在于，没有一只蜜蜂在控制它，但是有一只看不见的手，一只从大量愚钝的成员中涌现出来的手，控制着整个群体。它的神奇还在于，量变引起质变。要想从单个虫子的机体过度到集群机体，只需要增加虫子的数量，使大量的虫子聚集在一起，使它们能够相互交流。等到某一阶段，当复杂度达到某一程度时，“集群”就会从“虫子”中涌现出来。

蚂蚁研究的先驱者惠勒认为，集群所形成的超级有机体，是从大量聚集的普通昆虫有机体中“涌现”出来的。他指出，这种涌现是一种科学，一种技术的、理性的解释，而不是什么神秘主义或炼金术。

涌现是一种非常普通的自然现象。涌现这个概念表现的是一种不同类型的因果关系。在这里，2+2不等于4，甚至不可能意外地等于5。在涌现的逻辑里，2+2=苹果。当聆听巴赫时，充溢我们身心的所有“巴赫的气息”，就是一副富有诗意的图景，恰如其分地展现出富有含义的模式是如何从音符以及其他信息中涌现出来的。

要想洞悉一个系统所蕴藏的涌现结构，最快捷、最直接也是唯一可靠的方法就是运行它。就此而言，有什么潜藏在人类个体中没有涌现出来，除非所有的人都通过人际交流或政治管理联系起来？在这种类似于蜂巢的仿生超级思维中，一定酝酿着某种最出人意料的东西。这里有一个关于活系统的普遍规律： 低层级的存在无法推断出高层级的复杂性。

计算机科学家越来越意识到，蜂巢思维和分布式问题是一体的，它们都是从一大堆相互连接的部件中涌现出来的模式。

6.从量变到质变

事物的涌现大都依赖于一定数量的个体，一个群体，一个集体，一个团伙，或是更多。满满一槽的水，当你拔去水槽的塞子，水就会开始搅动，形成涡流。涡流发展成为漩涡，像有生命一般成长。不一会儿，漩涡从水面扩展到槽底，带动了整个水槽里的水。不停变化的水分子瀑布在龙卷中旋转，时刻改变着漩涡的形状。

不管我们在何时拔掉塞子，漩涡都会无一例外地出现。漩涡是一种涌现的事物——如同群一样，它的能量及结构蕴涵于群体而非单个水分子的能量和特性之中。一如所有涌现的事物，漩涡的特性来源于大量共存的其他个体，一滴水并不足以显现出漩涡，而一把沙子也不足以引发沙丘的崩塌。

数量能带来本质性的差异。一粒沙子不能引起沙丘的崩塌，但是一旦堆积了足够多的沙子，就会出现沙丘，进而也就能引发一场沙崩。一些物理属性，如温度，也取决于分子的集体行为。当连接度高且成员数目大时，就产生了群体行为的动态特性——量变引起质变。

7.区块链：二十一世纪的图标

原子是20世纪科学的图标。原子象征着简单所代表的质朴力量，代表着牛顿的机械论世界观，不管是科学还是管理，都遵从于自上而下的层级结构。一个带有禅意的思想：原子是过去，下个世纪的科学象征是充满活力的网络。

网络的图标是没有中心的——它是一大群彼此相连的小圆点，是由一堆彼此指向、相互纠缠的箭头织成的网。达尔文在其巨著《物种起源》中论述了物种如何从个体中涌现而出。这些个体的自身利益彼此冲突，却又相互关联。当他试图寻找一幅插图做此书的结尾时，他选择了缠结的网。

网络是唯一有能力无偏见地发展或无引导地学习的组织形式。所有其他的拓扑结构都会限制可能发生的事物。群的拓扑结构多种多样，但是唯有庞大的网状结构才能包容形态的真正多样性。

网络是群体的象征，由此产生的群组织——分布式系统——将自我散布在整个网络，以致于没有哪一部分能说，“我就是我”。无数的个体思维聚在一起，形成了无可逆转的社会性。它所表达的既包含了计算机的逻辑，又包含了大自然的逻辑，进而展现出一种超越理解能力的力量。暗藏在网络之中的是神秘的看不见的手——一种没有权威存在的控制。 原子代表的是简洁明了，而网络传送的是由复杂性而生的凌乱之力。

1962年，第一篇有影响力的论文《分布式通信网络》宣告网络的诞生，之后的几十年，网络得到巨大发展，发展成为有围墙花园的互联网。人们发现围墙花园并不是堡垒，反而更像是监狱。

区块链在这个时候应运而生，比特币在2008年金融危机之后首次打破围墙，创造了一个新的天地。经过近十年的发展，它已迅速发展成为一个3342亿美元的新兴行业。区块链基于P2P网络，融入密码学、概率论、计算机科学、行为经济学、社会学等多门学科，依赖群体智慧和涌现模式，组成了一个分布式、去中心化、协作及可适应性的网络。区块链将掀起一场革命，在这里，蜂巢似的群体是主角。

8.达尔文时代的数学原理

达尔文的自然选择说中最不能让人接受的部分就是它的必然性。自然选择的条件非常特殊，但这些条件一旦满足，自然选择就会无可避免地发生！自然选择也许不该被称为生物学定律。它发生的原因不是生物学，而是概率论。

进化不是一个生物过程，它整合了技术、数学、信息和生物学的过程，几乎可以说，进化是一条物理法则，适用于所有的群体，不管它们有没有基因。

我相信存在一种生命的数学。自然选择也许就是这种数学中的加法。要想充分解释生命的起源、复杂性的趋势以及智能的产生，不仅仅需要加法，还需要一门丰富的数学，由各种互为基础的复杂函数所组成。它需要更为深入的进化。 单凭自然选择是远远不够的。要想大有作为，就必须融入更富创造力和生产力的过程。除去自然选择，它必须有更多的手段。

一如乘法是某种连加运算，但从这种快捷运算中涌现出了全新的力量，如果我们只把乘法看成是加法的重复，就永远也不可能掌握这种力量。 只满足于加法，你就永远得不到E=mc²。

任何事物聚集成群都会与原来有所不同：聚合体越多，由一个聚合体触发另一个聚合体这样的相互作用就越有可能会呈指数级增长。在某个点上，不断增加的多样性和聚合体数量就会达到一个临界值，从而使系统中一定数量的聚合体瞬间形成一个自发的环，一个自生成、自支持、自转化的化学网络。

区块链就是这样的网络，聚合自组织的蜂巢，从多个维度上进行自然选择，在不同的尺度上，以不同的节律，用不同的风格运行着。这种多元化的深度进化，犹如智能，是从某种动态群落中涌现出来的。这种最具适应性的系统是如此不羁，以至于与失控之间仅一线之隔。进化的系统会自己找到这个平衡点。

引述阿博切那个怪人的话，他说：“我更关心那些空白的地方，那些能想象得到却实现不了的形态。”在区块链的网络里，未来已来！