我国高新技术产业的发展状况
跨入21世纪，我国进入了加快推进现代化和积极参与经济全球化的新时期，将迎来实现跨越式发展的历史机遇，也将面临严峻的全球性竞争和挑战。目前我国已经在高速宽带网、高性能计算机、超大规模集成电路、大型应用软件、国家空间信息应用与服务，生物芯片、生物技术，特种功能材料、纳米材料、高性能结构材料，现代集成制造系统、机器人和飞机制造等航空航天技术等领域获得了突飞猛进的发展。2003年上半年我国高新技术产品进出口总额达950亿美元，其中出口达440亿美元，比2002年同期增长了50.8%，显示出高新技术产业发展的强劲势头。
在高新技术产品中，特别引人注目的是在我国当前优先发展的高技术产业化141个重点领域中，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，发酵工程关键技术及重大产品，医药新剂型，新型医用精密诊断及治疗仪器，新型材料——纳米材料和特种粉末及其制品，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等(不包括航天航空技术在内)。这些项目的实施将为我国国民经济的腾飞和持续发展提供了有力的保障。
国内外仿生学的发展基本动向
进入21世纪前，各国都在发展仿生学这门交叉学科的基础研究上作了精心长期计划准备。例如美国有一项长期研究计划，将优先发展先进制造(其中包括模拟与仿真，传感器，生物技术，微制造)、先进材料(材料合成，加工技术研究，创造新材料和新工艺等)以及先进军事装备研究等领域。德国的研究与技术部已就“21世纪的技术”为题在自适应电子技术、纳米技术、富勒碳材料、光子学、仿生材料、生物传感器等投人了相当大的财力和人力。英国政府也早于1993年5月发表了《运用我们的潜力一科学、工程和技术战略》的科技白皮书。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。从这些科技发展计划中明显看出各国都在仿生学研究领域内展开源头研究的剧烈竞争，以便在21世纪的世界市场上占有主动地位。
目前国内在仿生学领域内的研究工作已经具有一定的研究基础，在仿生结构、生物力学、仿生材料、仿生微结构、仿生功能元件、仿生化学等方面都有一定的进展和研究积累。
近十年来，不仅科学技术成果甚丰，而且它们被迅速地转化为工艺相关产品，应用于经济、军事和人类的福利与健康，创造了巨大的经济效益。从科技战略意义上说，目前科学技术先进的国家在研究成果商业化方面的竞争比在研究与开发方面的竞争更为激烈。这种竞争进一步推动现代科学技术发展，使崭新性和增益性的创新成果不断涌现，产品和工艺不断改进。
21世纪仿生学对我国高新技术产业的影响
仿生学(Bionics)是从生物界发现机理来解决人类技术上问题的一门综合性的交叉学科。今天的仿生学是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的一门学科。国际上颇有声誉的动物学家Wemer Nachtigall博士提出仿生学就是学习自然界的现象作为技术创新的模式"的基本概念。那未21世纪仿生学研究将会对我国高新技术产业产生怎么样的影响，下面举一些例子来说明：
波恩大学植物学家William Borthlott博士及其同事通过对莲花叶表面的超微结构和性质的研究发现了莲花叶的自净基本原理，称为“莲花效应"。它对人造表面的防污原理有着非常重要的意义。目前美国汽车制造业已经开始研究如何将这种自净原理用于汽车制造业。在汽车工业中轮胎的设计非常重要，必须具备较好的摩擦性和抓地性能。最近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。采用这种新概念的轮胎，增加了轮胎与地面的摩擦力，大大降低了刹车距离，提高了安全性。同时，这种轮胎表面的柔软性和硬性网状结构设计提供了较大的抓地性和运行精度，这类新概念的轮胎目前正在进行实地试验，不久即将问世。这对世界和我国的轮胎业将会产生很大的冲击力。
另一个例子是2002年德国米勒公司推出一种新型的洗衣机，其内桶结构是由Mirtsch教授根据蜂巢形状所设计，据他称：“若不是从仿生联想而来，我们决不会设计出这种形状的洗衣机。”这个独特的洗衣机的洗涤过程是柔顺的，所洗的衣服特别干净，这类利用仿生学的原理所设计洗衣机将对目前世界洗衣机业产生巨大的挑战。据统计，我国目前每年洗衣机的更新量为500万台，这就意味着我国自行设计的洗衣机在今后能占多大的市场份额，值得令人思考。
在纺织工业中，人造纤维的仿生合成工艺研究也在紧张地进行。科学家在研究了蜘蛛丝的强度、结构和生物合成过程后，提出了人造纤维生产技术的重大变革。这也将在本世纪对现有纺织业产生巨大的冲击。在超微结构研究中的另一个重要例子是对一种海洋生物海绵(Sea Sponge)结构研究表明，其基部的针状物大小与光导纤维相似，材料性质相同，类似现代的光导纤维的结构，但不易断。贝尔实验室和美国朗讯半导体公司Joanna Aizenberg博士及其同事测试了它的光学性能后，发现这种针形物及笼型构造具有很高的光反射指数，具有相当出色的信号传输能力。而这种针状却不易断(这是光导纤维通讯的主要问题)。难能可贵的是这种天然纤维是在室温下形成，而制造光导纤维是需高温的，这样就很难加入特殊杂质去改善其传输性能。这类仿生学的研究对光导纤维的制造工艺将会有很大的启示和推动。
21世纪具有更大挑战性的领域将是计算机。提高计算机的运算能力和减小体积是目前计算机研究领域的热点。2001年以色列魏茨曼科学研究所宣布由Ehud Shapiro博士所领导的研究小组已经研制出一种体积小到像一滴水那样的DNA计算机模型，该计算机模型就是利用DNA和酶作为它们的软件和硬件，且不需要外来电源。据报道，1微升DAN溶液的运算速度每秒可达660亿次。
即使计算机的速度提高了，体积缩小成微型了，但有一个问题仍然阻碍着计算机的发展，即计算机与人的思维间的接口。现在工业界和科学界都在为解决这个障碍展开剧烈竞争，其结果有可能发展一种与机器通讯的最容易的表达方式。最近在《自然》杂志上报道了美国杜克大学的一项研究，即利用猴的脑信号通过互联网操纵1000公里外的机器臂的研究。该系统是用埋 入猴脑用于检测脑信号的96个细如发的微电极，分别记录单个神经元的信号，随后利用一个编码算法的计算机综合这些信息(由计算机通过互联网发出信号来控制机器臂来完成指定动作)。这项研究展示了人脑和机器的接口方面的进展。目前这项技术已经可以使瘫痪病人用脑来控制和完成某些动作。
21世纪的生物力学研究亦将在军事领域内展开空前的竞争。20世纪末，各种先进微型制造技术，微机电系统，微电子和一体化技术的迅速发展，为军事装备领域的发展奠定了扎实的基础。据美国《华盛顿邮报》报道，由加拿大多伦多大学和美国加州SRI国际研究公司共同开发，模仿蜻蜓飞行姿态的扑翼飞机(见题头图)已试飞成功，成为世界上首架可在空中盘旋十多分钟的扑翼机等等。
动物感官的仿生研究也一直是比较活跃的领域。依据生物原型所研制成功的电子模型已广泛用于化学、食品、香料工业中，还可以用于分析矿井、潜艇、宇宙飞船座舱和仓库里的气体，以及用于输气管检漏和探矿。模拟生物嗅觉器官制成的电子鼻模型使自动分析仪器更灵敏、快速和小型化。在研究了苍蝇嗅觉器官的生物化学本性和化学反应转变成电脉冲的方式之后，已仿制成十分灵敏的小型气体分析仪。这种仪器已装置在宇宙飞船座舱里用来分析其中的气体。同时它也可测量潜水艇和矿井里的有毒气体，可以及时发出警报。
狗是以其鼻子灵敏而著称的，它能感觉数万种物质的气味和浓度，检测灵敏度已达到数个分子的水平。人们研制一种能代替警犬的电子仪器，这就是所谓“电子警犬”，“电子警犬”可以发现苯、染料、漆、氨、树脂、瓦斯、新鲜苹果和香蕉的气味，因此它可以用在手术室、仓库、汽油库和工厂区进行气味检测。这种仪器发现上述气味的灵敏度已达到活狗鼻子的水平。从研究昆虫的嗅觉直至昆虫交配的化学通讯系统，我国科学家研制成功仿生诱芯，这类仿生诱芯释放着和活雌虫几乎完全相同的化学通讯信号，就像一个活雌蛾在召引雄蛾。仿生诱芯已经在我国农林业的害虫测报和防治上大面积应用，并且已经产业化。
能否研究出一种不需光合作用的人造植物叶，世界上不少科学家都在为此努力。据美国橡树岭国家实验室的Ligen G. Wang最近在《物理学通讯》中描述的为什么有些物质在某特定条件下能催化二氧化碳转化成其他有机分子，例如普通颗粒的硒化镉(CdSe)不能进行这样的反应，而该富镉化合物却能在纳米大小下发生反应。这类纳米级的晶体何以能进行这类反应，是因为从金属转移电子给二氧化碳分子上所需的能量很少。科学家进一步计算出假如将铟原子加到纳米级化合物晶体内，反应就并不需要光能了，这就可能造出人造叶，即使在黑暗下，也可以用这类人造叶来消除二氧化碳，。尽管这项研究还未真正涉及到植物叶的完整功能，但已经显示出它在环境保护领域内的巨大应用前景。
然而，在经济高速发展的今天，我国科学家们和高新技术企业必须重视从自然界的创新源泉中去获取属我们自己的新技术，新方法，新工艺和新理论，来加速我国高新技术企业的持续发展。
[作者单位系中国科学院上海生命科学院植物生理生态研究所]
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什么叫仿生学？
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他许多学科。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、体内物理和化学的过程、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，来改善老的、创造新的各式各样自动装置、调节系統；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，仿生学不只是单纯地模仿生物的卓越功能，并巧妙和精确地应用到工程技术上。同时，仿生学又通过对自然界所发生的现象进行探索，究其因果，恩索，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。很难举出一个例子说明一个学科是与仿生学没有关系的，生物学就不去说了，生理学、神经学、心理学、流行病学、电子学、物理学、生物物理学、医学、化学、数学、空气动力学、计算技术、通讯、自动化学、控制论，航空和航海工程都和仿生学有密切的关系，并形成了一批新型专业，诸如仿生化学、仿生机械、仿生设计学、机器人学等等。
仿生学的诞生
仿生学的历史可以追溯到许多世纪以前，但只是到了20世纪40年代，仿生学才真正开始开花。而这个起决定作用的事件就是电子计算机的出现，使许多人感到惊奇，震动了世界。有人大胆地设想，人类完全有可能制造出一个能真正思维的人工脑，它们以类似于人脑的思维方式进行思维。
20世纪可以说是把多少世纪以来所发现的一点一滴的零碎知识，开始结合而汇集在一起，并使它们具有更新的意义。随着仿生学研究的迅速发展，到1960年9月才真正召开了第一届仿生学国际会议，正式宣布一门新兴学科——仿生学的诞生。
从1960年开始至今，随着科学技术的不断发展，模仿生物的基本生命活动形式也越来越广泛，越来越深入。早期是模仿生物的形态和简单的机能，逐渐发展到模仿生物的复杂器官和功能，模仿生物形态结构的最简单例子就算是鸡蛋了。鸡蛋壳是自然界中薄壳结构中的典型，即使你用手紧握一个鸡蛋，对一般人来讲无论你如何用力，也是很难将鸡蛋壳弄碎的。这是因为蛋壳的结构不仅具有拱形的特点，而且还有一层很薄的弹性膜，它和蛋壳一起构成了预应力结构。因此尽管蛋壳很薄，却具有很高的强度。
然而，人类就很快地在建筑业和建筑设计上引起了一场建筑设计的革新，根据龟壳和贝壳的形状，设计和建造了各种“气泡式”，“贝壳式”等等薄壳结构的建筑。
按照蜂巢的结构制造一种新型纸蜂窝墙板。在模仿生物器官功能方面，就有模仿狗鼻子制成的电子警犬；模仿鲎的视觉制成的鲎眼电子模型，在雷达，电视等系统中都应用它。这类例子枚不胜举。
近十年，仿生学已经从宏观的形态功能模仿发展到分子模仿。诸如，模仿神经细胞的功能制成许多种人造神经元，从海洋生物中去寻找哪些能够有效治疗癌症和其他疾病的模拟化学结构和骨架；模仿生物界生命活动中的代谢机理和微脂粒功能开发进入血管的药物潜艇去攻击异常病变细胞；借助人体生物电原理制造出有知觉的假肢；探索模拟神经网络的生物计算机，还有诸如洗衣粉中的人工模拟酶；能自行复制的人造分子等等。
仿生学与发明家
牛顿在剑桥大学期间，由于当时欧洲流行大瘟疫学校停课，就回乡下老家避难。他常在家园的苹果树下沉思这样一些问题：“物体的运动遵循什么规律？树上的苹果为什么会落下来？为什么月亮不会从天上落下来？”，当牛顿发展出微积分与力学的三大运动定律后，他回忆这段苹果树下思索的日子说：“这一段日子是我一生中的创造巅峰期，也是我对数学与哲学最为用心思考的时光”。自然界的现象给予牛顿思维上的启示是巨大的。
从“世界发明发现总解说”一书中记载了世界发明家的故事。发明家们的发明都不是所谓“纯属偶然”产生的，而都是通过对自然界的规律、现象、原理等观察和探索，经过最周密的思考和推理而产生的。
例如DNA分子结构的阐明可算是一个思索和探索的范典。1951年秋，23岁的美国青年詹姆斯·沃森(Jamesy Watson)以留学生的身分进入了剑桥大学的卡文迪什实验室。他曾在印第安纳大学研究遗传学，当时他的指导教授就已经看出DNA可能与遗传有关，认为要想解释一些遗传的法则，必须先阐明DNA的分子构造，因此，就叫沃森国外去留学。
当时，他认为单纯采用生物化学方法来阐明DNA的构造，可能会收获不丰。年青的沃森自认为结晶学才是解开DNA结构的捷径。在进入卡文迪什实验室，结识了物理学家弗朗西斯 · 克里克(Francis H. C. Crick)。他们志同道合地来探索DNA分子构造。他们的研究方式别具一格，很少做实验，宁愿专于分子模型的组合。
DNA是由糖、磷酸、核苷酸所构成的高分子。如何排列这些要素才能获得稳定的分子构造呢？他们以极大的耐心反复地摆弄这些分子模型，认真地思考，装起来又拆掉，一年如一日，然而毫无进展。就在他们专心研究DNA分子构造时，他们看到美国化学家L. C. 鲍林(Linus Carl Pauling)阐明了蛋白质的一种胶原质的构造是螺旋状构造的报道，从中得到暗示，他们推断DNA也必定是“螺旋状”构造。也就是说，由糖和磷酸构成的DNA骨架部分是盘绕成螺旋状。反复思索其排列方式，最后终于知道螺旋的形状是两根骨架平行排列相互缠绕盘旋的双螺旋形。剩下的问题是如何排列DNA|中四种不同的核苷酸。
但不久他们就摸索到正确的答案，由腺嘌呤和胸腺嘧啶，鸟嘌呤和胞嘧啶组成一对，结合成两根骨架，这样双螺旋模型就完成了。这不但是化学上的完美分子模型，而且给遗传学的根本问题带来了答案。
