现代生物学与生态学理论（论如何从生物学推进的观点看生物仿生学与生态学分类）

文|煮酒

图|煮酒

仿生是指通过自然界的进化，从适应环境的生物体的结构、功能、过程和机制中获取灵感，从而发展可持续发展的世界的合作过程。从生物学和生态学的观点来看，仿生学的分类系统可以为社会、环境和经济的可持续发展提供一个框架。因此，本研究的目的是对生物和生态功能进行分类，并提出一个协作仿生学系统，建议工程和工业部门可以应用仿生学功能。基于生物推动，生物和生态功能被分为六个具有具体特征的分组，与技术和工业领域相关。通过制定新的生物功能框架，仿生系统可以用作简单的分类工具，以确定最终产品的预期价值，并提供工程和工业所需的知识数据。

进入21世纪以来，随着第四次工业革命时代的到来，仿生学一直受到全世界的关注，其所依托的市场规模有望扩大。仿生学技术通常被定义为一种可持续的创新技术，它模仿并应用自然的结构和功能来实现增长.它也是一种多学科融合的技术，通过进化来模仿自然和优化环境。在过去的几十年里，不同的学术学科使用了不同的术语，如仿生、仿生、仿生、生物灵感和基于自然的解决方案，指的是本质上类似的动态。在珍妮·本尤斯之后，仿生学一词开始流行仿生学:受自然启发的创新出版于1997年(Benyus1997).仿生学强调解决可持续发展的问题，并探索其在自然界的模式，以扩展作为社会运动的意义。

这个词意味着模仿一个生物和生态系统，根据生物和生态特征和环境条件适应和进化。仿生一词是由奥托·h·施密特在20世纪50年代提出的(哈克尼斯2002)，指的是研究生物生产材料的特性和过程，以便通过模仿自然来生产产品的学术领域.国际标准化组织正式使用仿生学来涵盖研究生物材料的形式、结构、功能、机制和过程的学科和技术的跨学科合作(ISO2015).仿生学最早是由杰克·e·斯蒂尔在1958年使用的作为生物和电子的合成词。

它是与模拟生物功能以解决工程问题的技术领域相关的学科，并且通常用于模拟物理机制或行为(Chiu和Tseng2015).生物灵感是指刺激非生物科学和技术研究的生物现象，术语“基于自然的解决方案”在2016年世界自然保护大会上获得通过，并由国际自然保护联盟(IUCN)制定2019).它被定义为保护、持续管理和恢复自然和不断变化的生态系统的一系列行动。它为人类提供福利和生物多样性的好处，并解决社会挑战。解释上的巨大差异来自于一个学科从哪里开始基于生物结构、生态功能和技术的作用进行构建。不管名称如何，这些学科的研究人员一直致力于通过反映生物学、生态学和生态系统现象中的各种概念来扩大研究和技术发展(Robinson等人。1999、埃梅尔曼等人。

2011，张2012、德尔丁和舒克内希特2014、克林和莫雷诺2015).通过模仿优化的自然系统，有可能适应自然并为机器人、电子、能源、纺织、化学和建筑等技术开发高效和可持续的环境解决方案。

仿生是生物学和生态学领域最相关的术语，其灵感来自于生物体的基本结构、原理和生态系统发生。仿生学不仅仅是从生物学和生态学到技术的过渡；相反，它涉及系统地找出自然界，即生物学和生态系统中已经存在的功能特征。仿生学，从解决方案驱动方法的角度来看，或生物学推动(ISO2015)应用通过研究生物功能原理获得的生物学知识，并侧重于促进生物多样性价值的生物和生态资源活动。

通过将仿生学应用于工程，许多技术挑战可以得到解决。应用仿生学意味着找到并模仿一种生物和生态模型来解决社会、环境和经济的综合可持续发展问题。因此，关于利用技术解决社会和环境问题，积极利用技术的基础必须是生物学和生态学的结构和功能原则。这样的基础是发展蓝色经济所必需的，并通过促进仍处于早期阶段的仿生技术的扩展和发展，激励科学和工业振兴可持续社会的范式.事实上，需要一个可以作为仿生技术加以利用和开发的仿生知识数据库，因为仍然很少有数据库来汇编仿生功能的生物和生态特性.

对如何构建仿生概念系统的分类和描述是生物学推进的开始。例如，为了将仿生技术应用于结构、材料、传感器和信息处理，必须编制生物功能的列表和描述。然后，生物学和生态学衍生的仿生功能分类可以通过类型与仿生技术相互联系，并进一步设计用于工业领域.尽管目前工程领域中关于生物和生态的信息和知识很少，但仿生的功能分类在从生物学推动的角度发起仿生方面具有很大的优势。例如，仿生的功能分类可以即时和实际地识别所需的仿生应用并获得想法。因此，目前的研究适用于理性和跨学科领域，因为它发展了生态概念仿生的功能分类，适用于生物和生态推进的仿生。而不是进行全面的功能分类。本研究的目的是建立仿生学的功能分类，强调对生物和生态功能进行原理分析的必要性。

1.从生物学和技术角度看仿生学方法

值得通过研究和分析通过与工业的联系对必要的仿生技术的需求来确定仿生利用的潜力。这种分析还可以从生物和生态信息中提取知识，并最终用于为技术发展进行仿生研究。对于仿生学的研究，生物推动方法和技术拉动方法是不同的生物推送是研究仿生资源的一种方法。生物推动的一个例子是牛蒡种子形状的发现，这导致了Velcro的发明。

相反，技术拉动被认为是一种自上而下的方法，而概念来源于应用生物功能解决技术问题。技术拉动的一个例子是通过应用翠鸟入水时的喙功能得出的想法来解决日本新干线子弹头列车的噪音问题.技术拉动寻求找到定制仿生的特征和特性。为了掌握工业技术需求，应优先考虑技术发展中最紧迫和最困难的问题领域，如能源和资源效率、环境破坏、可持续性和创造就业机会。其次，应注意调查可用于选定的解决问题技术的生物区系和生态系统类型的特征。例如，如果落叶松根的生态功能和关于虾的净化功能的生物和生态信息是可用的，它可以帮助用于水净化的污染物净化功能的技术领域。当前的研究集中于从生物学和生态学的角度进行仿生研究，并强调生物学推动。

跟上先进国家的系统并调查其国内生物学和生态学特性的资源以及获取仿生分类方案的信息是至关重要的。自然结构色彩的领域(帕里和萨维2016)和人工传感器(Stroble等人。2009)在生物推和技术拉两方面都可以选择和集中。从长远来看，仿生学在利用教育内容提高对生物多样性价值的认识方面的进化意义也将具有社会价值。

为了方便仿生学和技术开发的用户，有必要开发一个归档平台来收集关于仿生学的信息和想法，以便为这两种方法建立联系点。换句话说，有必要开发一个接口，使仿生理念数据库和大数据数据库可供技术和工业领域以及公众使用。此外，有必要开发一个在线服务平台，可以交流仿生思想和信息，以便为研究人员、企业和公众提供仿生知识、技术服务和创业信息。当然，物种和生态系统特征方面的专业知识以及计算机科学领域的多学科合作是必不可少的。

2.仿生分类和应用领域

持续仿生学技术和知识的发展需要实地调查、研究和技术需求分析。本研究发展了仿生学的功能分类，以便在生物学和生态学特性与技术应用之间建立有效的联系。所以有必要为每个研究和技术领域开发一个独特的系统，因为生物学和生态学领域的仿生处于相对早期的发展阶段。

基于每个物种和生态系统的结构和功能特征的观点，我们制定了一个与技术发展和工业领域相联系的功能分类，以解决问题。基于研究，生物和生态功能被分为六组，每组又被分成代表每种功能可观察特征的亚组.主要的组被分类如下:

第1组包括形状、形式和颜色，然后将其分为身体、表面、器官和组织亚组;

第2组是行为，细分为力、运动和反射；

第3组是代谢组，又细分为光合作用、能量、呼吸、循环、生长和衰老;

第4组是感觉和知觉组，细分为可见性、听觉、触觉、触觉和神经；

第5组是防御和通信，细分为气味，香，声音；

第6组是生态过程和系统，它被细分为能量流、物质循环、相互作用和社区。这些组然后被分类到各自的仿生分类和应用领域。当生物和生态功能应用于下列工程和工业部门时，可持续发展自然就会出现。

然后将这些组和小组与工程和工业领域联系起来，以展示仿生技术的发展如何适用于某些应用。可以应用于仿生技术的工程领域是结构、材料、操作、控制、过程、工具、传感器、信息、处理、过程和系统可以销售工程领域开发的技术的工业领域是化学加工、材料、建筑、塑料生产、橡胶产品、水处理和水管理、纺织、机床、交通和通信、建筑、计算机和电子、设备、油漆和印刷以及环境管理.

上述功能分类是根据生物和生态方面进行分类的，并根据分类对工程和工业的适用领域进行了分类。虽然这项研究中列出的领域没有包括所有的工程和工业部门，但仿生研究将导致更广泛的工程和工业领域。此外，通过有效地识别满足将来要构建的数据库搜索算法的技术要求的最佳生物和生态功能，可以在选定的区域中使用这种分类方案.为了开发搜索算法，需要大量可以利用深度学习算法的数据。

因此，保护大量带有文档、媒体和专利标签的数据非常重要。整合生物学和生态学的零碎信息，通过分析生物学和生态学特征的原理来收集信息，将是构建仿生知识库的开端。然后，数据库中积累的生物和生态知识提供了解决技术难题所需的生物和生态功能的必要信息。在数据库系统中，可以选择性地链接生物和生态以及工业领域的功能系统。因此，可以高可靠性地指定仿生知识数据库。

3.仿生视角的关键策略

发展仿生学研究和技术的主要目标是实现社会的可持续经济.可持续性的一个重要方面是社会各种需求之间的良好平衡。通过仿生学技术的政策发展，有可能促进不同领域之间的融合，这种发展可能对构建不同领域的研究和技术发展基础设施产生明显影响。如上所述，本研究从生物学推动的角度构建了生物学和生态学的功能体系。然而，仿生研究的真正驱动机制必须是生物学和生态学领域与工程和工业领域的融合。在生物和生态领域，需要仿生学研究来调查生态特征，并收集和组织与生物和生态有关的信息。在工程领域，有必要将它们应用于需要解决社会问题的地方。为此，提出了生物生态学领域与工程领域合作的策略:

(1)调查生物生态学的功能，分析主要功能，组织相关信息；

(2)基于仿生学研究的安全可持续技术；

(3)为利用仿生技术奠定基础。

对仿生学的需求日益增长，因为它可以成为持续社会创新和增长的驱动力，也可以基于生态系统解决环境问题。虽然大多数成功的案例都是基于技术工程需求，但现在是从生物学和生态学的角度为生物特征的结构和功能原理积极应用于技术需求奠定基础的时候了。这项研究的主要结果是设计一个仿生系统，对生物和生态特征进行分类，然后将每个功能特征与可以利用技术的实际领域联系起来。仿生学研究和技术可以通过展示生物多样性对后代的经济重要性，为可持续发展目标做出贡献。

参考文献：

Benyus, J. M. （1997）仿生:受自然启发的创新。

Berenbaum, M. R., and A. R. Zangerl. （1998）植物与其昆虫食草动物之间的化学表型匹配。美国国家科学院院刊95:13743–13748。

Bhushan, B. （2009）仿生学:来自自然的教训-概述。皇家学会哲学汇刊A:数学、物理和工程科学367:1445–1486。