蜜蜂在仿生领域中的应用案例及未来展望

　　摘要：仿生是一门古老又充满创新的学科，是人类对自然潜藏的发掘。而蜜蜂作为自然的一个重要组成部分，在各个方面都有人类值得取经之处。从仿生设计的角度出发，介绍了蜜蜂在不同领域的仿生应用，并且思考了蜜蜂仿生设计在未来的方向。

　　关键词：蜜蜂; 仿生; 设计;

　　Application and Development of Honeybee Bionics

　　LIAN Shu-han HU Fu-liang

　　1 蜜蜂仿生概述

　　自生命起源至今日，能够存活的物种都表现出了其对环境的适应能力。究其根源，每种物种的生理构造都直接或间接地表现出了适应环境的强大力量。在我们熟知的达尔文的自然选择说中便有“物竞天择，适者生存”的说法，环境主动淘汰了那些不能够适应的生物而选择性地留下了能够适应的生物。仿生学应运而生，人们开始在存活的物种身上寻找其值得我们学习的点，再运用到我们需要的地方。

　　据化石资料，蜜蜂在第三纪晚始新世地层中已大量发现。能够在漫长的进化过程中存活至今，其对于人类有着极高的借鉴意义。不论是对蜜蜂进行仿生的研究，还是借此创造出高效与可持续性的设计，人类都正在进行着并且持续进行着。

　　2 蜜蜂仿生领域的现有案例

　　2.1 蜜蜂个体的仿生设计———以在服装设计上的仿生设计为例

　　对蜜蜂的外部特征形态进行模拟，就是视觉仿真中最为直接的一种方式。这种方式在服装领域上很常见，早在西方拿破仑时期就将蜜蜂的元素作为皇室权力的象征运用到服装的设计上。后来设计师伊尔莎·斯奇培尔莉用金属的材料设计出了夸张的蜜蜂胸针，更是作为昆虫元素在服装设计上的先驱。

　　在服装设计的仿生运用上简单分为形态仿真、色彩仿真、结构仿生、材料仿生甚至文化仿生等[1]。以下是每种仿生设计的简单介绍。

　　形态仿真主要是外观上的模仿，纯粹地将蜜蜂原有的形态作为图案装饰来利用。

　　色彩仿真则无需拘泥于轮廓外形这些限制，主要是将蜜蜂背板上黄色与黑色在服装中巧妙拼搭运用。

　　结构仿真则将蜜蜂的内部构造抽象出来，比如抽取肌肉部分或是骨骼部分，再用艺术的设计手法全新地表现出来。

　　材料仿真指的是选取表现效果相似的材料来打造相似的效果，比如蜜蜂的翅膀与服装中的薄纱设计、金龟子的背壳与服装中的亮片设计等。

　　文化仿真则是将一些文化背景在设计中继承与发扬。据说拿破仑因为儿时有蜜蜂停留在他的嘴唇上，从此对蜜蜂格外喜爱。于是设计师便将这蜜蜂设计在皇室衣物上，久而久之蜜蜂成为了皇室权力的象征。蜜蜂在服装设计的历史里也有了文化背景的色彩。

　　2.2 对蜜蜂身体部位的仿生设计———以对复眼和蜇针的仿生设计为例

　　2.2.1 复眼仿生[2]

　　蜜蜂拥有一对复眼，而人类拥有的是单眼。复眼是由很多排布在曲面上的小眼组成的，复眼的视觉系统与单眼相比，占据着更小的体积却拥有更大的视场，并且对运动物体十分敏感，灵敏度也远胜于单眼。因此，很多学者开始着手对复眼进行研究来寻求在各种领域上的改进。最开始主要是对平面型复眼的研究，但在技术进步的过程中，仿生曲面复眼的设计被提出。并且在视场图像重构、目标快速定位和识别上取得了重要的进展。这些对于未来的飞行器和机器人导航或是各种探测和跟踪领域都有着重大的意义，不但是在仿生曲面复眼系统的研究进展上的重要一步，也是在仿生应用领域上的重要一步。

　　2.2.2 针仿生[3]

　

　　图1 蜜蜂蜇针的SEM图片[3]  

　　蜜蜂的尾部蜇针如图1所示。我们看到的蜇针的外形是锋利的，但是我们也可以观察到一侧是光滑的同时另一侧有逆针头方向的三角形凸包状倒刺，并且倒刺在针尖处最为密集。几乎所有昆虫的口器以及蜜蜂的蜇针都不是完全光滑的形态，于是人们借此原理开始制作仿生医用注射针。

　　人们在注射时对舒适度的需求不断提高，为此在注射时的低阻力便是研究的一个目标。以往我们可能会想当然地认为，越是光滑才能实现越低的注射阻力。而蜜蜂的蜇针不是光滑的，却能够在入某个刺入对象时凭借着不光滑的倒刺来产生滚动摩擦、产生微振动来减小刺入的阻力。

　　自然带来的智慧让低阻抑菌医用注射器的研究取得重大进程，人们通过仿生的方式改变针头的微观结构，来进一步实现在注射时的无痛和抑菌。

　　2.3 对蜂巢的仿生设计

　　2.3.1 单个巢房的仿生[4]

　　蜜蜂在建筑自己的巢房时采用了紧密排列的正六边形，除此之外每个巢房并不是像正六棱柱一样拥有平的底面，而是创造性地采用了3个全等的凸出的菱形组件了一个锥形。这种形体建构方式相比正六棱柱或是其他的形体，是形成单位体积所需材料最少的。这就是看似不起眼的蜂巢在结构中蕴含的高超智慧。能够实现在扩大了内部空间的同时又节省了所需要的材料。

　

　　图2 建模软件中展示的蜂巢形体（左）与普通正六棱柱形体（右）对比   

　　此外，在建筑领域、航空航天领域里，都有对上述蜂巢结构的仿生设计运用[5]。

　　蜂巢结构除了空间利用率大之外，还具有隔热隔音、坚固稳定等优点。在建筑的仿生设计中的六角形架构也充分地体现了力与美的结合。外观简洁精致，结构稳固高强。

　　2.3.2 蜂巢整体的仿生

　　除去立体形态的仿生运用以外，剖面的紧实的六边形结构在一种仿生吸引力鞋垫中也得到了运用。主要的结构是六边形的柱状TPU材料，足弓部位则是实密的TPU层。其中重心的六边形孔隙能够实现较好的透气性。在使用过程中由于重力的作用和六边形的孔穴可以让脚底与TPU材料产生相互的吸附力，增强稳固性。这种鞋垫也获得了国家知识产权局的实用新型专利[6]。

　　同样获得专利的还有一种蜜蜂仿生类植保无人机[7]，其无人机仿蜜蜂形态设计，而其六边形窗格形态的基站则为无人机提供了停靠的地方。这种设计不但来源于自然环境中的蜜蜂与蜂巢，也同样出于节约材料与追求轻便且抗震的目的。

　　2.4 蜜蜂行为过程角度的仿生设计

　

　　图3 左图为参考文献[6]中的鞋垫，右图为参考文献[7]中的无人机 

　　蜜蜂在自然生活的条件中无法做到像人类一样将蜂王浆或是蜂粮冷藏，但是这些物质在有蜜蜂的蜂箱里即使是在高温的夏日里也不会变质。这便说明了蜜蜂能够在常温甚至高温的情况下做到给蜂王浆灭菌。

　　而在以往的对蜜蜂的花粉制品的处理中，人们棘手的问题常常是如何做到给花粉灭菌。我们传统的熟悉的灭菌方式为加温，但高温会导致花粉制品的蛋白质成分变性，从而造成营养价值的丢失。

　　于是人们开始着手效仿蜜蜂对花粉的处理方式，模仿其从采集花粉到制作蜂粮的整个行为过程，最终研制出了能够在常温下对花粉进行提取和灭菌的仿生法加工生产工艺[8]，见图4。

　

　　图4 参考文献[8]中的仿生法工艺流程   

　　2.5 对蜂群的仿生

　　2.5.1 蜜蜂群体管理上的软仿生

　　虽然蜜蜂群体中的个体是在进行着本能性的重复性工作，而人类社会中的个体在进行着更加复杂性的劳动，仿佛蜜蜂群体的管理对人类没有什么可借鉴的意义。但是人类的社会秩序是人类依靠相关法规或是秩序而主动维持的，而蜜蜂的群体生活规律却看上去浑然天成。

　　于是这种软仿生便从蜜蜂的群体活动入手，将其中蕴含的一些基本原理抽象出来并且在人类的科学管理中进行模拟。再减去蜜蜂本能性的重复劳动，用人类社会更加复杂的劳动要素取而代之。最终得出了能与蜂群在自然条件下的生活规律相吻合的科学劳动原则。

　　研究的结果即是这3个基本关系：PTC关系、ORA关系和CMC关系。

　　

　　图5 PTC、ORA、CMC关系的具体内容[9]   

　　相应地，每种基本关系都对应着3个最佳化的原则。概括性地介绍，就是选择相互制约的条件高度和谐统一的原则。这种在科学管理基本原理上的软仿生，也是人类在科学管理方面研究中一个独特又有效的切入点。

　　2.5.2 蜜蜂群体在算法上的仿生

　　单个蜜蜂个体所做的行为是简单的重复性，但是由很多个体构成的蜂群却表现出了复杂性与高效性。蜂群总能够在不同的环境下迅速适应环境的变化，并且用很高效的方式采集花蜜。

　　2005年Karaboga将这种高效的行为模式被运用到算法中去，实现了算法上对蜂群的仿生，这个算法便是人工蜂群算法[10]。人工蜂群算法模仿了蜜蜂群体的工作原理，采用了多角色分工、协同工作的机制，因而也有鲁棒性强、适用性广以及个体失败不影响整体任务的优点。因此，蜂群算法凭借其独特的优点得到了较高的重视。许多学者都在深入研究其算法的优化，以及在不同领域中多样的应用。

　　蜂群算法目前可以应用于函数的优化、图像或是音视频的处理、人脸识别、实体器械制造等方面。并且算法正在不断的优化当中，正走向更宽更广的领域。

　　3 蜜蜂仿生在设计上的未来展望

　　人类自诞生以前蜜蜂就已经在地球上生存了，人类没有一天离开了蜜蜂。有说法说，不是人类在饲养蜜蜂，而是蜜蜂在饲养人类。而这个饲养，不止是物质层面上蜂蜜或是其他花粉制品的饲养，更是在仿生学上的“饲养”。

　　人类对蜜蜂仿生的研究正在不断向前推进，并且已经取得了很多可观的结果，在各种领域上也正发挥着重要的作用。而我们已经探究了的部分只是冰山一角，蜜蜂更多的秘密还在等待着被我们探索。或许在更加深度的探索之后，能够带来一些全新的改变，转而在更大更广的领域上大放异彩。

　　4 结语

　　本文主要介绍了蜜蜂在仿生领域上的应用，不论是蜜蜂个体还是蜂巢，抑或是它们的行为模式，都能给人类的研究带来指导性的作用。

　　仿生的形式是设计领域的一大重要设计方式。在设计类的课程中也就包含了形式解剖设计的内容。本次对蜜蜂的仿生研究除了让我更加深度地了解蜜蜂以外，也在研究过程中让我对形式解剖的仿生设计产生了自己的理解。仿生设计并非照搬蜜蜂的表征，在初步的模拟后可以用人类所习惯的元素加以替代，这样能够在吸纳仿生优势的同时又适应人类用户的使用特点。真正好的设计便是如此，能够广泛吸纳来自自然或是事物的优点，又能够将用户的潜意识行为融合进去，实现“无意识”设计。

　　这就要求仿生设计需要究其根源，要融入个人的思考。仿生的主体并非是被“仿”的生，而是主动去“仿”的人。相信在未来，人类也能更好地发挥自身的主观能动性，探索蜜蜂以及其他自然中的奥秘，并且不断创造出好的设计，促进更多领域的繁荣发展。

　　参考文献

　　[1]张祥爱,张静一.昆虫元素在服装设计中的运用探究[J].西部皮革, 2019, 41(12):33.

　　[2]史成勇.仿生曲面复眼系统设计及其图像处理研究[D].中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所), 2017.

　　[3]齐欣.基于昆虫口器的仿生低阻抑菌医用注射针研究[D].吉林大学, 2014.

　　[4]刘北庭.拜蜜蜂为师——浅谈仿生建筑学[J].知识就是力量, 2002(10):12.

　　[5]籍颖.论仿生元素在中国建筑设计中的应用[D].东北师范大学, 2008.

　　[6]张园芳,周素静.一种仿生吸引力鞋垫[P]CN204292335U,2015-04-29.

　　[7]李翔宇,文伟宇,邬桐,等.一种蜜蜂仿生类植保无人机[P]. CN108419787A, 2018-08-21.

　　[8]庄元忠,李玉珊.仿生法加工生产蜂花粉产品的新工艺[J].蜜蜂杂志, 2000(11):3-4.

　　[9]张景晨.科学管理仿生初探[J].科学学与科学技术管理, 1981(1):51-53.

　　[10]赵挺.蜂群算法及其仿生策略研究[D].浙江大学, 2016.