生物学家在深入研究蜻蜓翅膀的结构时,意外发现每个翅膀前缘的上方,都存在一块深色的角技加厚区。
这里被称作“翼眼”或“翅痣”。
当移除这些翼眼后,蜻蜓的飞行稳定性会显著下降。
这一发现揭示了翼眼在消除颤振危害方面的重要作用。
这一观察结果,为飞机设计师们提供了灵感。
如果他们能自觉运用仿生设计理念,就能更快地发现并利用这一原理。
从而大大缩短飞机设计周期,避免潜在的机毁人亡的灾难。
这一案例深刻启示我们,在科学技术的发展过程中,许多难题其实在自然界中已经找到了完美的解决方案。
因此,我们应该向自然学习,积极探索并应用其中蕴含的精巧工程技术原理,这将是一条创新的必由之路。
正是基于这样的认识,仿生学应运而生。
其实,仿生创新设计在军事领域的成就很多。
自20世纪50年代始,科技专家们逐渐将生物界视为技术思想、设计原理及创新之源。
仿生创新设计在军事领域的自动控制、航海、航空等方面取得了显著成就。
仿生学在军事领域取得显著成就,如从生物特征受到启发设计出多种先进装置和系统。
例如,受甲虫复眼启发,飞机地面速度-高度指示仪得以诞生;
借鉴水母接收次声波的原理,风暴报警器——“水母耳”被广泛用于天气预报;
受响尾蛇热敏薄膜启发,研制出能精确探测飞机、舰艇、车辆等目标物的热敏探测器;
此外,还模仿蝙蝠的回声定位系统,设计出先进的超声装置。
以及研究海鸟信天翁淡化海水的器官,创新海水淡化系统等。
仿生创新,这片广阔的天地,正吸引着越来越多的科技专家。
通过对生物系统的深入探索,他们不断从自然中汲取灵感,为技术和设计带来全新的思想、原理和方法。
后来,仿生学的领域已经变得极为广泛,涵盖了电子、机械、建筑、化学、物理等多个领域。
甚至延伸到了人体、宇宙以及生理等多个前沿领域。
这种向生物学习的模仿创新方式,正不断为人类带来新的福祉。
对于秦军来说,最前沿的应该算是芯片。
因为这方面的知识算是他的一个盲点,但是就算这样,他也知道仿生学能应用在芯片上。
甚至他还知道仿生学芯片这个概念。
不要说现在,就算是几十年后,很多人都不知道仿生芯片啥意思。
仿生芯片,顾名思义,是一种模仿生物系统运作原理的微芯片。
这种芯片的设计灵感主要来源于生物神经系统的运作机制。
尤其是人脑的结构和功能。
仿生芯片试图创建一种,能够模拟人脑处理信息方式的计算技术。
因此具有高度集成的神经网络。
这使得仿生芯片能够在较低的能耗下,执行复杂的数据处理任务,与传统的电子芯片相比,具有显著的优势。
这里要注意,仿生芯片与原芯片的区别很大。
比如原理与结构。
传统芯片主要基于电子工艺技术,用于逻辑运算、信号处理等方面。
而仿生芯片则通过模拟生物系统,特别是神经元的结构和功能,来执行计算任务。
这种模仿生命体的设计,使得仿生芯片在处理信息时,更加高效和节能。
再就是能耗与效率。
由于仿生芯片模仿了生物神经系统的节能特性,因此它在执行相同任务时,通常比传统芯片消耗更少的能量。
这不仅有助于延长设备的续航时间,还符合绿色环保的理念。
其实最重要的是自适应与学习能力的区别。
仿生芯片具有强大的自适应和调整能力。
它可以根据环境变化自适应调整硬件电路结构,甚至可以在线进化,实现自动升级和设计。
这种特性使得仿生芯片,在面对复杂多变的任务环境时,具有更高的灵活性和适应性。
而传统芯片则缺乏这种自适应和学习能力。
最后是应用场景与局限性。
虽然仿生芯片在某些特定领域如人工智能、机器人和无人驾驶汽车等方面表现出色,但其应用场景仍相对较局限。
后来的仿生芯片,还无法完全替代传统芯片在广泛应用领域中的地位。
这主要是因为仿生芯片的设计和制造成本较高,以及技术成熟度尚需进一步提高。
仿生芯片作为一种新兴的芯片技术,尽管在设计和制造成本上较高,并且应用场景相对较局限。
但其独特的生物模仿设计和节能高效的特点,使得它在某些特定领域具有巨大的潜力。
随着技术的不断发展和成本的降低,仿生芯片有望在未来拓展到更多应用领域,成为新时代的重要技术之一。
同时,传统芯片仍然将在很长一段时间内发挥重要作用,两者之间的互补和融合将是未来芯片技术发展的重要趋势。
而这些都涉及到仿生芯片及其他智能芯片。
自然计算和仿生计算,都是随着计算机硬件和计算机科学的进步,而发展起来的。
这些计算范式和算法涵盖了非常广泛的领域,其中发展最快的要数现在用得最多、最广的人工神经网络。
这也是芯片实现最成功的领域。
自然计算包含的范围很广,它不但包括对生物机制的模拟。
还包括对大自然的物理(包括量子物理)、化学现象,及社会、文化、语言、情感等复杂自适应系统等的模拟,具有一定的智能机制。
它被用来解决传统算法解决不了的问题,主要是在解决最优化问题上显示出强大的生命力和进一步发展的潜力。
由于这类计算把大自然中有益的信息处理机制作为研究和模仿对象,也有人把这类算法称为“智能算法”。
自然计算的算法,有退火算法、遗传算法、文化算法、蚁群算法、细胞神经网络、模糊算法、情感计算的算法、烟花算法等。
也包含量子算法。
这些算法可以用数字芯片或模拟芯片实现,很多是用FPGA实现,或者仅利用多核CPU进行模拟。
而最近几年备受瞩目的量子计算,也有不少公司和大学研究所采用普通互补金属氧化物半导体硅基芯片,或硅光芯片来实现。
现在,研究人员已经看到了用这样的芯片实现量子机器学习、量子AI计算的曙光。
仿生计算是对大自然生物机制的模拟。
包含遗传计算、细胞自动机/细胞神经网络、免疫计算、DNA计算(又称分子计算)等。
生物体的自适应优化现象不断给人以启示,尤其是生物体和生态系统自身的演进和进化,可以使很多相当复杂的优化问题得到解决。
仿生算法主要利用FPGA实现,因为仿生芯片需要支持运行期间的硬件动态重构,还要有一定的容错性和鲁棒性。
仿生计算应该属于上述自然计算的范畴,但因为它对AI芯片的未来发展会有重大影响,所以在这里专门列出。
如前边所述,AI芯片的一个关键问题是“自学习”及“自进化”。
这依靠什么来解决呢?
如果我们关注一下仿生芯片的几大特点,就会有比较清楚的认识了。
首先仿生芯片无须人工干预。
通过自身在线进化,可以实现自动升级(不仅是软件升级,更主要是硬件升级)和自动设计。
其次是仿生芯片可以根据环境变化自适应调整硬件电路结构。
随着芯片技术的进步,现在已经可以做到接近实时(10~15个时钟周期)的自适应速度。
就是说像一条变色龙那样,到一个新环境,马上就“变色”(改变硬件电路)。
再就是仿生芯片可以自己修复错误。
现在芯片的线宽已经达到7nm及以下,非常难以控制故障的出现。
仿生芯片具备容错功能,能自动恢复系统功能。