仿生工程在现代农业中的应用与展望

2020-02-16孙刚房岩金丹丹龙彪王雪纯杜娟黄俊江

农业与技术 2020年1期

孙刚　房岩　金丹丹　龙彪　王雪纯　杜娟　黄俊江

摘要：作为一门新兴的交叉学科，仿生工程为仿生学、生物学和工程学之间架起了一座沟通桥梁，解决了诸多技术难题，显示出强大的生命力和广阔的应用前景。包括结构仿生、材料仿生、功能仿生、纳米仿生在内的仿生工程，将大大推动现代农业的发展，为农业生产信息化、自动化、工厂化、绿色化提供可靠的技术支持。人工智能将进一步向农业领域渗透，发挥更加重要的作用。

关键词：仿生工程;现代农业;结构仿生;功能仿生;材料仿生

中图分类号：S-1文献标识码：ADOI：10.19754/j.nyyjs.20200115016

收稿日期：2019-07-03

基金项目：国家自然科学基金项目（项目编号：31671010）;吉林省自然科学基金项目（项目编号：20180101280JC）;吉林省教育厅“十三五”科学技术项目（项目编号：JJKH20181167KJ）;2019年三明学院大学生创新训练项目

作者简介：孙刚（1969-），男，博士，教授。研究方向：生物、生态界面;通讯作者房岩（1965-），女，博士，教授。研究方向：仿生学。

引言

地球上已知的生物超过800万种，经过几十亿年的协同演化，结构和功能完美地适应环境和生存，并为人类提供了无限的设计灵感。从简单的细胞到复杂的组织、器官、系统，从原始的单细胞生物到高级的哺乳动物，都存在着多种多样的控制、调节和代谢机制。仿生学是研究生物的特征和原理、模仿并有效实现生物的结构和功能的一门学科。科学家越来越认识到生物系统和自然系统是新技术、新发明、新设备的设计源泉，运用数学、生物学、化学、物理学、计算机科学、系统论、控制论、信息论等理论和方法进行了深入的研究，极大地促进了仿生学的发展。仿生学与工程学交叉产生的仿生工程，在工业、农业、军事、航空航天、建筑、日常生活中展现出广阔的应用前景。近年来，仿生工程受到了越来越多的关注，在形态、结构、材料、功能的模拟和优化方面，均取得了令人瞩目的研究进展。在这一时代背景下，仿生工程对现代农业无疑是新的发展机遇。

1结构仿生与现代农业

仿生设计在认知和模仿自然界、生物界（包括植物、动物、微生物、人类等）外部结构的基础上，揭示其内部的组织方式和运行规律，为人类的优化设计提供创新启迪。农业机械的外观与其使用性能之间直接相关。目前，农用机械的设计大多忽略外观表现，仅集中于使用功能，严重缺乏融合力和親和力，农民无法获得良好的使用体验。将仿生工程技术应用于农用机械的设计，不仅能够改善其使用性能，而且使外观更加美观、形象，大大增加了人们在使用过程中的亲切感。新型仿生农机具，如仿生开沟器、仿生深松铲、仿生犁、仿生圆盘耙、仿生播种器等，已经实现了高效、低耗、环保的效果[3]。

2材料仿生与现代农业

很多生物具有精巧的结构和特殊的材质，可以将生物的各种微观构造特点用于农业机械的设计中，能够更好地满足生产需求[1]。生活于土壤中的微小动物，体表材料与形貌的共同作用使其减粘脱附[2]，科学家模仿这种生物表面结构和组成材料，用于农业机械的设计中，有效提高了综合作业效率。模拟蜣螂头前部研制的仿生推土机，减阻可达18%以上;模仿土壤动物弹性和蠕动行走方式研制的仿生铲斗，减阻接近16%，脱土可达60%。仿生犁已在吉林省、黑龙江省大面积耕地应用，减阻最高可达15%，实现了显著的经济效益和环境效益[3-5]。

3功能仿生与现代农业

生物各种优异的功能给人们很多设计的灵感[4]。任露泉院士团队通过研究发现，蚯蚓、穿山甲、马陆、田鼠等土壤动物生活在粘湿环境中，体表独特的非光滑结构可以使其脱土，从而提高移动效率和生存概率。根据生物粗糙表面效应开发了生物防粘和柔性仿生技术，应用于农业机械的设计中，取得明显的减粘降阻效果和可观的经济效益[5-8]。仿生化肥、仿生农药是仿生学与化学、农业科学相结合的应用成果，具有低污染、无污染的优点。除虫菊（Pyrethryum cinerariifolium）、鱼藤（Derris trifoliata）等植物体内富含天然杀虫物质，根据这些有效成分的结构人工合成的仿生农药，既起到杀虫的作用，又不会对环境造成污染。豆科植物可以在常压、常温下固定气态氮，是由于根瘤菌中固氮酶的存在，模仿生物酶反应原理研制的仿生酶，比无机催化剂的效率提高千万倍，同时降低了物质和能源消耗[9]。

4纳米仿生与现代农业

植物中的叶绿体是进行光合作用的主要细胞器，但叶绿体只能吸收太阳光中的可见光部分，即太阳辐射能仅有50%可以被利用。由麻省理工学院Strano教授领导的研究团队，利用脂交换膜渗透方法（Lipid Exchange Envelope Penetration，LEEP），将涂有DNA和核聚糖的高电荷单壁碳纳米管（CNTs）和氧化铈纳米颗粒（Nanoceria）整合到活体植物的叶绿体中，这种自组装的CNTs可以自发渗透至叶绿体周围的脂质疏水膜内，成为植物细胞中的一部分。该方法可以增强与植物光合作用相关的电子流（活体植物中可增强30%），这主要是由于碳纳米管能增大植物的光捕获能力;而掺入的氧化铈纳米颗粒则可大大降低叶绿体中过氧化物和其它活性氧族（Reactive Oxygen Species，ROS）的浓度，从而避免叶绿体遭受破坏。这种方法可用于新型纳米仿生材料的生产，以增加光合作用活性。研究人员还发现，单壁碳纳米管可以监测一氧化氮的近红外荧光光谱，这也表明植物可被用做光子化学传感器。纳米仿生技术的应用，将有望稳定地、可持续地提高作物和果蔬的光合作用效率及产量。

5人工智能与现代农业

人工智能是仿生学发展的高端领域，已经应用到很多领域，如手机、汽车、教育、医疗等，人脸识别、自动驾驶、虚拟现实已为我们所熟知。作为人类最古老技能之一的农业，也开始与人工智能结合。智慧农业是智慧生产和智慧经济的重要组成部分，属于农业领域的高级阶段，可实现可视化管理、专家在线指导、精准化种植等多种功能。例如，在黄瓜收获的旺季里，由于大小不一、成熟度不同，农民每天要花费大量时间按等级分拣，耗时耗力，成本很高[10]。美国Tensor Flow公司开发了一款基于视觉识别的人工智能系统，给不同的黄瓜拍照，让人工智能学习长成什么样的黄瓜应该分到哪一级，然后在流水线上自动分拣，从而大大提升了分拣效率，让农民能够更轻松地经营农场。病虫害的检测需要人工巡视，一旦发现不及时，就会导致农作物大片死亡。尤其是在预报晚疫病、白粉虱等病虫害上仍显得力不从心。借助人工智能的分析，可以提供不间断的监测和预报，农场可以及时处理受感染的叶片，减少病虫害造成的损失[11]。德国一家名为“PEAT”的农业技术公司研发了“Plantix”土壤诊断系统，能够判断和预测土壤的营养状况、潜在缺陷，结合特定作物品种和栽培模式进行相关性分析，向农户提供科学施肥、土壤修整的合理方案，准确率超过90%[12]。对于发展中国家而言，智慧农业是消除贫困、实现后发优势、经济发展后来居上、实现赶超战略的主要途径之一[13]。

6展望

随着时代的进步，人们对产品品质及精神功能的需求愈加强烈，同时也愈加认识到生物体形态、结构和功能中蕴含的设计灵感。科技发展日新月异，必将深刻影响我国农业的发展。仿生工程与种植技术、管理技术、生物技术、人工智能技术、纳米技术、数字技术、遥感技术等相互融合，对提高现代农业水平具有显著意义。仿生工程自20世纪90年代以来已经取得了飞速的发展，很多成果已经成功渗透到各个领域。在仿生设计思想和方法的支持下，可实现农业机械的智能化、人性化控制，保证农业生产的精准化和均匀化作业。借助纳米技术的迅速发展，可以更加深入地揭示生物材料宏观性能与微观结构之间的关系，为现代农业技术的发展提供可靠的理论依据。仿生工程技术将成为新时期农业现代化的重要元素。

参考文献

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[2]史晓君，于海业. 材料仿生在温室结构设计中的应用研究[J]. 农业与技术，2014，34（8）：244-246.

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[4]Barthlott W，Neinhuis C. Purity of the sacred lotus，or escape from contamination in biological surfaces[J]. Planta，1997，202（1）：1-8.

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[7]任露泉，丛茜，吴连奎，等. 仿生非光滑推土板减粘降阻的试验研究[J]. 农业机械学报，1997，28（2）：1-5.

[8]李建桥，任露泉，陈秉聪，等. 减粘降阻仿生犁壁的研究[J]. 农业机械学报，1996，27（2）：1-4.

[9]梁丹. 仿生技术在农业领域的应用[J]. 广西轻工业，2007（11）：11-12，33.

[10]刘现，郑回勇，施能强，等. 人工智能在农业生产中的应用进展[J]. 福建农业学报，2013，28（6）：609-614.

[11]帅爱华. 浅谈人工智能与计算机技术在农业现代化中的应用[J]. 数码世界，2018（4）：551-552.