更新時(shí)間：2024-07-08 11:26:46作者：佚名
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仿生學(xué)的誕生是基于生物科學(xué)的進(jìn)步和與電子學(xué)的相互滲透，其實(shí)它是一門涉及領(lǐng)域非常廣泛的綜合性邊緣學(xué)科，如果以電子學(xué)為中心考慮，就構(gòu)成了仿生電子學(xué)，如果以力學(xué)為中心考慮，就構(gòu)成了仿生力學(xué)。
如果說傳統(tǒng)機(jī)械是通用機(jī)械，那么仿生機(jī)械則應(yīng)該是指加入了人類智能的一類機(jī)械。通用機(jī)械在物理和機(jī)械功能上比人類強(qiáng)很多，但在智能上卻遠(yuǎn)不如人類。因此，如果將人與機(jī)器結(jié)合起來，就有可能使通用機(jī)械進(jìn)化為仿生機(jī)械。從這個(gè)角度來看，可以認(rèn)為仿生機(jī)械應(yīng)該具備與生物體運(yùn)動(dòng)器官一樣的精確條件，并具有出色的智能系統(tǒng)，能夠被巧妙地控制并完成復(fù)雜的動(dòng)作。
仿生力學(xué)是以力學(xué)或機(jī)械科學(xué)為基礎(chǔ)，融合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)和工程學(xué)的一門邊緣學(xué)科，它不僅把工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)和生物學(xué)，而且把醫(yī)學(xué)和生物學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于工程技術(shù)。
研究趨勢報(bào)告
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傳統(tǒng)上，仿生力學(xué)的各種研究趨勢可以概括為以下幾點(diǎn)：
生物材料力學(xué)與力學(xué)
以骨骼或軟組織（肌肉、皮膚等）為對象，通過模型實(shí)驗(yàn)的方法測量其應(yīng)力與變形特性，找出力的分布規(guī)律，并基于骨骼與肌肉系統(tǒng)力學(xué)的研究，分析骨骼與肌肉之間的相互作用。
此外，生物形態(tài)的研究也是熱點(diǎn)。因?yàn)樯锏男螒B(tài)經(jīng)過數(shù)百萬年的變化，往往形成了最佳結(jié)構(gòu)，如人體骨骼系統(tǒng)具有用料最少、強(qiáng)度最大的結(jié)構(gòu)形態(tài)。通過最優(yōu)化理論的視角，可以研究和模擬工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的建設(shè)。
生物流體力學(xué)
它主要涉及生物體的循環(huán)系統(tǒng)，血液動(dòng)力學(xué)研究歷史悠久，但仍有許多問題尚未解決，尤其由于其研究與心血管疾病密切相關(guān)，已成為備受關(guān)注的學(xué)科。
生物運(yùn)動(dòng)學(xué)
生物運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，因?yàn)樗婕肮趋篮图∪獾牧W(xué)、感覺反饋和中樞控制。
雖然對各種生物體或者人體各種器官的運(yùn)動(dòng)的測量與分析是重要的基礎(chǔ)研究，但是在仿生力學(xué)中，特別重視對人體上肢運(yùn)動(dòng)和行走姿勢的測量與分析，因?yàn)槿梭w上肢的運(yùn)動(dòng)功能非常復(fù)雜，而下肢的運(yùn)動(dòng)分析對于動(dòng)力學(xué)研究來說又非常典型，這對康復(fù)工程的研究也有很大幫助。
生物動(dòng)力能量學(xué)
生物體的形態(tài)是最優(yōu)的，同樣，節(jié)約能量消耗也是生物體的一個(gè)基本原則。基于最優(yōu)運(yùn)動(dòng)能耗特征來分析和研究生物體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能，特別是對能量的轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化的研究，具有十分重要的意義。
康復(fù)工程
包括動(dòng)力假肢、電動(dòng)輪椅、殘疾人環(huán)境控制系統(tǒng)等，涉及諸多學(xué)科和技術(shù)，例如動(dòng)力假肢需要解決材料、能源、控制方法、信號(hào)反饋、精密機(jī)械等多方面問題才能完成，而且這些裝置必須作為人機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估和測試，走向?qū)嶋H應(yīng)用的道路十分艱難曲折。
機(jī)器人工程
它是將生物學(xué)知識(shí)應(yīng)用到工程領(lǐng)域的典型例子，其目的是節(jié)省勞動(dòng)力，并在宇宙、海洋、原子能生產(chǎn)、災(zāi)難現(xiàn)場等異常環(huán)境中幫助和代替人類。機(jī)器人不僅要有具有移動(dòng)功能的假手和假腳，還要有感覺反饋功能和人工智能。研究熱點(diǎn)包括假手、步行機(jī)、三維物體的聲音識(shí)別等。
生物形態(tài)與工程結(jié)構(gòu)報(bào)告
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前面我們提到，生物體經(jīng)過千萬年的進(jìn)化，形態(tài)已經(jīng)趨于最佳，各種生物結(jié)構(gòu)中不乏巧妙、最佳運(yùn)用機(jī)械原理的例子。讓我們從靜力學(xué)的角度出發(fā)，觀察生物體結(jié)構(gòu)對人體工程設(shè)計(jì)的影響。
自然界中有許多高大的樹木，其筆直的樹干不僅能支撐自身的重量，還能抵御強(qiáng)風(fēng)和地震。這不僅得益于其粗壯的樹干，還得益于其龐大的根系支撐。一些巨大的建筑物的設(shè)計(jì)就是模仿大樹的造型，高層建筑則建立在堅(jiān)實(shí)可靠的地基上。
植物的果實(shí)是物種延續(xù)的重任，經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，它們的果實(shí)??大多呈圓形，圓潤的外形讓它們能在狹小的空間內(nèi)占據(jù)最大的體積儲(chǔ)存養(yǎng)分，同時(shí)更能抵抗風(fēng)等外界壓力。花生、核桃等都有堅(jiān)硬的外殼，保護(hù)里面相對嬌嫩的果仁。同樣，動(dòng)物也有對自然力的適應(yīng)能力，比如蛋殼、龜殼和貝殼等，都巧妙地利用了一定的力學(xué)原理。如果你手握一個(gè)雞蛋，即使用力擠壓，也很難破碎。原來，蛋殼的拱形結(jié)構(gòu)與其表面的彈性膜一起構(gòu)成了預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，工程上稱之為薄殼結(jié)構(gòu)。
自然界中巧妙的薄殼結(jié)構(gòu)，具有各種形狀的曲面，不僅外形美觀，而且能夠承受相當(dāng)大的壓力。在建筑工程中，人們廣泛應(yīng)用這種結(jié)構(gòu)，如仿貝殼制成的建筑物圓形屋頂、商場屋頂?shù)取?/p>
在動(dòng)物界，勤勞的蜜蜂被稱為昆蟲世界的建筑工程師。它們用蜂蠟建造出非常規(guī)則的等邊六邊形蜂巢，無論從美觀度還是實(shí)用性上來說都堪稱完美。它不僅用最少的材料最大程度地利用了空間，還以薄的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了最大的強(qiáng)度。
受到蜂巢的啟發(fā)，人們紛紛仿制蜂窩結(jié)構(gòu)材料用于建筑，這種材料具有重量輕、強(qiáng)度高、剛度大、隔熱隔音效果好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了建筑行業(yè)，在飛機(jī)機(jī)翼、航天火箭，甚至我們?nèi)粘５默F(xiàn)代家具中都有使用。
生物形態(tài)學(xué)和運(yùn)動(dòng)報(bào)告
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汽車、飛機(jī)、輪船等現(xiàn)代交通工具，對工作條件都有要求，在高山、沼澤等地?zé)o法工作。然而自然界中有各種各樣的動(dòng)物，在長期殘酷的生存斗爭中，它們的運(yùn)動(dòng)器官和體形進(jìn)化得特別適合在某些惡劣的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，速度驚人。
昆蟲是動(dòng)物界中跳躍的專家，很多昆蟲的后腿特別發(fā)達(dá)，跳躍能力異常高超。
據(jù)研究，叩頭蟲和跳蚤是動(dòng)物界跳躍能力的冠亞軍，它們的跳躍高度一般是體長的幾十倍，而且不需要助跑就能產(chǎn)生極高的加速度。
跑、跳、飛的全能冠軍非蝗蟲莫屬。它擁有極其靈活機(jī)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)能力，給農(nóng)作物帶來極大的破壞。但如果拋開這一點(diǎn)，單單研究它的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，就會(huì)給我們帶來極大的啟發(fā)。研究它的運(yùn)動(dòng)秘密貝語網(wǎng)校，對飛機(jī)的改進(jìn)意義重大。如果它離開跑道，一架巨型噴氣式飛機(jī)就無法起飛，但蝗蟲根本不需要這些。
動(dòng)物界中跳躍高手還包括羚羊和袋鼠，它們在非洲和澳洲的大草原上非常有名。有輪子的汽車在沙漠中行駛極其困難，但羚羊和袋鼠卻如魚得水，它們依靠強(qiáng)大的后腿在沙漠中跳躍前進(jìn)。一種“跳躍機(jī)器”已經(jīng)開發(fā)出來，可以在崎嶇的田野或沙漠地區(qū)暢行無阻。它沒有輪子，靠四條腿有節(jié)奏、協(xié)調(diào)地起落前進(jìn)。
但世界上還是有很多地方是你就算有強(qiáng)健的雙腿也無法行走的，比如南北極的茫茫雪原，比如雜草叢生的泥濘沼澤。在南極茫茫雪原上行走的紳士——企鵝，給人類帶來了很大的啟發(fā)，在緊急情況下，它們可以以每小時(shí)30公里的速度奔跑。這是因?yàn)榻?jīng)過2000多萬年的進(jìn)化，企鵝的運(yùn)動(dòng)器官已經(jīng)變得非常適合在雪地上奔跑，它們只需要趴在地上，將腹部貼在雪面，用腳滑雪仿生科學(xué)與工程，就能快速飛奔向前。人們受其啟發(fā)，研制出了一種能在雪地、泥濘地區(qū)快速移動(dòng)的越野車，時(shí)速可達(dá)50公里。
人類在水上航行的歷史悠久，但機(jī)動(dòng)性卻十分有限，遠(yuǎn)不及人類在空中飛行和在陸地行走的成就。許多魚類可以輕松超越世界上最先進(jìn)的船只的速度。之所以如此，也得益于大自然無處不在的進(jìn)化改革。這是魚類在數(shù)百萬年中進(jìn)化的結(jié)果，以適應(yīng)水中生活，便于追逐食物和逃避敵人。
首先，魚類的速度快，得益于它們理想的流線型體形仿生科學(xué)與工程，這種體形使摩擦阻力和形狀阻力的綜合作用降到最低。另外，人們發(fā)現(xiàn)，魚在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其尾部的擺動(dòng)會(huì)產(chǎn)生彎曲波，使魚的運(yùn)動(dòng)速度大大增加。另外，有些魚的體表有一種粘液，也能減少魚在水中運(yùn)動(dòng)的摩擦阻力。
許多新型船舶是根據(jù)鯨魚和海豚的形狀和比例建造的，據(jù)說速度大大提高。
此外，最新研究成果顯示，海豚之所以游得快，除了得益于其流線型的體形，還與其特殊的皮膚結(jié)構(gòu)有關(guān)。
眾所周知，物體在水中運(yùn)動(dòng)時(shí)所受阻力的大小與水流過運(yùn)動(dòng)物體表面的流動(dòng)形態(tài)有關(guān)。如果水接觸到鋼鐵等堅(jiān)硬的表面，由于水流混亂，水阻力就會(huì)增大。如果水接觸到表面凹凸極細(xì)的軟質(zhì)表面，由于物體表面本身具有吸收和消除水流混亂的能力，水阻力就會(huì)減小。
海豚的皮膚可分為三層，第一層為光滑柔軟的表皮；第二層為白色的真皮，真皮上有無數(shù)乳頭狀、中空的突起，并延伸到黑色的表皮內(nèi)；第三層為極厚的脂肪層，脂肪層很有彈性。由于這種結(jié)構(gòu)，海豚在水中游泳時(shí)，皮膚能隨水壓而波動(dòng)，阻力和摩擦力較小，速度很快。人們模仿海豚皮膚的結(jié)構(gòu)，制成帶有橡膠片流膜的人造海豚皮，裝在潛艇上，使湍流減少了50%，大大提高了潛艇的速度。
隨著航空知識(shí)和對飛行生物認(rèn)識(shí)的增加，人們在長期的飛行實(shí)踐中，不斷改進(jìn)飛機(jī)的機(jī)身、機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)，達(dá)到了很高的水平。超音速飛機(jī)的速度已達(dá)到每小時(shí)3600多公里，接近音速的3倍；軍用戰(zhàn)斗機(jī)可以飛到3萬多米的高空，以每秒200米的速度爬升；軍用轟炸機(jī)的航程可達(dá)1.2萬多公里。飛機(jī)的載重能力也有了很大的提高，大型運(yùn)輸機(jī)雖然重量已達(dá)250多噸，但仍能運(yùn)載80多噸物資。
盡管如此，動(dòng)物經(jīng)過億萬年的自然選擇和進(jìn)化所掌握的飛行技能仍然值得學(xué)習(xí)和借鑒。
現(xiàn)代飛機(jī)起飛降落需要很長的跑道，就連直升機(jī)也需要一個(gè)籃球場大小的空間作為起飛降落的基地，而飛行動(dòng)物卻不需要任何空間和跑道，一瞬間就能起飛飛得很高。
飛機(jī)耗油量很大，一架波音747在運(yùn)輸50噸貨物時(shí)，要消耗100噸輕油，是貨物重量的兩倍。而鳥類在長途飛行中，可以充分利用空氣的浮力，時(shí)而滑翔，時(shí)而扇動(dòng)翅膀，非常省電。如果按照鳥類的耗電量來計(jì)算，一架輕型飛機(jī)飛行32公里后，只需要0.5升汽油，但實(shí)際卻消耗了4升。
因此，對飛行生物飛行能力的研究，仍需仿生學(xué)家們進(jìn)一步努力，從中我們可以發(fā)現(xiàn)一些人類尚未掌握的空氣動(dòng)力學(xué)規(guī)律，這對于我們研制和改進(jìn)飛行器十分有益。
21 世紀(jì)的機(jī)器人技術(shù)
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機(jī)器人這一術(shù)語最早出現(xiàn)于19世紀(jì)，但直到20世紀(jì)50年代末，機(jī)器人才從科幻小說中走出來，進(jìn)入科技領(lǐng)域。當(dāng)時(shí)市場上出現(xiàn)了兩種類型的機(jī)器人，一種名為“通用自動(dòng)機(jī)”，另一種名為“通用搬運(yùn)機(jī)”，這構(gòu)成了今天機(jī)器人發(fā)展的基礎(chǔ)。
一般來說，機(jī)器人可以從兩個(gè)角度來定義，從工程角度來說，機(jī)器人被認(rèn)為是在環(huán)境中具有多功能實(shí)用性、操作程序簡單、能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立任意運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)機(jī)器；從仿生角度來說，機(jī)器人被認(rèn)為是具有相當(dāng)多與人相似的功能的機(jī)器，能完成類似人的動(dòng)作，具有與人相似的某種智能，如記憶、再現(xiàn)、邏輯運(yùn)算、學(xué)習(xí)、判斷、感知等。
機(jī)器人由硬件和軟件兩部分組成。機(jī)器人要完成復(fù)雜的任務(wù)，做出一些類似人類的動(dòng)作，其機(jī)構(gòu)和功能必須非常靈活。同時(shí)，還必須有軟件能夠巧妙地控制其運(yùn)動(dòng)器官。兩者配合默契，協(xié)調(diào)運(yùn)作。
該項(xiàng)技術(shù)的最新研究成果是一只假手，它除了具備正常工作的性能外，還搭載了假肢領(lǐng)域前所未有的最新技術(shù)——擁有類似人類觸覺的功能，這是此項(xiàng)研究項(xiàng)目的最新成果。據(jù)悉，這款機(jī)械手可以識(shí)別所觸碰物體的110多種材質(zhì)，研究人員正朝著堪比真人手的目標(biāo)邁進(jìn)。
機(jī)器人技術(shù)發(fā)展報(bào)告
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自20世紀(jì)50年代以來，機(jī)器人技術(shù)取得了長足的發(fā)展，按其功能和類型的發(fā)展，大致可分為以下三個(gè)時(shí)期：
第一代機(jī)器人
它是利用儲(chǔ)存與程序控制的自動(dòng)機(jī)械，于20世紀(jì)60年代初問世，是一種可部門使用的重復(fù)性機(jī)器人，常稱為工業(yè)機(jī)器人。其動(dòng)作包括示教、儲(chǔ)存、再現(xiàn)、操作四個(gè)步驟。它可通過示教輸入操作程序，將一系列操作內(nèi)容儲(chǔ)存于儲(chǔ)存裝置中，利用儲(chǔ)存內(nèi)容的再現(xiàn)，自動(dòng)重復(fù)工作，是一種通用的自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)械。
其問題包括：