仿生学现状及其对科技发展的影响.doc

2009 年 春 季学期研究生课程考核 （读书报告、研究报告） 考核科目 : 机械工程专题讲座 学生所在院（系） : 机电工程学院 学生所在学科 : 机械设计及理论 学 生 姓 名 : 李鹏飞 学 号 : 08S008257 学 生 类 别 : 考核结果 阅卷人 仿生学现状及其对科技发展的影响 仿生学一词最早是在1960年由美国人斯蒂尔(Jack Ellwood Steele)取自拉丁文“bios“(生命方式)和词尾“nic“(具有……性质的)合成的。仿生学可以这样定义：研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生学（Bionics）是生命科学与机械、材料和信息等工程技术学科相结合的交叉学科，具有鲜明的创新性和应用性。仿生学的目的是研究和模拟生物体的结构、功能、行为及其调控机制，为工程技术提供新的设计理念、工作原理和系统构成。人类进化过程中，通过不断地模仿自然，提升生产能力。仿生的领域和技术随着时代的前进而发展。许多影响人类文明进程的重大发明都源于仿生学。例如：模仿蜘蛛织网捕鱼，模仿游鱼制造舟楫，模仿飞鸟发明飞机……。1960年美国人斯蒂尔根据拉丁文构成Bionics一词，同年召开了全美第一届仿生学讨论会。这标志着现代仿生学的开始。 仿生学具有自己独特的研究方法：一般来讲，工程和生产实践提出技术问题，有针对性地借鉴某种生物体的某些结构的功能，研究并简化其结构、功能和调控机制，择其有用制备出物理模型，建立数学模型。在有用和可用的前提下，采用技术手段，依据数学模型，制备实物模型，最终实现对生物系统的工程模拟。仿生学的发展依赖于生物学和工程技术科学的发展；仿生学的发展也促进了生物学科和工程技术的发展。 现状 仿生学的研究和应用在国内外都得到极大的关注和蓬勃的发展。为迎接全球性竞争和挑战，我国科技专家和决策者在2003年召开了两届香山会议，第214届“飞行和游动生物力学和仿生应用和第220届“仿生学的科学意义与前沿”。国内许多科研机构和大学都相继成立了仿生学研究所和研究室。科学家们正带着自动控制、能量转换信息处理、力学模式和材料构成等大量技术难题到生物系统中去寻找启迪。机器人技术的发展很好地体现了仿生应用的理念。早期的机器人主要是模拟人的重复性劳动，替代人完成重复的运动和力学行为，如汽车安装机器人。这类在常规环境下工作的机器人已经成熟。仿生机器人的研制始于上世纪90年代，只有十多年的历史，然而进展迅速，特别是美国、日本等发达国家的研究工作走在了世界前列，非常规环境下工作的仿生机器人已成为机器人技术领域的重要发展方向。目前，4足或多足的仿生机械已适应各种作业环境，其中的机械狗可以负重在山地行走；哈尔滨工程大学研发出有八只脚、二十四个自由度的多足机器人，可模仿神经网络系统遥控其爬行；日本展出的女机器人在皮肤、步态等方面已达到了乱真的程度；东京工业大学广濑教授等研制的机器蛇从1992年的ACM-R1陆地型发展到2005年的ACM-R5水陆两栖型；中科院沈阳自动化所研制的机器蛇也在向水陆两栖型运动发展；蝠鲼胸鳍扑翼式的运动模式引起国内外专家的关注，日本有人在研制仿扑翼推进式飞行器；北京航空航天大学仿蝠鲼的胸鳍，研究全柔性扑翼式机器人；美国Stanford大学的科学家研究仿壁虎机器人，这也是我们在863和国家自然科学基金重点项目支持下正在研究的课题。未来的机器人趋向微小型和多样化，将进一步采用仿生结构和中枢运动模式发生器制导系统，以适应各种环境条件下的作业。据国际机器人联盟调查，2004年全球个人机器人约有200万台，2008年将有700万台机器人投入运行。日本机器人协会预测，到2025年，全球机器人产业将从现在的每年50亿美元达到500亿美元的规模。正如电脑一样，机器人将会进入每一个家庭。 仿生学与生命科学 近年来生命科学的发展拓宽和加深了仿生领域，极大地促进了仿生学的发展。反之仿生学的发展也促进生物科学的发展。例如：动物运动的人工诱导和神经工程学的建立。 仿生学与生命科学相互促进发展。2000年，仿生学开始大踏步地进入脑科学领域，不仅促进了神经科学的发展，而且开辟了一门新兴的交叉学科———神经工程学（Neural Engineering）。自从Caton（1875）首次在家兔和猴脑、Berger（1929）在人头皮上记录到脑电波以来，传统上认为，这种经容积导体记录的电活动是大脑所有神经元活动的总和，其波形变化呈“混沌”相，内涵的信息很难被提取和确认。所以，脑电波只能用于癫痫、脑外伤和脑肿瘤病灶的探测，以及醒觉和睡眠的研究。直到近年来神经电生理学和计算机技术的飞速发展，才使人们可以借助高性能的生