仿生学及仿生机械学的发展动态.docVIP

PAGE / NUMPAGES 仿生学及仿生机械学的发展动态 杨天航 实验学院 机械设计制造及其自动化 摘要：仿生学通过对一些生物现象及结构的研究，我们可以用人类的智慧开发研制可以使人类生活变得简易方便，减少人力的装置，并在这基础上制造接近人类智能的机械。本文将简单介绍什么是仿生学，仿生机械学，国内外对仿生机械学研究的进展，和我对这门课的认识与建议。 关键词：仿生；机械；仿人形机器人。 引言：在科技史上，借助生物获得发明创造的例子不胜枚举：例如根据青蛙的眼造出跟踪导弹的“电子蛙眼；根据乌龟壳发明出小提琴；看到企鹅人们创造出越野汽车；蜂鸟让人们研制出直升飞机；研究鱼鳃的结构发明出人造鱼鳃吸氧器；蛇的红外线定位器让人们找到夜视镜的原理等等。仿生学就是这样从大自然的创造中总结升华优点并令之为人所用的系统学科。 正文： 什么是仿生学 仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学。仿生学(bionics)这一名词是由生物学(biology)和电子学[electronics)结合而产生的新名词，实际上它是源出于希腊语中表示生命单位的bion一词。 仿生学研究生命的结构、能量转换和信息流动的过程，并利用电子、机械技术对这些过程进行模拟，从而改善现有的和创造出崭新的现代技术装置。仿生学已成为现代技术发明的重要途径之一。例如：通过对人脑机制(欲望、感情、睡眠、学习和记忆等)的研究，出现了利用计算机的教育系统、人工神经元、电子脑，制造与人脑能力相同的信息处理系统——人工脑；通过研究生物眼模型和视觉机制(如人眼、蛙眼、猫眼、鹰眼和蟹眼等)，研制视网膜、文字读取装置、盲人假眼及应用于机器人的人工眼；通过对生物听觉模型和机制的研究(如人耳、蝙蝠和海豚、鲸鱼等的听觉器官)，开发了精密雷达、水中声纳和声音识别装置等；通过研究有关肌肉收缩的物理化学机制及其在运动神经指挥下的动作机制，研制了人工肌肉、电子假手、机械手、人力放大器、自动机，并在这基础上制造接近人类智能的机械等。“生物原型，—新技术的钥匙”这句著名格言，恰当地描述了现代创造发明的这一重要途径。 什么是仿生机械学 仿生机械学是上世纪60年代初期出现的一门综合性的新兴边缘学科，它是生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而形成的。包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。如果把传统的机械称之为一般机械的话，仿生机械应该是指添加有 \o 人类智能 人类智能的一类机械。在物理和机械机能方面，一般机械要比人类的能力要强许多，但在智能方面却比人类要低劣的多。因此，若把人——机结合起来，就有可能使一般机械进化为仿生机械。从这一角度出发，可以认为仿生机械应该是既具有像生物的运动器官一样精密的条件，又具有优异的 \o 智能系统 智能系统，可以进行巧妙的控制，执行复杂的动作。　　仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。它包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。 根据人造手足用途的不同，其设计的出发点可分为下列两种： 一种是从适应作业的形态来考虑，设计具有工作效率最高的机械。虽然，为了实现这种机械的功能，也参考人类的手足，但是所设计的外形和动作形态与人是不相同的，例如，工业机械手，机器人和车轮式智能移动机械等。 另一种是尽可能地采用与人类手足完全一样的外形与动作，以使设计的人造手足能与使用者在物理上，生理上和精神上融为一体。因此，在设计时不仅要考虑提高其功能，还要力求做到重量轻，使用方便和形状上与人手足一样，例如假手，假足等。 实际上仿生学是一门涉及广阔领域的综合性的边缘学科，若以电子学为中心来考虑，就构成仿生电子学(bioelectronics),若以机械学为中心来考虑，则构成了仿生机械学(biomechanisms)。仿生机械从其构词成分来看，它应该是指添加有人类智能的一类机械。为区别起见，可把传统的机械称之为一般机械。一般机械与人类能力的比较起来，在物理和机械机能方面，一般机械较为优越，但在智能方面却比人类要显得特别低劣。因此，若把人—机结合起来，就有可能使一般机械进化到仿生机械。 国内外对仿生机械学研究的进展 从习惯上说，可把仿生机械学的各个研究动向归纳如下：　　（1） \o 生物材料力学 生物材料力学和 \o 机械力学 机械力学。以骨或软组织（肌肉、皮肤等）作为对象，通过模型实验方法，测定其应力、变形特性，求出力的分布规律。还可根据骨骼、肌肉系统力学的研究，对骨和肌肉的相互作用等进行分析。另外，生物的