更新時間：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)的進步和與電子學(xué)的相互滲透，其實它是一門涉及領(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)機械是通用機械，那么仿生機械則應(yīng)該是指加入了人類智能的一類機械。通用機械在物理和機械功能上比人類強很多，但在智能上卻遠不如人類。因此，如果將人與機器結(jié)合起來，就有可能使通用機械進化為仿生機械。從這個角度來看，可以認為仿生機械應(yīng)該具備與生物體運動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)雜的動作。
仿生力學(xué)是以力學(xué)或機械科學(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)的知識應(yīng)用于工程技術(shù)。
研究趨勢報告
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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：
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，通過模型實驗的方法測量其應(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。因為生物的形態(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。
生物運動學(xué)
生物運動非常復(fù)雜，因為它涉及骨骼和肌肉的力學(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動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動和行走姿勢的測量與分析，因為人體上肢的運動功能非常復(fù)雜，而下肢的運動分析對于動力學(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基本原則。基于最優(yōu)運動能耗特征來分析和研究生物體的運動形態(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
包括動力假肢、電動輪椅、殘疾人環(huán)境控制系統(tǒng)等，涉及諸多學(xué)科和技術(shù)，例如動力假肢需要解決材料、能源、控制方法、信號反饋、精密機械等多方面問題才能完成，而且這些裝置必須作為人機系統(tǒng)進行評估和測試，走向?qū)嶋H應(yīng)用的道路十分艱難曲折。
機器人工程
它是將生物學(xué)知識應(yīng)用到工程領(lǐng)域的典型例子，其目的是節(jié)省勞動力，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。機器人不僅要有具有移動功能的假手和假腳，還要有感覺反饋功能和人工智能。研究熱點包括假手、步行機、三維物體的聲音識別等。
生物形態(tài)與工程結(jié)構(gòu)報告
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前面我們提到，生物體經(jīng)過千萬年的進化，形態(tài)已經(jīng)趨于最佳，各種生物結(jié)構(gòu)中不乏巧妙、最佳運用機械原理的例子。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，還能抵御強風和地震。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)計就是模仿大樹的造型，高層建筑則建立在堅實可靠的地基上。
植物的果實是物種延續(xù)的重任，經(jīng)過億萬年的進化，它們的果實??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)最大的體積儲存養(yǎng)分，同時更能抵抗風等外界壓力。花生、核桃等都有堅硬的外殼，保護里面相對嬌嫩的果仁。同樣，動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)實現(xiàn)了最大的強度。
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、強度高、剛度大、隔熱隔音效果好等優(yōu)點。同時這種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用也遠遠超出了建筑行業(yè)，在飛機機翼、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)和運動報告
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汽車、飛機、輪船等現(xiàn)代交通工具，對工作條件都有要求，在高山、沼澤等地無法工作。然而自然界中有各種各樣的動物，在長期殘酷的生存斗爭中，它們的運動器官和體形進化得特別適合在某些惡劣的環(huán)境中運動，速度驚人。
昆蟲是動物界中跳躍的專家，很多昆蟲的后腿特別發(fā)達，跳躍能力異常高超。
據(jù)研究，叩頭蟲和跳蚤是動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。它擁有極其靈活機動的運動能力，給農(nóng)作物帶來極大的破壞。但如果拋開這一點，單單研究它的運動形態(tài)，就會給我們帶來極大的啟發(fā)。研究它的運動秘密貝語網(wǎng)校，對飛機的改進意義重大。如果它離開跑道，一架巨型噴氣式飛機就無法起飛，但蝗蟲根本不需要這些。
動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，它們依靠強大的后腿在沙漠中跳躍前進。一種“跳躍機器”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。
但世界上還是有很多地方是你就算有強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30公里的速度奔跑。這是因為經(jīng)過2000多萬年的進化，企鵝的運動器官已經(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)快速移動的越野車，時速可達50公里。
人類在水上航行的歷史悠久，但機動性卻十分有限，遠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的船只的速度。之所以如此，也得益于大自然無處不在的進化改革。這是魚類在數(shù)百萬年中進化的結(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)，魚在水中運動時，其尾部的擺動會產(chǎn)生彎曲波，使魚的運動速度大大增加。另外，有些魚的體表有一種粘液，也能減少魚在水中運動的摩擦阻力。
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，物體在水中運動時所受阻力的大小與水流過運動物體表面的流動形態(tài)有關(guān)。如果水接觸到鋼鐵等堅硬的表面，由于水流混亂，水阻力就會增大。如果水接觸到表面凹凸極細的軟質(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，皮膚能隨水壓而波動，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。
隨著航空知識和對飛行生物認識的增加，人們在長期的飛行實踐中，不斷改進飛機的機身、機翼和發(fā)動機，達到了很高的水平。超音速飛機的速度已達到每小時3600多公里，接近音速的3倍；軍用戰(zhàn)斗機可以飛到3萬多米的高空，以每秒200米的速度爬升；軍用轟炸機的航程可達1.2萬多公里。飛機的載重能力也有了很大的提高，大型運輸機雖然重量已達250多噸，但仍能運載80多噸物資。
盡管如此，動物經(jīng)過億萬年的自然選擇和進化所掌握的飛行技能仍然值得學(xué)習和借鑒。
現(xiàn)代飛機起飛降落需要很長的跑道，就連直升機也需要一個籃球場大小的空間作為起飛降落的基地，而飛行動物卻不需要任何空間和跑道，一瞬間就能起飛飛得很高。
飛機耗油量很大，一架波音747在運輸50噸貨物時，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，時而滑翔，時而扇動翅膀，非常省電。如果按照鳥類的耗電量來計算，一架輕型飛機飛行32公里后，只需要0.5升汽油，但實際卻消耗了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力學(xué)規(guī)律，這對于我們研制和改進飛行器十分有益。
21 世紀的機器人技術(shù)
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機器人這一術(shù)語最早出現(xiàn)于19世紀，但直到20世紀50年代末，機器人才從科幻小說中走出來，進入科技領(lǐng)域。當時市場上出現(xiàn)了兩種類型的機器人，一種名為“通用自動機”，另一種名為“通用搬運機”，這構(gòu)成了今天機器人發(fā)展的基礎(chǔ)。
一般來說，機器人可以從兩個角度來定義，從工程角度來說，機器人被認為是在環(huán)境中具有多功能實用性、操作程序簡單、能實現(xiàn)獨立任意運動的自動機器；從仿生角度來說，機器人被認為是具有相當多與人相似的功能的機器，能完成類似人的動作，具有與人相似的某種智能，如記憶、再現(xiàn)、邏輯運算、學(xué)習、判斷、感知等。
機器人由硬件和軟件兩部分組成。機器人要完成復(fù)雜的任務(wù)，做出一些類似人類的動作，其機構(gòu)和功能必須非常靈活。同時，還必須有軟件能夠巧妙地控制其運動器官。兩者配合默契，協(xié)調(diào)運作。
該項技術(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，這是此項研究項目的最新成果。據(jù)悉，這款機械手可以識別所觸碰物體的110多種材質(zhì)，研究人員正朝著堪比真人手的目標邁進。
機器人技術(shù)發(fā)展報告
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自20世紀50年代以來，機器人技術(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時期：
第一代機器人
它是利用儲存與程序控制的自動機械，于20世紀60年代初問世，是一種可部門使用的重復(fù)性機器人，常稱為工業(yè)機器人。其動作包括示教、儲存、再現(xiàn)、操作四個步驟。它可通過示教輸入操作程序，將一系列操作內(nèi)容儲存于儲存裝置中，利用儲存內(nèi)容的再現(xiàn)，自動重復(fù)工作，是一種通用的自動搬運機械。
其問題包括：