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1、仿生感知与先进机器人技术机电工程学院机电控制及自动化系姚智慧电话：0451-86417118（O）1第第1章章 仿生学系统概论仿生学系统概论仿生学的定义仿生机械学的含义仿生机械学的研究动向机器人技术概述机器人的发展2一、仿生学的定义自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展。鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌
2、握了使船转弯的手段。这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。3一、仿生学的定义4鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据韩非子记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奥那多达芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。从上面这些内容，我们可以看出，人类在运用自己创造本领的同时，也回归了自然，通过模拟自然的一些生物原理，并且加以组合，利用，最终实现了我们想要的功能。那么，这一切要归功于，或者划分在什么领域呢？其实这就是自古以来就有的，仿生
3、学。一、仿生学的定义仿生学：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。根据定义，仿生学是研究和建立主要涵盖生物电子学、生物传感器、生物仿真材料、生物物理学、生物电机和生物大分子的自装配等学科内容的人工系统，使之具有生命系统的某些特性的一门交叉学科。5一、仿生学的定义仿生学(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。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(biom
4、echanisms)。6二、仿生学的研究对象研究生命的结构、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。“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。7生活中生活中的的仿生学仿生学凤蓬草凤蓬草 轮子轮子 鱼尾鱼尾 船橹船橹 人眼晶状体人眼晶状体 透镜透镜 生物电生物电 电池电池 鸟鸟 飞机飞机89例例如如，人人的的细细胞胞有有100150亿亿个个神神经经元元，但但每每小小时时约约有有1000个个神神经经元元发发生生障障碍碍，一一年年之之内内就就差差不不多多有
5、有900万万个个神神经经元元丧丧失失机机能能。然然而而，令令人人惊惊叹叹的的是是，大大脑脑并并没没有有因因此此而而丧丧失失其其各各种种机机能能。可可是是，电电子子计计算算机机却却不不行行，只只要要其其中中任任何何一一个个元元件件损损坏坏或或发发生生故故障障，便便会会影影响响整整个个系系统统的的工工作作性性能能。极极而而言言之之，在在许许多多方方面面，电电子子计计算算机机甚甚至至不不及及昆昆虫虫的的区区区区之之脑脑。螳螳螂螂能能在在秒秒的的一一瞬瞬间间，计计算算出出飞飞掠掠眼眼前前的的小小昆昆虫虫的的速速度度、方方向向和和距距离离，这这是是大大型型电电子跟踪系统所望尘莫及的。子跟踪系统所望尘莫及
6、的。二、仿生学的研究对象通过对人脑机制(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。10在科技史上，借助生物获得发明创造的
7、例子不胜枚举青蛙的眼睛跟踪导弹的“电子蛙眼”；乌龟壳小提琴； 企鹅 越野汽车；蜂鸟 直升飞机；鱼鳃 人造鱼鳃吸氧器；蛇的红外线定位器-夜视镜；萤火虫冷光源；云杉圆锥形电视塔；袋鼠“跳跃式”极地汽车；蚊子测向器；水母风暴预警器； 沙蟹制图机；鳄鱼眼泪-海水淡化器；鲸鱼脊背-水下破冰船等等；草履虫带几千只小螺旋桨的潜水艇。1112三、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。仿生机械从其构词成分来看，它应该是指添加有
8、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。表11列出一般机械与人类能力的比较，可以看出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。13四、仿生机械学的研究方法四、仿生机械学的研究方法仿生技法的核心是研究对象(问题)与生物系统相关问题的类比。这一技法实施大体分为(1)根据生产实际提出技术问题，选择性地研究生物体的某些结构和功能，简化所得的生物资料，择其有益内容，得到一个生物模型。(2)对生物资料进行数学分析，抽象出其内在联系，建立数学模型。(3)采用电子、化学、机械等技术手段。根据数学模
9、型，最终实现对生物系统的工程模拟。14生物体生物体生物模型生物模型数学模型数学模型技技术模型模型技技术装置装置 四、仿生机械学的研究方法四、仿生机械学的研究方法图图1-1 仿生学的研究方法仿生学的研究方法 五、仿生创新的几种主要思路 向生物索取技术原理，不仅具有令人陶醉和神往的光辉前景，而且所涉猎的内容也相当广泛。事实上，人类从仿生学的角度所作发明的例子是很多的。例如：从鸟类想到飞机、从蝙蝠想到雷达、从石龙子想到伪装色、从飞鼠想到降落伞、从乌贼想到推进器、从蝎子想到皮下注射、从鲍鱼想到吸盘、从贝壳想到建筑等等。如通过对蜜蜂筑巢的研究，人们模仿蜂巢制造出自重轻、强度高的烽巢夹层结构(B52轰炸机
10、上就采用这种结构)但如果研究蜜蜂的定向能力、蜂群信息的传递方式等，则可获得另外的有益启示。再如，从蜂蜜的久藏而不变质是否能找到一种食品保鲜的新方法。现在甚至有人在研究蜂群的组织分工，以期在管理学上有所借鉴。根据仿生学的研究成果，向生物索取技术原理大致有如下几个方面：161信息仿生主要是通过研究、模拟生物的感觉(包括视觉、听觉、嗅觉、触觉)，智能以及信息贮存、提取、传输等方面的机理，构思和研制新的信息系统。马萨诸塞理工学院的研究者根据蛙眼的视觉功能，研制成功了虫检测仪器模型；斯坦福研究所的研究者模拟猫脑视觉领域中的直线“检测器”，研制了用来对机器人眼送来的信息进行处理的特殊计算机；狗鼻子素以灵敏
11、著称，它能感觉200万种物质和不同浓度的气味，嗅觉比人灵敏一万倍。现在，人们以不同物质的气味对紫外线的选择性吸收为信息，研制成了“电子警犬”，用它来作检测，其灵敏度甚至可达狗鼻子的1000倍。172，控制仿生主要通过研究模拟生物的体内稳态(反馈调控)、运动控制、动物的定向与导航、生态系统的涨落及人机系统的功能原理，来构思和研制新的控制系统。例如，人们根据蜜蜂的复眼能够利用偏振光导航的原理，发明了用于航空和航海的非磁性“储光天文罗盘”。这种罗盘对于不能使用磁罗盘的高纬度地区，显示出了极大的优越性。人们还根据昆虫揖翅导航的原理，研制成功了一种振动陀螺仪，广泛应用于高速飞行的火箭和飞机上。183力学
12、仿生主要通过研究模拟生物的机械原理以及结构力学和流体力学的原理，构思和研究新的系统(包括机器、装置、力学结构以及人工脏器等)。例如，人体的大多数肌肉都是以“额顽肌”的形式成对地排列的。这种利用两个产生拉力的“单向力装置”组成的双向运动机械系统，远比工程技术上惯用的一个推拉“双向动力装置”组织的系统优越得多。对额顽肌的模拟，圆满地解决了各种“机器人”、“步行机”等的行走机构的设计。此外，人们还根据鱼类、鸟类的身体形状的流体力学特性，研制了各种各样的船舶和空间飞行物；根据蛋壳、乌龟壳、贝壳等弯曲表面，发明了建筑物上的酶壳结构。194，化学仿生主要是通过研究模拟生物酶的催化作用、生物的化学合成、选择
13、性膜和能量转换等，来构思和创造高效催化剂等化学产品、化学工艺以及新材料、新能源等。例如，人们为宇宙飞船设计的所谓“宇宙绿洲”生态循环系统，就是通过模拟生物“电池”、光合作用转换的原理以及自然生态系统所创造出的。此外，在通过化学途径的人工模拟酶、人工模拟生物固氯、人上模拟光合作用等方面，也正在酝酿着新的重要突破。205技术仿生在隧道工程中得到广泛使用的“构质施工法”也是以生物为老师作出的发明。1820年，英国要在泰晤士河底建造隧道，由于土质条件很差，用传统的支护开挖法，因河底松软、渗水而易塌方，施工极为困难，工程师布台内感到一筹莫展。一天，他在室外无意中发现有只蠕虫在其外壳保护下使劲地往坚硬的橡
14、树皮里钻。这使他恍然大悟：河下施工也可以象这种小虫找个保护壳用空心钢柱打入河底，以此为“构盾”，边掘进边延伸，在构盾的保护下进行施工，此即“构盾施工法”。216原理仿生苏联科学院动物研究所研究了地球上许多动物的运动后，模仿其运动原理设计研制了各种新颖的交通工具：按蜘蛛的爬行原理设计出军用越野车；根据蛇的爬行原理设计并改善了履带车的噪声；利用企鹅奔跑的原理设计了雪地汽车；甚至还准备参照袋鼠的运动方式来设计一种可以跳越障碍的越野车。22231生物材料力学和机械力学它以骨或软组织(肌肉、皮肤及与交通事故有关的脑组织等)作为对象，通过模型实验方法，测定其应力、变形特性，求出应力分布规律。此外，还可根据
15、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，目前，已发表了关于脑壳、脊椎骨、骨盆、髋关节、膝关节等许多研究论文。另外，生物的形态通过亿万年的进化，往往具有最优的评价函数，例如人体骨骼系统具有最少材料、最大强度的构造形态。这些最优评价函致是物质的数量和能量消耗量的函数，所以按这种最优论的观点来学习、模拟建造工程结构系统是很有价值的。六、仿生机械学的研究动向242生物流体力学它主要涉及生物体的循环系统。虽然很早就有人把动脉中的脉动波作为弹性管中的波动传播问题进行处理分析，已有血流动力学的专著出版，但是这部分仍有许多问题未解决，特别是因为它的研究与心血管疾病关系十分密切，所以已成为一门
16、很受关注的学科。253生物运动学生物的运动十分复杂，因为它与骨骼和肌肉的力学现象、感觉反馈及中枢控制牵连在一起。虽然各种动物的运动或人体各种器官的运动测定与分析都是重要的基础研究，但是在仿生机械学中，特别重视人体上肢运动及步行姿态的测定与分析，因为人体上肢运动机能非常复杂，而下胶运动分析对动力学研究十分典型。另外，若能从包含有力学问题的综合观点对复杂的动作和作业进行分析，对下述的康复工程研究将有很大帮助。264生物运动能量学如同生物形态存在最优性一样，节约能量消耗量也被认为是生物中的基本原理之一。从运动能量消耗最优性的观点对生物体的运动形态、结构和功能等进行分析、研究，特别是对有关能量的传递与变换的研究，是很有意义的。5康复工程学在与仿生机械学有关的康复工程学科中，包括有如动力假肢、电动车椅子、病残者用环境控制系统等。它沙及多种学科与技术，例如对于动力假肢，只有在解决了材料、能源、控制方式、信号反馈与精密机械等各种问题之后才能完成，而且这些装置还要作为一种人机系统进行评价、实用，所以它们通往实用化的道路是很严格的。276机器人工程学它是把生物学的知识应用于工程领域的种典型例子，其目的是
