仿生機械

模仿生物的形態、結構和控制原理設計製造出的功能更集中、效率更高並具有生物特徵的機械。研究仿生機械的學科稱為仿生機械學，它是20世紀60年代末期由生物學、生物力學、醫學、機械工程、控制論和電子技術等學科相互滲透、結合而形成的一門邊緣學科。仿生機械研究的主要領域有生物力學、控制體和機器人。把生物系統中可能套用的優越結構和物理學的特性結合使用，人類就可能得到在某些性能上比自然界形成的體系更為完善的仿生機械。

基本介紹

• 中文名：仿生機械
• 產生時間：20世紀60年代末期

簡介

模仿生物的形態、結構和控制原理設計製造出的功能更集中、效率更高並具有生物特徵的機械。研究仿生機械的學科稱為仿生機械學，它是20世紀60年代末期由生物學、生物力學、醫學、機械工程、控制論和電子技術等學科相互滲透、結合而形成的一門邊緣學科。在自然界中,生物通過物競天擇和長期的自身進化,已對自然環境具有高度的適應性。它們的感知、決策、指令、反饋、運動等機能和器官結構遠比人類所曾經製造的機械更為完善。

仿生機械

歷史

模仿生物形態結構創造機械的技術有悠久的歷史。

15世紀義大利的李奧納多·達文西認為人類可以模仿鳥類飛行,並繪製了撲翼機圖。

到19世紀,各種自然科學有了較大的發展,人們利用空氣動力學原理,製成了幾種不同類型的單翼機和雙翼滑翔機。

1903年，美國的W.萊特和O.萊特發明了飛機。然而，在很長一段時間內，人們對於生物與機器之間到底有什麼共同之處還缺乏認識，因而只限於形體上的模仿。

直到20世紀中葉，由於原子能利用、航天、海洋開發和軍事技術的需要，迫切要求機械裝置應具有適應性和高度的可靠性。而以往的各種機械裝置遠遠不能滿足要求，迫切需要尋找一條全新的技術發展途徑和設計理論。隨著近代生物學的發展，人們發現，生物在能量轉換、控制調節、信息處理、辨別方位、導航和探測等方面有著以往技術所不可比擬的長處。同時在自然科學中又出現了“控制論”理論。它是研究機器和生物體中控制和通信的科學。控制論是溝通技術系統和生物系統工作原理之間的橋樑，它奠定了機器與生物可以類比的理論基礎。

1960年 9月在美國召開了第一屆仿生學討論會，並提出了“生物原型是新技術的關鍵”的論題，從而確立了仿生學學科，以後又形成許多仿生學的分支學科。

1960年由美國機械工程學會主辦，召開了生物力學學術討論會。

1970年日本人工手研究會主辦召開了第一屆生物機構討論會，從而確立了生物力學和生物機構學兩個學科，在這個基礎上形成了仿生機械學。

研究領域

機械

仿生機械研究的主要領域有生物力學、控制體和機器人。生物力學研究生命的力學現象和規律，包括生體材料力學和生體流體力學，生體機械力學和生體流體力學。控制體和機器人是根據從生物了解到的知識建造的工程技術系統。其中用人腦控制的稱為控制體(如肌電假手、裝具)；用計算機控制的稱為機器人。仿生機械學的主要研究課題有擬人型機械手、步行機、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機械。

擬人型機械手

擬人型機械手 　各種動物的前肢從外形和功能上看雖然不盡相同，但它們的內部構造卻基本一致。兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳類動物的前肢骨骼都是由肱骨、前臂骨、腕骨和指骨組成的。人的上肢具有較高的操作性、靈活性和適應性，機械手正朝著與人上肢功能接近的方向發展。人的一個上肢有32塊骨骼，由50多條肌肉驅動，由肩關節、肘關節、腕關節構成27個空間自由度。肩和肘關節構成4個自由度，以確定手心的位置。腕關節有3個自由度，以確定手心的姿態。手由肩、肘、腕確定位置和姿態後,為了掌握物體作各種精巧、複雜的動作,還要靠多關節的五指和柔軟的手掌。手指由26塊骨骼構成20個自由度，因此手指可作各種精巧操作。在這么多自由度的協調配合下，肌肉在瞬間運動下可發出很大的力量，最大出力與自重之比遠較人類製造的任何機器都高得多。肌肉的控制機構具有多重自動控制機構和安全機構，從腦部來的指令可以到達手的各個部分。從工程技術上實現這樣的機能特徵和信息處理系統是很困難的。一般研製的多關節機械手還只限7個自由度的手臂和1個自由度的手爪,也有人在研究3指手爪。此外還有模仿象鼻子等機能的柔性機械手，其特點是具有較高的自適應能力。中國科學院長春光學精密機械研究所於1983年研製成功微型計算機控制的7個自由度的擬人型機械手。

步行機

步行機 　為了提高移動機械對環境的適應性，擴大人類在海底、 北極、礦區、 星球和沼澤等崎嶇不平地面的活動空間，需要研究模擬生物的步行機構。動物的運動多是通過多關節足來實現的。因此，動物足的形態、機能、運動和姿體穩定控制等是研究步行機的關鍵。人和鳥類是兩足，青蛙、烏龜、犬、馬是四足，昆蟲是六足，而蟹和蜘蛛是八足，蜈蚣是多足。足的個數直接影響姿體的穩定。六足以上的動物著地至少用三足。由於姿體重心通過足的三點構成平面，靜態是穩定的。四足動物慢走時三足同時著地、快跑時兩足著地，靠驅體隨機姿態穩定調節。兩足動物在步行時，對左右而言是一點著地，是不穩定系統，所以控制很困難。一些國家研製了兩足、三足、四足、六足、八足的步行機械。日本早稻田大學於1973年研製成 WABOt-1的WL-5號兩足步行機，東京工業大學於1972年研製成機械蛇模型。中國科學院長春光學精密機械研究所於1981年研製出四足、六足步行機模型。

假肢

分為上肢假肢和下肢假肢。上肢比下肢精巧靈活,結構也較複雜,一般要求假手的外形、構造與人手相近。隨著電子技術、生物醫學工程的發展，假手已由裝飾假手、機械牽引假手發展到肌電假手。肌電假手是大腦通過脊髓和神經系統向有關肌肉發出一組生物電脈衝，利用裝在手臂皮膚表面的電極接受指令而驅動假手運動。這種假手受人的意志控制，能實現多功能的、與人手相似的動作。中國清華大學已於1983年研製出肌電假手。

下肢的主要功能在於負重走路，既要有穩定性、又要有適應性和靈活性。下肢包括髖關節、膝關節、踝關節和足部各小關節。它在結構上要比較堅實、穩定，以適合下肢生理功能的需要。身體的重量經髖關節和股骨頭傳到雙腳。膝關節保證大腿和小腿之間具有一定的相對運動，以保證人體的穩定。美國還進行了在人體外側安裝機械骨骼即所謂“蟹殼”的研究，人的手足動作信息由機械檢出後，再來驅動機械骨骼。通過機械骨骼來承受外部力量可使人的力量增大許多倍，即藉助機械可擴大人的機能和對外界的適應性。

其他相關類別

其他仿生機械 　模仿鳥類、昆蟲和魚類的形態構造特點，研製各種適宜在空中、水下活動的機械技術系統，也是仿生機械的內容。自然界能飛的動物種類接近全部動物的3/4，其中占主要地位的有600多種鳥類和35萬多種昆蟲。這些飛行動物為人類改進飛機性能和製造新型飛行器提供了天然的設計原型。鳥類和昆蟲的某些特殊機能，如蚊蠅和蜜蜂等昆蟲靈活機動的陡然起飛，翻轉翅翼的高頻振動，光面懸垂和空中定息等，都是現代飛機所做不到的。蜻蜓不僅飛得快，而且飛得高，飛得遠，是因為它有柔軟單薄的翅膀，飛行速度可達50公里/時。蜻蜓翅膀上的翅痣具有消除飛行中翅膀顫動的特點。根據這個特點，在飛機設計中將飛機類似部分加厚，以克服機翼的顫動現象。此外，沙漠蝗、金色鷸的節能飛行等，都是飛行器設計中可資借鑑的。

根據蝙蝠喉頭髮出的超音波可在空中導航和它對空中食物定位的原理，人類發明了雷達。根據蒼蠅、蜻蜓的複眼原理，人類發明了複印機和印刷機的複眼透鏡。根據響尾蛇的頰窩能感覺到 0.001℃的溫度變化的原理，人類發明了跟蹤追擊的響尾蛇飛彈。人類還利用蛙跳的原理設計了蛤蟆夯；模仿警犬的高靈敏嗅覺製成了用於偵緝的“電子警犬”。

仿生海豚

鯨、海豚和各種魚類經過億萬年的進化，形成了適應於水中的多姿體形。其中有適應於快速航行的仿錘形；適應於水底緩慢運動的平扁形；適應於穿入泥土或石洞間的圓筒形。脊鰭闊大的劍魚速度可達110公里/時,並能在幾秒之內就可達到全速，這是現代快艇所不及的。魚類除了有適於航行的形體外，同時還有特殊的推進和沉浮機能。人類根據水生動物尾鰭擺動式推進系統的生物力學原理，設計出一種擺動板推進系統。它不僅可以使船隻十分靈活地轉彎和避開障礙，還可以順利地通過淺水域或沙洲而不擱淺。僧帽水母用感覺細胞控制浮鰾內的氣體使身體沉浮。鮪魚靠控制體內一種生理化學反應而沉浮。人類根據這些原理研製成潛水艇的沉浮系統。烏賊的體型雖然和魚不太相同，但運動器官十分完善，它靠收縮腹肌把外套膜中的水從噴嘴迅速射出，藉此推進身體前進。人類根據這個原理設計出噴水船。人類還模仿海豚皮膚可減少水阻的特點，製成了“人工海豚皮”。

展望

仿生機械學的研究和運用僅僅邁出了第一步。但從所取得的成果看，利用生物界的許多有益構思來發展技術是可為的。機械智慧型化必將是機構工程的發展方向之一。智慧型機械是人類千百年來的願望，這方面的研究必定持久不懈地進行下去。人們不僅要研究生物系統在進化過程中逐漸形成的那些結構和機能，更要著重揭示其組織結構的原理，評定其機能關係、適應方法、存活方法和自我更新方法等。因為只有這些方法才能使生物系統在複雜的生存環境中具有高度的適應性和生命力。把生物系統中可能套用的優越結構和物理學的特性結合使用，人類就可能得到在某些性能上比自然界形成的體系更為完善的仿生機械。

仿生機械手

我國第一部用於手指功能鍛鍊的輔助治療裝置－－智慧型仿生康復訓練機械手樣機，在冰城哈爾濱問世。它將在改善患者手部外傷的治療效果、最大限度防止患者手指關節功能障礙發生等方面發揮積極作用。

據了解，手是極易受到損傷的人體器官，由於其內部神經、血管、小肌肉縱橫交錯，一旦受損治療難度很大，治療後功能恢復也多不理想。臨床上，手外傷術後多需將患指固定3--4周，致使瘀積於關節內肌腱周圍瘀血易形成纖維變性，直接導致手指關節及肌腱的粘連，在不同程度上影響患指功能。

針對手指抓握等精細動作康復器具的研究在我國尚處於空白的狀況，哈爾濱工業大學教授王樹國和付宜利帶領的課題組與哈爾濱醫科大學附屬第四醫院孟慶剛教授，共同承擔了國家自然科學基金項目"智慧型促動手（指）功能恢復醫療仿生機械手研究"。科研人員經過近兩年努力，根據現代循證醫學（EMB）和連續被動運動（CMP）理論，在對手（指）運動進行建模、仿真並進行系統的運動學和動力學分析的基礎上，在國內率先研製出智慧型仿生康復訓練機械手。

該仿生機械手採用模組化設計，由3個類似人類手指的"手指"組成，每個"手指"分"仿生手指"模組和"仿生肌肉"模組兩部分。"仿生手指"模組採用平面桿機構和空間桿機構實現受傷手指各關節的運動；"仿生肌肉"模組包括驅動器、導向機構、張緊機構和支撐機構等實現"仿生手指"的驅動控制。

據付宜利教授介紹，患者使用時，將仿生康復訓練機械手套在受傷的手上，由臨床康復專家通過控制系統下達指令，促使傷指連續、被動地活動，從而加速傷指關節軟骨及周圍肌腱和韌帶的癒合與再生，使傷指功能得到恢復。

該仿生機械手還能對患者臨床康復過程中的受力信息進行採集，從而可以對臨床康復的效果進行定量測評，同時為人手臨床康復研究提供基礎數據，促進康復理論研究的進一步發展。