仿生機械學

仿生機械學是上世紀60年代初期出現的一門綜合性的新興邊緣學科，它是生命科學與工程技術科學相互滲透、相互結合而形成的。包含著對生物現象進行力學研究，對生物的運動、動作進行工程分析，並把這些成果根據社會的要求付之實用化。

基本介紹

• 中文名：仿生機械學
• 外文名：Bionic mechanics

含義

仿生學的誕生是建築在生物科學的進步、以及與電子學的相互滲透的基礎上。實際上它是一門涉及廣闊領域的綜合性的邊緣學科，若以電子學為中心來考慮，就構成了仿生電子學，若以機械學為中心來考慮，則構成了仿生機械學。

如果把傳統的機械稱之為一般機械的話，仿生機械應該是指添加有人類智慧型的一類機械。在物理和機械機能方面，一般機械要比人類的能力要強許多，但在智慧型方面卻比人類要低劣的多。因此，若把人——機結合起來，就有可能使一般機械進化為仿生機械。從這一角度出發，可以認為仿生機械應該是既具有像生物的運動器官一樣精密的條件，又具有優異的智慧型系統，可以進行巧妙的控制，執行複雜的動作。

仿生機械學是以力學或機械學作為基礎的，綜合生物學、醫學及工程學的一門邊緣學科，它既把工程技術套用於醫學、生物學，又把醫學、生物學的知識套用於工程技術。

研究動向

從習慣上說，可把仿生機械學的各個研究動向歸納如下：

（1）生物材料力學和機械力學

以骨或軟組織（肌肉、皮膚等）作為對象，通過模型實驗方法，測定其應力、變形特性，求出力的分布規律。還可根據骨骼、肌肉系統力學的研究，對骨和肌肉的相互作用等進行分析。

另外，生物的形態研究也是一大熱門。因為生物的形態經過億萬年的變化，往往已形成最佳結構，如人體骨骼系統具有最少材料、最大強度的構造形態，可以通過最優論的觀點來學習模擬建造工程結構系統。

（2）生物流體力學

主要涉及生物的循環系統，關於血液動力學等的研究已有很長的歷史，但仍有許許多多的問題尚未解決，特別是因為它的研究與心血管疾病關係十分密切，已成為一門倍受關注的學科。

（3）生物運動學

生物的運動十分複雜，因為它與骨骼和肌肉的力學現象、感覺反饋及中樞控制牽連在一起。

雖然各種生物的運動或人體各種器官的運動測定與分析都是重要的基礎研究，但在仿生機械學中，目前特別重視人體上肢運動及步行姿態的測定與分析，因為人體上肢運動機能非常複雜，而下肢運動分析對動力學研究十分典型。這對康復工程的研究也有很大的幫助。

（4）生物運動能量學

生物的形態是最優的，同樣，節約能量消耗量也是生物的基本原理。從運動能量消耗最優性的特點對生物體的運動形態、結構和功能等進行分析、研究，特別是對有關能量的傳遞與變換的研究，是很有意義的。

（5）康復工程學

包括如動力假肢、電動輪椅、病殘者用環境控制系統等。它涉及許多學科和技術，比如對於動力假肢，只有在解決了材料、能源、控制方式、信號反饋與精密機械等各種問題之後才能完成，而且這些裝置還要作為一種人——機系統進行評價、試用，走向實用化的道路是非常艱難和曲折的。

（6）機器人的工程學

是把生物學的知識套用於工程領域的典型範例，其目的一是省力；二是在宇宙、海洋、原子能生產、災害現場等異常環境中幫助和代替人類進行作業。機器人不僅要有移動功能的人造手足，而且還要有感覺反饋功能及人工智慧。目前研究熱點為人造手、步行機械、三維物體的聲音識別等。

生物形態與工程結構

前面我們提到過，經過了億萬年的進化，生物的形態是最優的。形形色色的生物結構中，有許多巧妙最佳利用力學原理的實例，讓我們從靜力學的角度出發，來觀察一下生物形體結構對人類工程設計產生的影響。

自然界有許多高大的樹木，其挺直的樹幹不但支撐著本身的重量。而且還能抵抗大風及強烈的地震。這除了得益於它的粗大樹幹外，還靠其龐大根系的支持。一些巨大的建築物便模仿大樹的形態來進行設計，把高樓大廈建立在牢固可靠的地基上。

植物的果實擔負著延續種族的任務，億萬年的進化使其果實多呈圓形。圓的外形使它們在較小的空間占用最大的體積來存貯營養，同時使它們對外界的壓力如風力等有較大的抵抗力。如花生、核桃等還有著堅硬的外殼，可以保護裡面相對嬌嫩的果仁。同樣地，動物也具有對自然力的適應性，如蛋殼、烏龜殼和貝殼等，都巧妙利用了一定的力學原理。如果你握住一個雞蛋，即使加力擠壓，也很難把它弄破。原來蛋殼的拱形結構與其表面的彈性膜一起構成了預應力結構，在工程上稱為薄殼結構。

自然界中巧妙的薄殼結構具有各種不同形狀的彎曲表面，不僅外形美觀，還能夠承受相當大的壓力。在建築工程上，人們已廣泛採用這種結構，如大樓的圓形屋頂、模仿貝類製造的商場頂蓋等。

動物界中，辛勤的蜜蜂被稱為昆蟲世界裡的建築工程師。它們用蜂蠟建築極規則的等邊六角形蜂巢，無論從美觀和實用角度來考慮，都是十分完美的。它不僅以最少的材料獲得了最大的利用空間，而且還以單薄的結構獲得了最大的強度。

在蜂巢的啟發下，人們仿製出了建築上用的蜂窩結構材料，具有重量輕、強度和剛度大、絕熱和隔音性能良好的優點。同時這一結構的套用，已遠遠超出建築界，它已套用于飛機的機翼，宇宙航天的火箭，甚至於我們日常的現代化生活家具中。

生物形態與運動

現代的各種交通工具，如汽車、飛機、艦船等，均需要一定的工作條件，若在崇山峻岭或沼澤中則無法工作。但自然界中有各種各樣的動物，在長期殘酷的生存鬥爭中，它們的運動器官和體形都進化得特別適合在某種惡劣環境下運動，並有著驚人的速度。

昆蟲是動物界中跳躍的能手，許多昆蟲的後腿特別發達，跳躍的本領異常高超。

就目前研究所知，叩頭蟲和蚤類為動物界跳躍的冠亞軍獲得者，它們的跳躍高度一般為其體長的幾十倍、而且無須助跑，就會產生極高的加速度。

而集跑、跳、飛於一體的全能冠軍，則非蝗蟲莫屬。它有著異常靈活、機動的運動能力，給農作物帶來巨大災害。但若拋開這一點，單獨研究其運動形態，則會給我們以很大的啟迪。如果研究出了它的運動奧秘，則對目前飛機的改進有很大的促進意義，倘若離開了跑道，噴氣式巨型飛機是無法起飛的，但蝗蟲則完全用不著這些。

動物界中的跳躍能手還有羚羊和袋鼠，這在非洲及澳大利亞的大草原上是非常著名的。帶輪的汽車在沙漠上行走時會異常困難，但羚羊和袋鼠卻是如魚得水。它們是依靠其強有力的後肢在沙漠上跳躍前進的，現在已研製出一種“跳躍機”，在坎坷不平的田野或沙漠地區均可通行無阻。它沒有輪子，是靠四條腿有節奏的相互協調的起落來前進的。

但是世界上還有許多地方，即使你擁有強壯有力的腿，也是無法行進的，如南北極的茫茫雪原，雜草叢生的泥濘的沼澤地區等。漫步在南極茫茫雪原的紳士——企鵝，給了人類以極大的啟示。它們在緊急情況時，可以以 30公里的時速飛跑，這是因為經過兩千多萬年的進化，企鵝的運動器官已變得非常適宜於雪地運行。它只要撲倒在地，把肚子貼在雪的表面上，蹬動雙腳滑雪，便可飛速向前。受它的啟發，人們已研製出一種越野汽車，可在雪地與泥濘地帶快速前進，速度可達50公里/小時。

人類在水上航行的歷史十分悠久，但活動能力卻非常有限，遠遠不如人類在空中飛行和陸地上行走所取得的成就。許許多多魚類的航速可輕而易舉地超過目前世界上最先進的艦艇。其原因也是來自於大自然無所不在的進化改革，是億萬年來魚兒為了適應水中生活，便於追逐食物和逃避敵害的進化結果。

首先，魚類的航行速度得益於其理想的流線型體形。這種體形使得它們受到摩擦阻力和形狀阻力的共同作用儘可能的減小。另外人們還發現，魚在水中運動時，由於尾部的擺動，產生一種彎曲波，使魚的運動速度大為提高。另外，有些魚的身體表面還附有一種粘液，這種粘液也能降低魚在水中運動的摩擦阻力。

目前，有許多新型船隻是按照鯨和海豚的體形輪廓及其身體各部比例而建造的，據稱航速大為提高。

另外，最新的研究成果表明，海豚之所以游得快，不僅僅是因為其流線型體形，還由於其特殊的皮膚構造。

大家知道，物體在水中運動時受到的阻力的大小，與流經運動物體表面的水的流動形式有關，若水接觸的是鋼鐵等堅硬牲的表面，則由於水流產生混亂現象，水的阻力會隨之增加；若水接觸的是柔軟且具有極微細凹凸面的物體表面，則由於物體表面本身具有吸收和消除產生水流混亂的現象，所以水的阻力會下降。

海豚的皮膚可分為三層。第一層是光滑柔軟的表皮層；第二層是白色的真皮層，它生有無數的乳頭狀、中空的突起物。且伸向黑色的表皮裡面；第三層是很厚的脂肪層，很有彈性。由於這種構造，使海豚在水中游泳時，皮膚能順從水的壓力而波動，阻力小，摩擦力也小，其航速就快。人們模仿海豚的皮膚構造，用橡膠製成人造海豚皮——片流膜，裝在潛水艇上，使湍流減少了50%，大大提高了潛水艇航行的速度。

隨著航空知識和對飛行生物有關知識的增加，人們在長期的飛行實踐中，對飛機的機身、機翼和發動機進行了不斷的改進，並取得了較高水平。目前超音速飛機的時速已達到三千六百多公里，它已經接近聲音傳播速度的三倍；軍用殲擊機已能飛到30，000米以上的高空，爬升的速度也能達到200米/秒；軍用轟炸機的航程可達I2，000公里以上。飛機載重能力也有了較大提高，大型運輸機雖然自重已達250噸以上，還可以運載80多噸物資。

儘管如此，動物在千萬年的自然淘汰和進化過程中所掌握的飛行本領，仍值得人類學習和借鑑。

現代飛機的起飛和降落都需要很長的跑道，即使是直升機也要像籃球場一樣大小的空地，作為起飛和降落的基礎。但飛行動物均不需任何空地和跑道，能在剎那間騰空而起遠走高飛。

目前飛機的燃料消耗非常大，一架“波音747”飛機在運輸50噸貨物時，要消耗100噸輕油，是所載貨物重量的兩倍。但鳥類在長途飛行中卻能充分利用空氣的浮力，有時滑翔，有時振翅飛行，非常節省動力、如果按照鳥類動力消耗的情況來計算，目前的輕便飛機在飛行32公里之後僅需0.5升的汽油，但實際上要消耗四升。

因此，對飛行生物飛行本領的研究還需要仿生學家做出進一步的努力，從它們身上可以發現一些尚未被人類掌握的空氣動力學規律，這對於我們研製及改進飛器，是非常有益的。

21世紀的機器人技術

機器人這一名詞最早出現於19世紀，但直到本世紀50年代後期，機器人才走出了科學幻想，進入了科學技術領域。那時，在市場上出現了兩種機器人，一種取名為“萬能自動機械”，一種取名為“通用搬運機械”，並構成了今天機器人發展的基型。

一般說來，可以從兩個角度來對機器人進行定義。從工程的角度出發，認為它屬於一種自動機械，具有對環境的通用性和實用性，操作程式簡便。而且可以實現獨立的隨意的運動。若從仿生學的角度看，則認為它是具有近似人類相當部分功能的機械，它能執行與人類似的動作，且具有類似人的某種智慧型，如記憶、再現、邏輯運算、學習、判斷、感知等。

機器人由硬體和軟體兩大部分組成。為了使機器人能夠從事複雜的工作，執行與人相似的一些動作，必須要使它的機構和功能都具有很大的靈活性。同時，還要有能對其運動器官進行巧妙控制的軟體，兩者互相配合，協調運行。

目前為止，此科技的最新研究成果是一隻假肢手。它以可以有像正常工作的性能和以前假肢從未有過的最新科技——有著類似於人類觸覺的功能而成為此研究項目的最新成果。據悉，此機器手可以判別所觸摸的物品材質已有110多種，並且研究人員正在朝媲美於真正人手的目標進發。

機器人技術的發展

從50年代以來，機器人技術已有了很大的進步，按照其功能和類型的發展，大體上可把它劃分為以下三個時期：

第一代機器人

是使用存貯和程式控制的自動機器，在60年代初問世，即目前能夠在部門實用的重複型機器人，常稱為工業機器人。它的動作包括示教、存貯、再現和操作四個步驟。它可以通過示教輸入操作程式，在存貯裝置記憶體貯一系列的操作內容，並利用存貯內容的再現，自動地重複進行工作的一種通用自動搬運機械。

它存在的問題包括：

（1）感測器與反饋問題

它一般沒有觸覺及反饋系統，不能用觸覺去發現物體放置的位置與姿態，所以不能做出靈巧的動作。

（2）視覺問題

由於它沒有眼睛，不能辨別物體的種類，不能看出零件安裝位置，也不能進行視覺檢查。

（3）適應能力問題

由於它只按事先存貯的程式動作，不能隨環境和作業對象的變化而自動更改作業內容，幾乎不能把複雜的裝配作業編成程式。

（4）運動自由度問題

一般來說，這類機器人的運動自由度小，手的柔軟性差，沒有移動的腳。

這種機器人的最大優點在於能把人類從危險、惡劣、單調的工作環境中解放出來，做到工業生產的自動化與省力化，目前仍然得到廣泛的套用。

第二代機器人

與第一代的根本區別在於其智慧型性。它具有感覺識別又具有某些思維功能，並由這些功能控制動作，是具有與人類相類似智慧型的自動機械。其發展主要開始於70年代，主要用在各種對人有害的環境中作業，它能在操作人員操縱下進行工作，或按照人的指令在未知環境中從事高水平的作業。一般把前者稱為近距離操縱型機器人，後者稱為遠距離操縱型機器人。

假如說在60年代主要用示教重複型機器人來做“放”與“拿”工作，那么到了70年代，開始用智慧型機器人進行“尋找”與“發現”對象物，今後的十年將是機器人大發展的十年，智慧型機器人的時代已經到來。

套用範圍

目前世界上已有幾萬台機器人，其品種和功能多種多樣，套用範圍相當廣泛，可歸納為：

（1）危險環境條件替代作業

原子能生產、宇宙開發、空間飛行、海洋開發、軍事工程、救火等領域。

（2）社會福利

假肢、高級作業程式及語言控制的假肢、醫療機器人、家用機器人等。

（3）生產自動化領域

工業機器人，裝配、檢驗、系統管理機器人等。

小結

總之，機器人的研究領域相當廣泛。可以從仿生學的角度對人和動物肢體的運動學和動力學進行研究，使機器人具有類似生物運動的機構、也可以從生理學的角度對生物體的視覺、觸覺和聽覺系統進行研究，並作出其物理模型，以便研製機器人的理想信息處理系統；還可以採用電子計算機，進行機器人智慧型信息處理和肢體運動控制的研究等。