仿生学及仿生机械学的发展动态Word格式.doc

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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：

1什么是仿生学

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。

2什么是仿生机械学

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。

3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）生物材料力学和机械力学。

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，生物的形态研究也是一大热门。

因为生物的形态经过亿万年的变化，往往已形成最佳结构，如人体骨骼系统具有最少材料、最大强度的构造形态，可以通过最优论的观点来学习模拟建造工程结构系统。

（2）生物流体力学。

主要涉及生物的循环系统，关于血液动力学等的研究已有很长的历史，但仍有许许多多的问题尚未解决，特别是因为它的研究与心血管疾病关系十分密切，已成为一门倍受关注的学科。

（3）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。

虽然各种生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，但在仿生机械学中，目前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，而下肢运动分析对动力学研究十分典型。

这对康复工程的研究也有很大的帮助。

（4）生物运动能量学。

生物的形态是最优的，同样，节约能量消耗量也是生物的基本原理。

从运动能量消耗最优性的特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。

包括如动力假肢、电动轮椅、病残者用环境控制系统等。

它涉及许多学科和技术，比如对于动力假肢，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、试用，走向实用化的道路是非常艰难和曲折的。

　　（6）机器人的工程学。

是把生物学的知识应用于工程领域的典型范例，其目的一是省力；

二是在宇宙、海洋、原子能生产、灾害现场等异常环境中帮助和代替人类进行作业。

机器人不仅要有移动功能的人造手足，而且还要有感觉反馈功能及人工智能。

目前研究热点为人造手、步行机械、三维物体的声音识别等。

目前世界上已有几万台机器人，其品种和功能多种多样，应用范围相当广泛，可归纳为：

（1）危险环境条件替代作业。

原子能生产、宇宙开发、空间飞行、海洋开发、军事工程、救火等领域。

（2）社会福利。

假肢、高级作业程序及语言控制的假肢、医疗机器人、家用机器人等。

（3）生产自动化领域。

工业机器人，装配、检验、系统管理机器人等。

从对机器人的研究内容来看，其发展动向主要有下列几个方面：

（1）重视传感器的研究，以使机器人具有视觉、触觉和听觉等功能。

（2）新型伺服机构的研究

（3）人工智能的研究

（4）微型计算机在机器人系统应用的研究

总之，机器人的研究领域相当广泛。

可以从仿生学的角度对人和动物肢体的运动学和动力学进行研究，使机器人具有类似生物运动的机构、也可以从生理学的角度对生物体的视觉、触觉和听觉系统进行研究，并作出其物理模型，以便研制机器人的理想信息处理系统；

还可以采用电子计算机，进行机器人智能信息处理和肢体运动控制的研究等。

4我对这门课的认识与意见

这门课使我们机械专业的学生对自己未来的研究内容有了初步的认识和了解。

基本熟悉了机器人的简单构造及其相关信息。

不过感觉自己的储备知识还不够充分，在学习到传感器时的一些基本电气电路问题成为了我对知识理解的障碍。

这门课总体上对我们的帮助很大，课下如果能有一些实际的动手作业，将所学知识运用起来，我觉得对我们更好的学习这门课有所脾益。