仿生学上机练习精心整理版物有所值.docx
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仿生学上机练习精心整理版物有所值
山东**大学
《仿生学概论》
课程练习二
姓名：
班级：
学号：
仿生机器人（文章一）
1.概念
仿生机器鱼是一种按照鱼类游动的推进机理，利用机械、电子元器件或智能材料来实现水下推进的装置。
仿生机器鱼可以进行长时间、大范围、工况较复杂的水下作业，可以用于机动性能要求较高的场合，进行海洋生物考察、海底勘探和海洋救生等等许多场合。
最近几年来，国内外许多研究机构和高等院校对仿生机器鱼进行了大量的研究，并且在各个领域中得到了实际运用。
英国埃塞克斯大学的研究人员向泰晤士河投放专门设计的仿生机器鱼，用于探测水中的污染物，并绘制河水的3D污染图。
日本三菱重工也已经将研究的仿生机器鱼玩具批量生产。
中国北京航空航天大学和中国科学院研制的SPC-II仿生机器鱼也成功地用于水下考古探测。
2.原理
仿生机器鱼主要是模仿机器鱼的外形和运动规律，尽心环境数据收集。
其模仿鱼类外形和运动规律的目的是为了实现鱼类高效的游动效率和良好的机动性。
所以在仿生方面尤其注意鱼体和鱼鳍的模仿和控制。
鱼主要有背鳍、胸鳍、腹鳍、臀鳍和尾鳍。
胸鳍：
它的基本功能为运动、平衡和掌握运动方向。
腹鳍：
主要协助背鳍、臀鳍维持鱼体的平衡，并有辅助鱼体升降和拐弯功能。
尾鳍：
有平衡、推进和转向的作用，尾的扭曲和伸直使鱼体产生前进运动。
鱼类的运动方式主要为波浪式运动，或称游泳。
借助于连续的肌节收缩与舒张，从头部开始的收缩在身体两侧交替进行，形成波浪式的传递，使收缩波传向尾部，身体则向收缩的一侧弯曲使成S型。
收缩在尾部结束，尾部将收缩的力传给水，这个力被水以同等大小、但方向相反的反作用力作用于尾部。
这个力向前的分力是鱼体向前运动的主要推进力。
目前各个研究单位研究的仿生机器鱼的结构不尽相同，但是都主要通过模仿和控制鱼鳍的运动来达到运动目的。
典型仿生机器鱼的结构如下图所示，主要有视频模块、导航模块、任务调度模块、运动控制模块、通讯模块、电源模块和尾鳍模块。
仿生机器鱼的推进方式主要有两种：
摆动式和波动式。
波动式是指在游动过程中整个推进结构都参与了大振幅的波动，并且在推进长度上至少提供一个完整的波形。
摆动式是指推进结构绕着基体转动，并不呈现波的形状。
一般来说，波动式常指身体波动式，摆动式常指尾鳍摆动式。
相对于尾鳍摆动式而言，身体波动式推进效率较低，但机动性较好。
而尾鳍摆动式具有很高的推进效率，适于长时间、长距离巡游，不足之处是机动性较差。
目前大多数的仿生机器鱼都采用了摆动推进方式。
使用伺服电动机经过换向齿轮组换向，带动摆杆摆动，摆杆末端的销轴推动一端固定于机器鱼骨架上另一端自由的弹性薄板往复摆动。
通过控制系统控制弹性薄板的摆动方式的不同，控制机器鱼的游动方式不同。
摆杆左右对称的摆动，机器鱼前进，改变摆幅和频率可以控制机器鱼前进的速度；摆杆偏在半边摆动，比如偏在左半边摆动可以使鱼向左转弯，机器鱼转弯，改变摆杆的摆幅和频率可以控制机器鱼转弯的半径。
3.典型案例
国外仿生机器鱼的典型案例如下：
美国MIT的VCUUV：
目的在于开发一
种利用涡流控制推进的自主水下机器人
英国埃塞克斯大学的环境检测机器人：
主要用于环境检测和绘制3D污染图
日本三菱开发的观赏机器鱼
ESSEX的G8机器鱼：
主要工作集中在实现仿鱼游动,特别是非稳定游动方面
国内典型案例：
北京航空航天大
学SPC-II机器鱼：
已应用于水底考
古探索
4.特点
优点：
1）高效性2）机动性3）低噪性4）适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务
缺点：
1）驱动结构复杂2）速度和稳定性控制困难3）自动规避障碍物较困难
发展趋势：
由于目前开发的大多数机器鱼在仿真程度上还可以提高，而且高效性、低噪性和机动性还有待提高。
所以未来仿真机器鱼的发展方向主要有仿生材料的研究、提高效率和低噪性能，尤其还得提高机动性能。
电鱼与伏特电池（文章二）
自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种。
人们将这些能放电的鱼，统称为“电鱼”。
各种电鱼放电的本领各不相同。
放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。
中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压，称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动物。
电鱼放电的奥秘究竟在哪里?
经过对电鱼的解剖研究，终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。
这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的。
由于电鱼的种类不同，所以发电器的形状、位置、电板数都不一样。
电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的发电器形似扁平的肾脏，排列在身体中线两侧，共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体，位于皮肤与肌肉之间,约有500万块电板。
单个电板产生的电压很微弱，但由于电板很多，产生的电压就很大了。
电鱼这种非凡的本领，引起了人们极大的兴趣。
19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。
因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。
对电鱼的研究，还给人们这样的启示：
如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。
翠鸟和新干线（文章三）
翠鸟和新干线
日本的工程师们成功地制造出了新一代新干线列车，其运行时速超过320公里，但是当列车高速行驶时其产生的噪音超过了环境标准，这是由于列车高速通过狭窄的车道时将产生音爆效应。
这一问题的一部分原因是列车的车头是子弹型，因此它会“推挤”前方的空气而非“切穿”过去。
为了解决这个问题，工程师们从翠鸟的嘴巴上得到了灵感，这种鸟类在冲向水中捕
鱼时只会溅起很少的水花。
观察发现，翠鸟拥有一个流线形的长长鸟嘴，其直径逐渐增加，以便让水流顺畅向后流动。
通过仿生学设计，工程师们对子弹车头进行重新改造，西日本铁路公司制造出了500系列列车，并于1997年投入使用。
实践证明这种列车的车速比起原有设计提升了10%，而电力消耗降低了15%，而噪音水平也有了显著下降。
设计示例：
（1）子弹列车：
日本新干线的500系列子弹列车是目前全世界最快的列车，最高时速可达300公里。
它的设计灵感来源与猫头鹰的翅膀和翠鸟的嘴。
猫头鹰的锯齿形翅膀让它在飞行和捕猎时悄无声息，因为这种翅膀可以让气流形成一个个小型漩涡，从而阻止制造噪音的大漩涡的形成。
而翠鸟的尖嘴则是空气动力学，使它在飞行时尽量减小空气阻力
（2）白蚁大厦：
津巴布韦境内一座高楼，名叫Eastgate Comlex，设计师利用白蚁的建筑技巧设计了这座大楼。
白蚁的洞穴从地表拔地而起数米高，内部的自然通风冷却系统，使得外界温度即使在1~40摄氏度范围内变化，洞内温度也能保持在30.5摄氏度
（3）壁虎胶带：
庇护能上强，是因为其脚掌上数以百万计的细小绒毛的吸附力，这种壁虎胶带表面的表面有无数人造的具吸附能力的茸毛，人戴上后，很容易就能爬上玻璃墙，实现蜘蛛侠一般的攀爬能力
（4）钩和毛圈塔扣：
1940年，一名瑞士工程师从粘到自己裤子和狗毛上的植物得到启发，发明了这种塔扣。
个人觉得这个和壁虎胶带很相似，只不过粘合方式不同
（5）
可弯折、可自我修复的混凝土
可弯折，可自我修复的混凝土
我们的身体如果受伤出血，我们可能需要护创膏，但那已经算是比较严重的划伤了。
我们体内的血液循环系统会迅速反应，修复创口。
美国密歇根大学的科学家们从这一点得到灵感，设计出了能自我修复划痕的混凝土。
他们采用特殊的微纤维，而不是传统使用的粗糙砂石来用于水泥的加固。
加入了微纤维的混凝土即便在弯折的情况下也只会出现头发丝粗细的细微裂缝，而不是破坏性的大裂缝。
并且更妙的是，一旦出现裂口，其丰富的纤维便会从周遭空气中吸收水汽，从而使“创口”变得柔软，并逐渐“愈合”，修复裂隙。
与此同时，水泥中的钙离子也会从空气中吸收水汽和二氧化碳，生成碳酸钙，这是贝壳的化学成分。
经过这样一些列自发的修复和再加固过程，弯折后的混凝土结构牢固如初。
尽管现在这种具备自我修复功能的混凝土价格相当于普通混凝土的3倍，但是从建筑寿命和安全性的长远考虑，仍然是一种更加经济的选择。
分析解读：
1.生物特性
自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种。
人们将这些能放电的鱼，统称为“电鱼”。
各种电鱼放电的本领各不相同。
放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。
中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压，称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动物。
2.仿生元素
在电鱼体内有一种奇特的发电器官。
这些发电器是由许多叫电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的，单个电板产生的电压很微弱，但由于电板很多，产生的电压就很大了。
3.仿生应用
19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。
因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。
4.社会效益
对电鱼的研究，还给人们这样的启示：
如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。
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