生命科学热点讲座.docx
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生命科学热点讲座
机械设计制造与生命科学的融合
结
课
作
业
姓名：
张志刚
学号：
1064103122
专业：
机械设计制造及其自动化
学院：
机械工程学院
任课教师：
司万童
机械设计制造与生命科学的融合
姓名：
张志刚学号：
1064103122年级：
机2010-1班
专业：
机械设计制造及其自动化学院：
机械工程学院
摘要：
生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。
例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。
可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潜艇设计原理上。
仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。
仿生学的诞生是建筑在生物科学的进步、以及与电子学的相互渗透的基础上。
实际上它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，就构成了仿生电子学，若以机械学为中心来考虑，则构成了仿生机械学。
生物学的发展，可以开拓机械工程的研究视野，一些机械领域的发展和突破都是受到生命科学的启发，仿生学如鱼、蝙蝠等等的原理来发明了潜艇、雷达这些机械装置，或者利用这些基本原理来利用机械的方法来实现，还有比较重要的就是机器人的出现也是受人的启示；生物学的发展，从而出现了一些新的科学技术，比如说神经网络技术、遗传算法等技术，这些技术和方法现在很多运用于机械领域的研究。
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。
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2.生物流体力学3.生物运动学4.生物运动能量学5.康复工程学6.机器人的工程学
关键词：
生命科学；仿生机械学；研究方向；发展
正文：
人类关于生命科学的研究不仅仅局限于人类还局限于动物、植物、微生物等等，不仅仅局限于陆地，还局限于海拔数千米的高山、数万海里的大洋底部，不仅仅局限于地球，还拓宽到遥远的月球、火星以致于遥无边际的宇宙深处。
再一个就是机械工程的发展促进了生命科学的发展和变革。
随着机械工业的发展，越来越多的高科技的仪器和装置越来越多地运用于生命科学的研究等领域，大大提高了生命科学的研究效率、丰富了生命科学的研究方法，从而促进了生命科学的飞跃发展。
随着机械工程和一些相关科技的飞速发展，人类研究生命科学的视野也得到了前所未有的拓宽和提升。
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。
仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。
仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。
从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。
仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。
仿生机器人是从仿生学的角度对机器人进行研究和开发,其设计原理是提取蕴藏于生物体中、通过生物进化沉积下来的优秀的运动学、组织学、形态学及其综合作用效果的特性,并将这些特性相对应的结构、形态、组织以及信息传递的方式,通过机械的、电子的、化学的或其它现代科技手段进行某些特定环境的再现。
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。
一.研究动向
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。
二．国内外仿生机器学研究进展
1．水下仿生机器人
水下机器人由于其所处的特殊环境，在机构设计上比陆地机器人难度大．在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑．以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形，用涡轮机驱动，具有坚硬的外壳以抵抗水压．由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展．鱼类在水下的行进速度很快，金枪鱼速度可达105km／h，而人类最快的潜艇速度只有84km／h．所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的，鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象．仿鱼推进器效率可达到70％一90％，与水的相对速度比螺旋桨推进器小得多，有效地解决了噪音问题．美国麻省理工学院和日本都研制出了仿鱼机器人．在国内，中科院沈阳自动化研究所和北京航空航天大学机器人研究所已研制了机器
美国罗克威尔公司和Is机器人公司研制的扫雷机器蟹，得到了美国国防高级研究计划局及海军研究局的资助．这种扫雷机器蟹可以隐藏在海浪下面，在水中行走，也可以通过振动，将整个身子隐藏在泥沙中．扫雷机器蟹长约560mm，重10．4kg．它还装备了多个状态传感器和集成的控制系统，并且每条腿都具有2个运动自由度，当地形改变时，通过这些系统可迅速地调整机器人的姿态和运
动方式，使机器人能稳定、迅速地到达目标区域．当遇到水雷时，就把它抓住，等待控制中心的命令．一旦收到信号，就会自己爆炸，同时引爆水雷．
水下机器鱼和机器蟹的灵活性远远高于现有的潜艇，几乎可以达到水下任何区域，由人遥控，它可轻而易举地进入海底深处的海沟和洞穴，可用于测绘海洋地图，检测水下污染，拍摄海洋生物．也可以悄悄地溜进敌方的港口，进行侦察而不被发觉．作为军用侦察和科学探索的工具，其发展和应用的前景十分广阔。
2．空中仿生机器人
空中机器人即具有自主导航能力，无人驾驶的飞行器．这类机器人活动空间广阔、运动速度快，居高临下而不受地形限制．在军事、森林火灾以及灾难搜救中，前景极好．其飞行原理分为：
固定翼飞行、旋翼飞行和扑翼飞行．目前国内外广泛关注的微型飞行器侧重于扑翼机的研究．它模仿鸟类或昆虫的扑翼飞行原理，将举升、悬停和推进功能集于一个扑翼系统，可以用很小的能量做长距离飞行，同时具有较强的机动性，适合于长时间无能源补给及远距离条件下执行任务．
美国加州大学伯克利分校的科学家们利用仿生学原理制造出了世界上第一只能飞翔的“机器蝇”，他们利用一种类似玻璃纸的原料聚酰亚胺，造出了只有长10mm，宽3mm，厚0．005mm的仿生翅膀．它能够每秒钟扇动150下，而且还让机器蝇实现了绑在一根细线上的半自主飞行．其重量只有0．1g，身高不到30mm，在100m上空飞行，人们用肉眼几乎发现不了它，而它却可以拍出极为清晰的照片传回来．美国五角大楼对有望成为“微型间谍”的机器蝇极为重视，设想机器蝇在未来战争中，可以进行空中侦察，甚至可以带上微型炸药，袭击指定目标．在未来的机器蝇身上，将安装许多传感器和微型摄像机，可以用来发现森林火灾，在灾难中搜寻废墟中的幸存者．
3．地面仿生机器人
美国、日本、德国、英国、法国等国家都开展了蛇形机器人的研究，并研制出许多样机．日本东京大学的Hirose教授从仿生学的角度，在1972年研制了第一台蛇形机器人样机．美国卡内基一梅隆大学近日研究出一种可以攀爬管道的蛇形机器人，这种蛇形机器人大部分由轻质的铝或塑料组成，最大也只有成人手臂大小．机器人配有摄像机和电子传感器，可以接受遥控指挥．蛇形机器人可以成功上下一根塑料管道，并可以跨越废墟碎片间的巨大空隙以及在草丛中来去自由．让蛇形机器人在坍塌废墟中穿梭，能更快地找到幸存者，为灾难救援工作带来了技术突破．在国内，上海交通大学、中科院沈阳自动化研究所、国防科技大学等单位相继研制出了蛇形机器人样机．图4是国防科技大学研制的蛇形机器人样机．这条长1200mm，直径60mm，重1．8kg的机器蛇，能扭动身躯，在地上或草丛中蜿蜒爬行，可前进、后退，转弯和加速，最大前进速度可达20m／min，披上特制的“蛇皮”后还能像蛇一样在水中游泳．机器蛇头部安装有视频监视器，可以将机器蛇运动前方的情况实时传输到电脑中，科研人员则可根据实时传输的图像观察运动前方的情景，不断向机器蛇发出各种遥控指令．
2001年美国科学家经过对壁虎脚掌的研究，认为壁虎等爬壁生物能够在各种表面无障碍地运动，其脚掌与接触面之间的接触力是分子问作用力．基于分子间作用力的吸附机制，与真空吸附和磁吸附相比在航天领域有着明显的优势．例如，在人造卫星表面工作的小型机器人，与卫星表面的吸附连接不能依靠负压吸附，也不能依靠磁力吸附，而如果能够研制出像壁虎那样基于分子间作用力吸附的机器人脚掌，那么这种机器人的实现就简单多了．如图5所示是美国斯坦福大学的一个研究小组在2006年开发出的一种仿壁虎机器人，称StickybotJ．Stickybot具有4只粘性脚，每个脚有4个脚趾，趾底长着数百万个极其微小的由人造橡胶制成的人造绒毛用于粘附．每个脚趾都有脚筋，脚筋可以实现脚趾的外翻与展平，每个脚上的4个脚筋可以联动，可轻松实现脚与附着面的吸附与脱离．壁虎的腿是四杆机构，依靠一个电机实现腿的前后移动，并借助另外一个电机实现四杆机构平面的转动从而实现抬腿动作．此外，有一个电机实现壁虎脚趾动．Stickybot从吸附原理、运动形式，机器人外形上都比较接近真实的壁虎．受壁虎的启发，美国拟开发爬行手套和爬行鞋，完成攀登救援等工作．国内北京航空航天大学和南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所合作也在进行与仿壁虎机器人相关的研究．
3．仿人机器人
自1983年以来，美国研制出一系列7自由度拟人单臂和双臂一体机器人，并已用于空间站实验．
1986年美国犹他州大学工程设计中心研制成功了著名的UTAHMIT灵巧手，该手有4指，拇指2关节，其余3指各有3关节，手指关节绳索驱动并设有张力传感器．1990年由贝尔实验室完成了灵巧手的软硬件控制系统，并模拟人手的拿、夹、抓、握物体等多种动作进行了实验．1992年日本进行多指仿人手臂真实作业的研究，系统由主从手臂及传感控制系统组成，其灵巧手有4指，每指有3个关节，手具有14个自由度．随着多指灵巧手研究的发展，具有灵巧手的仿人臂及其系统的研究愈来愈受到重视．日本本田公司和大阪大学联合推出的P1、P2和P3型仿人步行机器人，将仿人机器人的研究推向一个崭新的高度．在P3的基础上本田公司又研制了“Asimo”智能机器人，如图6所示．“Asimo”机器人高1．2m，体重43kg，它可以爬楼梯，以6km／h的速度奔跑，可以识别各种各样的声音，还能够通过头部照相机捕捉到的画面和事先设计好的程序识别人类的各种手运动以及10种不同的脸型，可以和人手拉着手走路，使用手推车搬运物品等．
国内一些科研院所也进行了仿人机器人的研究．北京航空航天大学机器人研究所在国家863智能机器人主题支持下，研制出了能实现简单抓持和操作作业的3指9自由度灵巧手．哈尔滨工业大学机器人研究所研制了高灵活性的仿人手臂及拟人双足步行机器人，其仿人手臂具有工作空间大、关节无奇异姿态、结构紧凑等特点，通过软件控制可实现避障、回避关节极限和优化动力学性能等．双足步行机器人为关节式结构，具有12个自由度，可以完成仿人步行的动作
4．生物机器人
生物机器人即活体生物的人工控制，是生物学、信息学、测控技术、微机电系统技术高度发展并互相结合的产物．世界各国早已开展利用动物作战的研究，如训练狗钻人敌方要地将其炸毁，或用海豚侦察潜艇等．现在更多的国家都在研究将微型传感器安装到动物的身上，使其进人人类无到达的地方．1995年，日本东京大学的Shimoyama教授领导的课题组研究蟑螂的控制技术，即把蟑螂头上的探须和翅膀切除，插入电极和微处理器以及红外传感器，通图7蟑螂的人工控制过遥控信号产生电刺激，使蟑螂向特定的方向前进．2002年，美国纽约州立大学通过在老鼠体内植入微控制器，成功实现对老鼠的转弯、前进、爬树和跳跃等动作的人工控制．国内的南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所在研制仿壁虎机器人的同时也在研究壁虎的人工控制技术，把微电极植入壁虎体内，通过电刺激模拟神经，来控制其运动．
三．研究成果：
1.双向主动弯曲气动柔性关节及其在机械手中的应用
各类主动关节是仿生机器人及运动机械的关键部件,其结构特征、运动特点、力学特性、驱动能力和控制方法,将决定整机产品的功能和应用水平。
随着科技的发展,机器人技术的应用正以前所未有的速度向工业装配、物流、服务和军事领域扩展,对其整体性能提出了更高的要求。
尤其是对关节的结构柔性、运动柔性、驱动柔性和柔性控制提出了挑战,迫切需要研发具有综合柔性功能的仿生关节,对环境和操作对象的变化具有适应性。
近几十年来,国内外学者对关节柔性问题的研究取得了丰富成果。
已开发具有部分柔性功能的关节,主要有伺服电机、液压缸和气缸驱动方式,且被广泛应用于各种机械和机器人中。
但其体积较大关节偏“硬”,能实现的柔性功能程度有限。
气动人工肌肉驱动因具有高度柔顺性,受到极大关注并已陆续研发出五种形式的人工肌肉。
其中仅有McKibben型肌肉较为成功,在柔性机器人关节的驱动上已初步得到应用,但关节本体仍为刚性,具有综合柔性的关节尚待研究。
在理论上,其大变形气动弹性体的力学特性还需要进一步深入探讨。
本文从自主研制的气动人工肌肉着手,突破了传统主动关节的结构模式,提出了一种并联四肌肉组成的双向主动弯曲气动柔性关节。
将关节本体需要的刚度分化到...
2.轮式移动机器人的运动控制及定位方法研究
移动机器人应能根据所承担的任务在对环境信息感知与理解的基础上实现路径规划和自定位，并能完成相应的运动，即移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。
本文以应用于FMS的轮式移动机器人（AGV）为研究对象，对自动导航系统的设计、环境信息建模与理解技术、路径规划技术、定位和导航及控制技术等关键技术进行了深入的研究。
2.1以运动功能最具代表性的3-TTR型AGV为对象，进行了运动状态量和控制量解析，提出了一种可进行AGV横滑特性识别的运动状态量求解方法；同时，对其各运动功能进行了分析。
2.2通过对移动机器人常用导航方式的分析，为自主开发的XAUT·AGV100设计了一种组合导航系统：
采用编码器和陀螺仪为AGV提供实时导航信息以实现轨迹跟踪，采用编码器和超声波传感器在作业站点及部分特征点处对环境信息的感知实现作业定位。
该组合导航系统具有在行驶路径段适应能力强、在作业站点定位精度高、成本低廉等优点。
2.3在分析移动机器人常见路径规划方法和环境建模方法的基础上，研究开发一种新的环境建模方法...
认识：
这门课不仅可以帮助我们开阔我们的视野，还能增长我们的知识，增加我们学习机械的动力。
参考文献：
1.史恩秀.轮式移动机器人的运动控制及定位方法研究[D].西安理工学,2006
2.郑向阳,熊蓉,顾大强.移动机器人导航和定位技术[J]机电工程,2003.（05）.
3.耿德旭.双向主动弯曲气动柔性关节及其在机械手中的应用[D].吉林大学,2011
4.赵旖旎.灵长类仿生机器人悬臂运动仿生与控制策略研究[D].哈尔滨工业大学,2010
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