仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)的發(fā)展動(dòng)態(tài)

1、仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)的發(fā)展動(dòng)態(tài)xxxxxx 學(xué)院 xxxxxxxxxx xxxxxxxxx 號(hào) Tel:xxxxxxxxxx, HYPERLINK mailto:xxxxxxxxx xxxxxxxxx摘要：仿生學(xué)是一門涵蓋面極廣的交叉學(xué)科，本文主要講述了什么是仿生學(xué)，什么是仿生 機(jī)械學(xué)，仿生學(xué)的起源，以及國(guó)內(nèi)外對(duì)仿生機(jī)械學(xué)研究的進(jìn)展。其中還提到了我對(duì)這門課 的認(rèn)識(shí)以及建議。關(guān)鍵詞：仿生；機(jī)械；建議引言：仿生學(xué)涵蓋生物電子學(xué)、生物傳感器、生物仿真材料、生物物理學(xué)、生物電機(jī)和生物大 分子的自裝配等的一門交叉學(xué)科。主要是研究和建立一類人工系統(tǒng)，使之具有生命系統(tǒng)的某 些特性。仿生學(xué)起源自古以來(lái)，自然界就

2、是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。人類以 自己直立的身軀、能勞動(dòng)的雙手、交流情感和思想的語(yǔ)言，在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中，促 進(jìn)了神經(jīng)系統(tǒng)尤其是大腦獲得了高度發(fā)展。人類的智慧不僅僅停留在觀察和認(rèn)識(shí)生物 界上，而且還運(yùn)用人類所獨(dú)有的思維和設(shè)計(jì)能力模仿生物，通過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)增加自 己的本領(lǐng)。魚兒在水中有自由來(lái)去的本領(lǐng)，人們就模仿魚類的形體造船，以木槳仿鰭。 相傳早在大禹時(shí)期，我國(guó)古代勞動(dòng)人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動(dòng)、轉(zhuǎn)彎，他 們就在船尾上架置木槳。通過(guò)反復(fù)的觀察、模仿和實(shí)踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船 的動(dòng)力，掌握了使船轉(zhuǎn)彎的手段。這樣，即使在波濤滾滾的江河中，人們也能讓船只 航行自如。鳥

3、兒展翅可在空中自由飛翔。據(jù)韓非子記載魯班用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”。然而人們更希望仿制鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中。早在四百多 年前，意大利人利奧那多達(dá)芬奇和他的助手對(duì)鳥類進(jìn)行仔細(xì)的解剖，研究鳥的身體 結(jié)構(gòu)并認(rèn)真觀察鳥類的飛行。設(shè)計(jì)和制造了一架撲翼機(jī)，這是世界上第一架人造飛行 器。以上這些模仿生物構(gòu)造和功能的發(fā)明與嘗試，可以認(rèn)為是人類仿生學(xué)的先驅(qū)，也 是仿生學(xué)的萌芽。仿生機(jī)械學(xué)仿生機(jī)械學(xué)是上世紀(jì)60年代初期出現(xiàn)的一門綜合性的新興邊緣學(xué)科，它是生命科學(xué)與 工程技術(shù)科學(xué)相互滲透、相互結(jié)合而形成的。包含著對(duì)生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對(duì)生物的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會(huì)的要求付之實(shí)用

4、化。生物材料力學(xué)和機(jī)械力學(xué)以骨或軟組織(肌肉、皮膚等)作為對(duì)象，通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)方法，測(cè)定其應(yīng)力、變 形特性，求出力的分布規(guī)律。還可根據(jù)骨骼、肌肉系統(tǒng)力學(xué)的研究，對(duì)骨和肌肉的相 互作用等進(jìn)行分析。另外，生物的形態(tài)研究也是一大熱門。因?yàn)樯锏男螒B(tài)經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的變化，往往 已形成最佳結(jié)構(gòu)，如人體骨骼系統(tǒng)具有最少材料、最大強(qiáng)度的構(gòu)造形態(tài)，可以通過(guò)最 優(yōu)論的觀點(diǎn)來(lái)學(xué)習(xí)模擬建造工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。生物流體力學(xué)主要涉及生物的循環(huán)系統(tǒng)，關(guān)于血液動(dòng)力學(xué)等的研究已有很長(zhǎng)的歷史，但仍有 許許多多的問(wèn)題尚未解決，特別是因?yàn)樗难芯颗c心血管疾病關(guān)系十分密切，已成為 一門倍受關(guān)注的學(xué)科。生物運(yùn)動(dòng)學(xué)生物的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，因?yàn)樗c骨骼和

5、肌肉的力學(xué)現(xiàn)象、感覺(jué)反饋及中樞控制牽 連在一起。雖然各種生物的運(yùn)動(dòng)或人體各種器官的運(yùn)動(dòng)測(cè)定與分析都是重要的基礎(chǔ)研究，但在仿生機(jī)械學(xué)中，目前特別重視人體上肢運(yùn)動(dòng)及步行姿態(tài)的測(cè)定與分析，因?yàn)槿梭w上 肢運(yùn)動(dòng)機(jī)能非常復(fù)雜，而下肢運(yùn)動(dòng)分析對(duì)動(dòng)力學(xué)研究十分典型。這對(duì)康復(fù)工程的研究 也有很大的幫助。生物運(yùn)動(dòng)能量學(xué)生物的形態(tài)是最優(yōu)的，同樣，節(jié)約能量消耗量也是生物的基本原理。從運(yùn)動(dòng)能量 消耗最優(yōu)性的特點(diǎn)對(duì)生物體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能等進(jìn)行分析、研究，特別是對(duì)有 關(guān)能量的傳遞與變換的研究，是很有意義的。(5 )康復(fù)工程學(xué)包括如動(dòng)力假肢、電動(dòng)輪椅、病殘者用環(huán)境控制系統(tǒng)等。它涉及許多學(xué)科和技 術(shù)，比如對(duì)于動(dòng)力假肢，只

6、有在解決了材料、能源、控制方式、信號(hào)反饋與精密機(jī)械 等各種問(wèn)題之后才能完成，而且這些裝置還要作為一種人一一機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)、試用， 走向?qū)嵱没牡缆肥欠浅ＦD難和曲折的。(6 )機(jī)器人的工程學(xué)是把生物學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于工程領(lǐng)域的典型范例，其目的一是省力；二是在宇宙、 海洋、原子能生產(chǎn)、災(zāi)害現(xiàn)場(chǎng)等異常環(huán)境中幫助和代替人類進(jìn)行作業(yè)。機(jī)器人不僅要 有移動(dòng)功能的人造手足，而且還要有感覺(jué)反饋功能及人工智能。目前研究熱點(diǎn)為人造 手、步行機(jī)械、三維物體的聲音識(shí)別等。國(guó)內(nèi)外對(duì)仿生機(jī)械學(xué)研究的進(jìn)展2.1蜘蛛與仿生科技蜘蛛是人們非常熟悉的昆蟲，它會(huì)造絲織網(wǎng)，而一些機(jī)械工程師卻把注意力集中到蜘蛛 網(wǎng)的研究上，因?yàn)樗欣D(zhuǎn)

7、移的特性。這種拉力轉(zhuǎn)移特性已成為當(dāng)代仿生研究的重要內(nèi)容。 研究結(jié)論表明，蜘蛛絲能替代某些合成纖維織物，如尼龍、滌綸。古籍資料顯示：蜘蛛用于 醫(yī)學(xué)目的已有幾個(gè)世紀(jì)了。蜘蛛的毒液能有效地防止中風(fēng)患者腦損傷?？茖W(xué)工作者經(jīng)過(guò)對(duì)蜘 蛛的毒液分析，并利用仿生學(xué)原理，仿生制造這種物質(zhì)，已成為一種高效、多功能新型殺蟲 劑。新近報(bào)道，澳大利亞科學(xué)研究報(bào)告稱，他們?cè)诎拇罄麃喌囊环N叫漏斗網(wǎng)蜘蛛身上發(fā)現(xiàn)了 一種神經(jīng)毒素的物質(zhì)，并對(duì)這種物質(zhì)進(jìn)行了分子結(jié)構(gòu)分析。并提醒說(shuō)，這可能是一種有著巨 大商業(yè)潛力的研究新成果，因?yàn)樗菍?duì)哺乳類動(dòng)物沒(méi)有副作用的強(qiáng)力殺蟲劑。2 0世紀(jì)5 0年代，美國(guó)已將蜘蛛絲用于制造防彈背心和降落傘以及

8、光學(xué)儀器中的十字 線，其耐拉強(qiáng)度引起了仿生學(xué)家及機(jī)械工程學(xué)家的極大關(guān)注。生命科學(xué)已經(jīng)從蜘蛛的基因型 上去研究，目前杜邦公司的科技人員用無(wú)性繁殖法繁殖并生產(chǎn)出了蜘蛛絲，他們?cè)谶@種新產(chǎn) 出的蜘蛛絲中加入黏狀蛋白，制成了潔凈的、高強(qiáng)度的人造蜘蛛絲。隨著基因組測(cè)序的不斷 發(fā)展，功能基因被快速提示，加上克隆技術(shù)的不斷完善，仿生蜘蛛絲的生產(chǎn)，很快會(huì)進(jìn)入產(chǎn) 業(yè)化階段，其使用范圍會(huì)越來(lái)越廣泛。2.2仿生人將走近現(xiàn)實(shí)生活模仿動(dòng)物動(dòng)作及信息處理系統(tǒng)研究仿生人的速度正在加快。東京工業(yè)大學(xué)制造出的仿生 人，有的像袋鼠一樣輕快躍過(guò)障礙物；有的像蛇一樣潛伏在狹長(zhǎng)地帶。東京大學(xué)和筑波大學(xué)則聯(lián)合研究模仿昆蟲大腦的信息處理系統(tǒng)

9、開發(fā)新型機(jī)器人;美國(guó)的 奧斯汀得克薩斯大學(xué)的科學(xué)工作者正在研制一種“萬(wàn)能味覺(jué)傳感器”，它能夠區(qū)別數(shù)百種物 質(zhì)的不同味道。新近報(bào)道，美國(guó)一家衛(wèi)生研究院在一項(xiàng)6 0萬(wàn)美元貸款的支持下，為開發(fā)出一種新型傳 感器正在加速研究。根據(jù)現(xiàn)已掌握的技術(shù)資料，新開發(fā)出的傳感器幾乎可以在較短的時(shí)間內(nèi) 告訴醫(yī)生有關(guān)病人的血液和尿樣的所有成分。德克薩斯大學(xué)的德昂尼柯克教授說(shuō)：制造出 能夠同時(shí)進(jìn)行2 0種或5 0種味覺(jué)仿生傳感是完全可行的，并預(yù)測(cè)這種仿生“萬(wàn)能味覺(jué)傳感 器”最終會(huì)取代針對(duì)某些具體物質(zhì)（如膽固醇、血糖等）的單項(xiàng)測(cè)試。一個(gè)同時(shí)對(duì)血糖和尿 樣進(jìn)行多種測(cè)試的傳感器即將走向現(xiàn)實(shí)生活。2.3仿生器官組織工程蓬勃興起

10、斷肢再植，肝臟、腎臟、心臟器官移植均已有幾十年的歷史了。它們均已成為器質(zhì)性疾 病治療的主要手段。目前器官移植的主要問(wèn)題不是外科手術(shù)的技術(shù)，而是供移植的器官缺少。 為了解決這一難題，世界很多國(guó)家都在想方設(shè)法，如成立形形色色的供體器官公司，但效果 均不理想。只是到了當(dāng)代，隨著生命科學(xué)研究和基因工程的高速發(fā)展，才出現(xiàn)了前面提到的 仿生器官組織工程，比較有效地解決了這一難題。仿生器官組織工程的目標(biāo)旨在闡明生物系統(tǒng)的功能和結(jié)構(gòu)原理，人工創(chuàng)造出類似人體肌 肉、血管、骨骼、腎臟、心臟等仿生材料。仿生器官組織工程依據(jù)有機(jī)體的自我生長(zhǎng)和補(bǔ)償 功能原理，利用基因技術(shù)創(chuàng)造人工器官。如用血管內(nèi)皮細(xì)胞、纖維原細(xì)胞和平滑

11、肌細(xì)胞重建 血管；用肝細(xì)胞重建肝臟；用造骨細(xì)胞來(lái)構(gòu)建骨骼組織等。仿生器官組織工程的興起將實(shí)現(xiàn) 疾病治療，首先是器質(zhì)性病變治療的大變化，造福人類。最近美國(guó)麻省理工學(xué)院化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)工程系的研究小組，用羔羊的血管細(xì)胞制成羔羊 的人工心臟閥。培養(yǎng)于聚合物基質(zhì)上的人皮膚已移植到燒傷病人身上和糖尿病患者的足潰瘍 部位取得了成功。采用這種辦法培養(yǎng)的皮膚表皮細(xì)胞可以消除可能有的排斥作用?，F(xiàn)在醫(yī)學(xué)家和生物學(xué)家結(jié)合正在設(shè)計(jì)像腎臟和肝臟之類的仿生完整器官的培養(yǎng)。2 1世 紀(jì)的今天，人們將利用仿生器官組織工程制造的器官、組織取代用塑料和金屬制成的替代器 官(膚體)，用來(lái)修復(fù)受傷的骨骼和關(guān)節(jié)。這些活的移植體會(huì)無(wú)縫合地

12、與周圍組織結(jié)合，以 消除諸如感染和替代肢體的關(guān)節(jié)松動(dòng)之類的問(wèn)題。像鼻子和耳朵之類具有復(fù)雜而形狀特定的 器官，通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助輪廓設(shè)計(jì)和軟骨細(xì)胞裝到構(gòu)成物上的方法，在聚合結(jié)構(gòu)中是能夠形成 的。實(shí)驗(yàn)實(shí)踐表明，目前國(guó)內(nèi)外有些實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)制造出來(lái)的這類人工器官，移植到動(dòng)物身上 獲得了成功。下一步是在臨床上進(jìn)行人體實(shí)驗(yàn)。應(yīng)該想到，在動(dòng)物器官上的實(shí)驗(yàn)成功，在人 體上使用是大有希望的。我對(duì)這門課程的認(rèn)識(shí)和建議：哈工大的機(jī)械類專業(yè)一直在國(guó)內(nèi)處于頂尖水平，因此我們必須對(duì)仿生機(jī)械學(xué)有非常高的 認(rèn)識(shí)，這門課就給予了我們這個(gè)認(rèn)識(shí)的機(jī)會(huì)。從開課的仿生學(xué)歷史，到后來(lái)的各類仿生機(jī)械，再到最后一節(jié)課的仿生人形機(jī)器，我們 增長(zhǎng)了很多的見識(shí)。姚老師講課風(fēng)趣幽默，使人興趣盎然，使用的PPT不光有文字?jǐn)⑹觯€ 有大量的圖片和視頻資料，讓我們生動(dòng)地見識(shí)到了各類仿生機(jī)械，對(duì)仿生機(jī)械有了更為直觀 的認(rèn)識(shí)。在那些視頻中，不光有各類仿生機(jī)械的活動(dòng)展示，還有詳細(xì)的語(yǔ)音介紹，讓我們了 解那些機(jī)器人是如何克服各種技術(shù)難題的。在我看來(lái)，這門課程對(duì)我們以后在機(jī)器人方面的發(fā)展有重要的意義。雖然這門課沒(méi)有繁 重的作業(yè)，但激發(fā)了我們對(duì)仿生機(jī)器的興趣。只有激發(fā)了我們對(duì)仿生機(jī)器的興趣，才能讓我 們投入其中，進(jìn)行更深入的研究。結(jié)論：經(jīng)過(guò)35億年進(jìn)化的生物世界是技術(shù)創(chuàng)新