仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)的發(fā)展動態(tài)

1、仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)的發(fā)展動態(tài)xxxxxx 學(xué)院 xxxxxxxxxx xxxxxxxxx 號 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，以及國內(nèi)外對仿生機(jī)械學(xué)研究的進(jìn)展。其中還提到了我對這門課 的認(rèn)識以及建議。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，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、能勞動的雙手、交流情感和思想的語言，在長期的生產(chǎn)實踐中，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)識生物 界上，而且還運用人類所獨有的思維和設(shè)計能力模仿生物，通過創(chuàng)造性的勞動增加自 己的本領(lǐng)。魚兒在水中有自由來去的本領(lǐng)，人們就模仿魚類的形體造船，以木槳仿鰭。 相傳早在大禹時期，我國古代勞動人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動、轉(zhuǎn)彎，他 們就在船尾上架置木槳。通過反復(fù)的觀察、模仿和實踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船 的動力，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。包含著對生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對生物的運動、動作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會的要求付之實用

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)作為對象，通過模型實驗方法，測定其應(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。因為生物的形態(tài)經(jīng)過億萬年的變化，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)，可以通過最 優(yōu)論的觀點來學(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)于血液動力學(xué)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(guān)系十分密切，已成為 一門倍受關(guān)注的學(xué)科。生物運動學(xué)生物的運動十分復(fù)雜，因為它與骨骼和

5、肌肉的力學(xué)現(xiàn)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(chǔ)研究，但在仿生機(jī)械學(xué)中，目前特別重視人體上肢運動及步行姿態(tài)的測定與分析，因為人體上 肢運動機(jī)能非常復(fù)雜，而下肢運動分析對動力學(xué)研究十分典型。這對康復(fù)工程的研究 也有很大的幫助。生物運動能量學(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。從運動能量 消耗最優(yōu)性的特點對生物體的運動形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能等進(jìn)行分析、研究，特別是對有 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)包括如動力假肢、電動輪椅、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)，比如對于動力假肢，只

6、有在解決了材料、能源、控制方式、信號反饋與精密機(jī)械 等各種問題之后才能完成，而且這些裝置還要作為一種人一一機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行評價、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 有移動功能的人造手足，而且還要有感覺反饋功能及人工智能。目前研究熱點為人造 手、步行機(jī)械、三維物體的聲音識別等。國內(nèi)外對仿生機(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，因為它有拉力轉(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)過對蜘 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。新近報道，澳大利亞科學(xué)研究報告稱，他們在澳大利亞的一種叫漏斗網(wǎng)蜘蛛身上發(fā)現(xiàn)了 一種神經(jīng)毒素的物質(zhì)，并對這種物質(zhì)進(jìn)行了分子結(jié)構(gòu)分析。并提醒說，這可能是一種有著巨 大商業(yè)潛力的研究新成果，因為它是對哺乳類動物沒有副作用的強(qiáng)力殺蟲劑。2 0世紀(jì)5 0年代，美國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性繁殖法繁殖并生產(chǎn)出了蜘蛛絲，他們在這種新產(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)，很快會進(jìn)入產(chǎn) 業(yè)化階段，其使用范圍會越來越廣泛。2.2仿生人將走近現(xiàn)實生活模仿動物動作及信息處理系統(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障礙物；有的像蛇一樣潛伏在狹長地帶。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“萬能味覺傳感器”，它能夠區(qū)別數(shù)百種物 質(zhì)的不同味道。新近報道，美國一家衛(wèi)生研究院在一項6 0萬美元貸款的支持下，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：制造出 能夠同時進(jìn)行2 0種或5 0種味覺仿生傳感是完全可行的，并預(yù)測這種仿生“萬能味覺傳感 器”最終會取代針對某些具體物質(zhì)（如膽固醇、血糖等）的單項測試。一個同時對血糖和尿 樣進(jìn)行多種測試的傳感器即將走向現(xiàn)實生活。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)體的自我生長和補償 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)胞來構(gòu)建骨骼組織等。仿生器官組織工程的興起將實現(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)，用來修復(fù)受傷的骨骼和關(guān)節(jié)。這些活的移植體會無縫合地

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)松動之類的問題。像鼻子和耳朵之類具有復(fù)雜而形狀特定的 器官，通過計算機(jī)輔助輪廓設(shè)計和軟骨細(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。實驗實踐表明，目前國內(nèi)外有些實驗室已經(jīng)制造出來的這類人工器官，移植到動物身上 獲得了成功。下一步是在臨床上進(jìn)行人體實驗。應(yīng)該想到，在動物器官上的實驗成功，在人 體上使用是大有希望的。我對這門課程的認(rèn)識和建議：哈工大的機(jī)械類專業(yè)一直在國內(nèi)處于頂尖水平，因此我們必須對仿生機(jī)械學(xué)有非常高的 認(rèn)識，這門課就給予了我們這個認(rèn)識的機(jī)會。從開課的仿生學(xué)歷史，到后來的各類仿生機(jī)械，再到最后一節(jié)課的仿生人形機(jī)器，我們 增長了很多的見識。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?，還 有大量的圖片和視頻資料，讓我們生動地見識到了各類仿生機(jī)械，對仿生機(jī)械有了更為直觀 的認(rèn)識。在那些視頻中，不光有各類仿生機(jī)械的活動展示，還有詳細(xì)的語音介紹，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，這門課程對我們以后在機(jī)器人方面的發(fā)展有重要的意義。雖然這門課沒有繁 重的作業(yè)，但激發(fā)了我們對仿生機(jī)器的興趣。只有激發(fā)了我們對仿生機(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35億年進(jìn)化的生物世界是技術(shù)創(chuàng)新