1、必齊威鼻求*摩Harbin I nstituteof Technology仿生感知與先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)課程報(bào)告(1)報(bào)告題目：淺析仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)For pers onal use only in study and research; not for commercial use院系：機(jī)申I工程學(xué)院班級(jí)：姓名：For pers onal use only in study and research; not for commercial use學(xué) 號(hào)：一淺析仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)經(jīng)過學(xué)習(xí)仿生機(jī)器人這門課，我對(duì)仿生學(xué)和仿生機(jī)械學(xué)有了很大的興 趣。眾所周知，去年的全國科技創(chuàng)新大賽項(xiàng)目就是仿生機(jī)器人，我

2、欣賞了參 賽的仿生機(jī)器人視頻，這加深了我對(duì)仿生的認(rèn)識(shí)和理解。下面就是我結(jié)合所 學(xué)知識(shí)與所查詢的資料結(jié)合出來一些自己對(duì)仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)的理解。一仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)的定義1.仿生學(xué)我對(duì)仿生學(xué)的理解就是“模仿”二字，就是模仿大自然的各種生物或系 統(tǒng)的特點(diǎn)，自古以來，自然界就是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明 的源泉，因?yàn)樯锝?jīng)過不斷進(jìn)化，為了更好的適應(yīng)大自然，進(jìn)化所形成的身 體結(jié)構(gòu)可以說是鬼斧天工的設(shè)計(jì)，我們可以通過仿生這一途徑設(shè)計(jì)更優(yōu)化的 機(jī)械。仿生學(xué)已漸漸發(fā)展成一門獨(dú)立的學(xué)科，具有這樣幾個(gè)特征：相似性、多樣性、跨學(xué)科、復(fù)雜性、智能性、綜合性、創(chuàng)新性和最優(yōu)化。仿生學(xué)是應(yīng)用 相似原理，通過抽象

3、思維及綜合的方法實(shí)現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。仿生學(xué)是一門模仿生物的特殊本領(lǐng)，利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來研制 機(jī)械或各種新技術(shù)的科學(xué)技術(shù)。仿生學(xué)是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)學(xué)互相滲 透而結(jié)合成的一門新興的邊緣科學(xué)。仿生學(xué)的任務(wù)就是要研究生物系統(tǒng)的優(yōu) 異能力及產(chǎn)生的原理，并把它模式化，然后應(yīng)用這些原理去設(shè)計(jì)和制造新的 技術(shù)設(shè)備。仿生就是人類從生物上得到的啟示，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步。在應(yīng)用的仿 生技術(shù)有很多我們熟悉的例子：蝙蝠與雷達(dá)、人工冷光、電魚與伏特電池、 水母的順風(fēng)耳、失重現(xiàn)象、蛋殼與薄殼建筑、斑馬、昆蟲仿生和電子蛙眼等 等。2.仿生機(jī)械學(xué)仿生機(jī)械學(xué)是仿生學(xué)的一個(gè)重要分支，這是以制造機(jī)械為放聲目的，若

4、是以制造電子為目的，則為仿生電子學(xué)。仿生機(jī)械學(xué)在我的理解下：它可以更有效率適應(yīng)環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)能量更 高的利用率。它有別于傳統(tǒng)機(jī)械，它更加精密和智能，不僅能夠表現(xiàn)生物般 的靈動(dòng)性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的應(yīng)用性。仿生機(jī)械學(xué)不僅適用于工程，更在醫(yī)學(xué)和 生物學(xué)有很大促進(jìn)作用。二研究方向1. 仿生學(xué)的研究范圍仿生學(xué)的研究范圍主要包括：力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息與 不得用于商業(yè)用途控制仿生、電子仿生、機(jī)械仿生、建筑仿生、化學(xué)仿生等方面。2. 仿生機(jī)械學(xué)的研究方向（1）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，通過模型實(shí)驗(yàn)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

5、、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(diǎn)來學(xué)習(xí)模擬建造工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。（2）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)等的研究已有很長的歷史， 但仍有許許多多的問題尚未解決，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。（3）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(yùn)動(dòng)或人體各種器官的運(yùn)動(dòng)測定與分析都是重要的基礎(chǔ)研究，但在仿生

6、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。（4）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)械等各種問題之后才能完成，而且這些裝置還要作為一種人一 機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)

7、、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。三國內(nèi)外仿生機(jī)械學(xué)研究進(jìn)展在仿生學(xué)定義中，我已經(jīng)提及了許多應(yīng)用仿生原理的創(chuàng)新機(jī)械。這里會(huì) 在舉一些國外研究成果的例子：1. 新型海嘯預(yù)警系統(tǒng)：德國萊布尼茨海洋科學(xué)研究所的科學(xué)家們研制出了一 種新型調(diào)制解調(diào)器。它可將海底傳感器發(fā)出的信號(hào)迅速傳送至預(yù)警浮標(biāo)， 后者則會(huì)通過衛(wèi)星將信

8、號(hào)直接傳輸至監(jiān)控中心。 研制出這種調(diào)制解調(diào)器的 德國科學(xué)家從海豚的叫聲中得到啟迪。康斯坦丁 ？克布卡爾在柏林理工大 不得用于商業(yè)用途學(xué)研究仿生學(xué)與海洋動(dòng)物的聲音傳播， 他發(fā)明的無線傳輸技術(shù)可從海底迅 速且不受干擾地向海面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)。2. 國外對(duì)新型仿生機(jī)器人的研究：美國四足步行機(jī)器人、英國蛇形機(jī)器人、 日 本寵物狗、美國凱斯西儲(chǔ)蟋蟀型機(jī)器人。這里以英國蛇形機(jī)器人為例，它像真蛇一樣有一條“脊椎骨”，其實(shí) 這是一串模塊化的“脊椎單元”，它們像拼插玩具一樣緊緊地咬合在一 起。每個(gè)“脊椎單元”上有 3條獨(dú)立的“肌肉”。 這些“肌肉”由鎳鈦合 金金屬絲制成。鎳鈦合金具有“形狀記憶”的特殊本領(lǐng)： 當(dāng)有電流通

9、過時(shí)， 它的晶體結(jié)構(gòu)會(huì)收縮， 斷電后又能恢復(fù)到以前的形狀。 “機(jī)器蛇”通過內(nèi) 置的程序控制通過不同金屬絲電流的開關(guān)和強(qiáng)弱， 從而操縱每條“肌肉” 活動(dòng)的方向與力量， 指揮“機(jī)器蛇”向預(yù)定目標(biāo)前進(jìn)。 但“機(jī)器蛇 ”最了不 起的本領(lǐng)還在于能夠帶傷堅(jiān)持執(zhí)行任務(wù)， 在實(shí)驗(yàn)中， “機(jī)器蛇 ”表現(xiàn)出十分 頑強(qiáng)的戰(zhàn)斗精神，研究人員介紹說： “我們故意使它的一部分癱瘓，以檢 驗(yàn)它在戰(zhàn)場上受傷后的表現(xiàn)。 最初它癱在地上一動(dòng)不動(dòng)， 但不久后， 它的 大腦'就琢磨出應(yīng)該如何運(yùn)動(dòng)，開始向既定目標(biāo)前進(jìn)了。盡管動(dòng)作不像受 傷前那么靈活，但能堅(jiān)持到終點(diǎn)。 ” 我國的仿生研究工作起步較晚，在前期落后于世界水平，但是在

10、我們一 代代科研人員的努力下，我們也取得了不錯(cuò)的進(jìn)展：北航與中科院的仿生 機(jī)器魚、天津大學(xué)仿生無人直升機(jī)、沈陽水下自治機(jī)器人、哈工大擬人雙 足步行機(jī)器人等等，這些都說明了中國仿生機(jī)器人的研究水平達(dá)到了世界 一流，相信經(jīng)過更長時(shí)間發(fā)展，中國仿生機(jī)器人研究會(huì)取得更大的突破與 成果。這里簡略介紹一下工大的機(jī)器人為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，具有十二個(gè)自由度，可以完成包括前進(jìn)、后退、側(cè)行、轉(zhuǎn)向和上下階梯等動(dòng)作。不得用于商業(yè)用途四對(duì)本課的建議與看法對(duì)于仿生學(xué)這門學(xué)科來說，現(xiàn)在它的前景很好，而且未來人類許多創(chuàng)新 開發(fā)都要依靠它。在這個(gè)背景下開展這門關(guān)于仿生、機(jī)器人技術(shù)的學(xué)科是十 分必要的。我認(rèn)為學(xué)校可以提高對(duì)其的重視度，

11、提高學(xué)時(shí)。對(duì)于課堂效果來說，我感覺很滿意能夠欣賞到國內(nèi)外的先進(jìn)仿生機(jī)械視 頻。而且老師將像蛇形機(jī)器人、仿生機(jī)器魚等仿生例子做了詳盡并且生動(dòng)的 講解。我希望老師能夠在課堂上讓我們接觸更多先進(jìn)的仿生案例，這樣更有 利于我們接下來的學(xué)習(xí)，擴(kuò)寬我們的眼光。接下來我想對(duì)老師提出的建議是在課堂上增加更多的提問交流時(shí)間，這 樣可以更好的讓我們了解仿生學(xué)和機(jī)器人技術(shù)。如果在課堂上展示實(shí)物作 品，我相信這可以增進(jìn)我們學(xué)生極大的興趣，會(huì)更利于我們對(duì)這門課程的學(xué) 習(xí)。僅供個(gè)人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l '