1、機(jī)械工程專業(yè)學(xué)習(xí)作業(yè) 仿生原理與仿生機(jī)械概論2、我們站在臺子的邊緣要倒的時(shí)候，會使臂從上向前方回轉(zhuǎn)的作用是什么？答：人體是一臺很復(fù)雜的“機(jī)器”，這是一種下意識或者叫潛意識的動作。主要作用就是調(diào)節(jié)人體的重心位置。來制造身體的平衡狀態(tài)，不至于從上面摔下來。 人體的平衡性主要是由小腦來控制，小腦是調(diào)節(jié)機(jī)體的重要中樞。其功能是維持身體平衡、調(diào)節(jié)肌張力、協(xié)調(diào)隨意運(yùn)動。4、動物行走方式和步態(tài)研究在仿生機(jī)械研究上的工學(xué)意義是什么？答：人和其它脊椎動物有100塊以上的肌肉，活動四肢時(shí)必須有幾十塊肌肉被組織起來協(xié)調(diào)工作具有非線性/機(jī)能冗余性等特點(diǎn)。研究蜈蚣行走的結(jié)果表明：把蜈蚣的腳絕大部分切掉，只留6只腳時(shí)還能

2、像昆蟲那樣運(yùn)腳，只剩4只腳時(shí)還能像馬等四足動物一樣運(yùn)腳。在蜈蚣即使失去腳還能在腦里能夠形成利用剩余腳運(yùn)足的步行樣本，以此可以認(rèn)為運(yùn)動是被協(xié)調(diào)生成的具有自組織性。還有的報(bào)告表明馬的步態(tài)(gait)主要有步行、小跑、奔跑，但是相應(yīng)于移動速度下所消耗的能量都是選擇最小的。由此可以證明：運(yùn)動是經(jīng)內(nèi)部評價(jià)獲得的。同樣，對于具有多自由度的機(jī)器人，以確立能夠?qū)崿F(xiàn)靈活運(yùn)動的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法為目標(biāo)，作為一種手段，提出了獲得基于內(nèi)部評價(jià)的自組織控制系統(tǒng)的研究目標(biāo)。由生物學(xué)家研究得出的該結(jié)論對于自制機(jī)器人控制方法具有重要的理論指導(dǎo)意義。6、體重在0.001g10kg 的小型飛翔生物體質(zhì)量與翅膀扇動頻率間的關(guān)系？答：

3、飛翔生物的大小越小，飛翔體翅膀的扇動頻率則增加，因?yàn)榱黧w力學(xué)中的兩個(gè)重要參數(shù)-雷諾數(shù)、前進(jìn)比改變了，存在適合于它們身體大小的飛行。如圖：作用在翼上的流體（空氣）上的力可以分為：由流體慣性產(chǎn)生的力（與密度成正比）和由流體的粘性產(chǎn)生的力（與粘性系數(shù)成正比）兩部分。二者的比例為：R= 被稱為雷諾系數(shù)，其中，L分別為翼的典型長度、對氣速度；，分別為空氣的密度、粘性系數(shù)。8、生物輸送物質(zhì)過程中的高效混合機(jī)制在仿生機(jī)械上的工學(xué)意義是什么？答：考察生物輸送物質(zhì)，作為進(jìn)行高效混合的機(jī)制，我們可以得到如下要點(diǎn)：（1）由于分子擴(kuò)散輸送物質(zhì)量的大小與兩個(gè)液體結(jié)合面的面積成正比增加。為盡快地混合，血管分支上有無數(shù)毛細(xì)

4、血管，細(xì)小地深入到組織中以確保龐大的表面積，重要的是：混合初期，要使想要混合的物質(zhì)進(jìn)入到被混合物質(zhì)內(nèi)部，就要形成分散的狀態(tài)，并且要增大兩種液體接觸的邊界面積。（2）由r=可知：兩種液體的初期邊界面，一方的液體分子擴(kuò)散已經(jīng)到達(dá)另一方液體中的距離所經(jīng)歷的時(shí)間與該距離的平方成正比增大。因此，為得到實(shí)用的混合時(shí)間，就要象生物組織的細(xì)胞間隔那樣，需要一種能夠使2種液體交互分散的間隔保持在數(shù)十um量級左右的結(jié)構(gòu)?？楷F(xiàn)有的機(jī)械加工技術(shù)制造細(xì)胞大小的微結(jié)構(gòu)是相當(dāng)困難的。但是，從半導(dǎo)體制造技術(shù)派生出來的Microfabricatino（微制造技術(shù)）能夠人工制作出接近于這樣的生體組織、微細(xì)而有規(guī)則的流體結(jié)構(gòu)。10

5、、什么是自重構(gòu)？自修復(fù)？自裝配？答：生命系統(tǒng)可以看做是許多被稱為細(xì)胞的均值要素（可以看做“機(jī)械單元”）構(gòu)成的分散型機(jī)械系統(tǒng)。因此，日本學(xué)者村田志研究由概念性地模擬細(xì)胞的“單元”集合而成的自重構(gòu)的可變機(jī)械，他指出這種機(jī)械可以自裝備、自修復(fù)。他提出了一種全新概念的機(jī)械系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)性地給出這種系統(tǒng)的可行性，進(jìn)一步地用計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)?？梢哉f是生命系統(tǒng)的特征能夠在工學(xué)上實(shí)現(xiàn)，也預(yù)示了適應(yīng)化系統(tǒng)的可能性。自重構(gòu)可變機(jī)械最初是1994年由日本東京工業(yè)大學(xué)村田智及其研究小組、美國Johns Hopkings大學(xué)的研究小組分別獨(dú)立提出的二維平面機(jī)械，兩者的機(jī)能在本質(zhì)上是相同的。進(jìn)一步研究，1998

6、年前后幾個(gè)能構(gòu)成三維立體機(jī)械的單元被提出了。自修復(fù)的概念：象三腸蟲、水蛇那樣自己能夠修復(fù)自己的再生機(jī)能。即使系統(tǒng)中的某些部分無論受到怎樣的損壞，也無需借助于人的幫助，自己恢復(fù)自己的機(jī)能。 自裝配：“大量地準(zhǔn)備同一種類的單元體，如果能夠自由地變更它們的組合，則通過不斷地連接并改變單元體，能夠使最初不定形態(tài)的單元體群的聚合體改變形態(tài)而成為我們所期望的形態(tài)，單元的聚合體隨意地組裝出整體的形態(tài)，我們將這個(gè)過程稱之為自裝配?！?2、骨的形態(tài)適應(yīng)外部力學(xué)環(huán)境的機(jī)制是什么？答：動物骨的力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性能夠適應(yīng)力學(xué)環(huán)境的不只是樹，動物的骨、筋肉、血管等等生物體也具有力學(xué)環(huán)境適應(yīng)機(jī)能。動物的生體組織也是如此，即使

7、沒有來自中樞神經(jīng)的指令也能自律自適應(yīng)地改變組織的形態(tài)和強(qiáng)度。機(jī)能自適應(yīng)（或“機(jī)能更新”） 像上述那樣，相應(yīng)于力學(xué)環(huán)境的變化生體組織自適應(yīng)地發(fā)生變化的現(xiàn)象。關(guān)于骨相應(yīng)于力學(xué)環(huán)境的適應(yīng)性問題，曾經(jīng)有人進(jìn)行過骨的形狀、密度增減的研究。宇航員長期生活在無重力的環(huán)境中，骨中鈣的成分會減少，這是因?yàn)榧釉诠巧系牧Φ淖兓?、骨組織反應(yīng)引起骨密度變化而造成的。骨組織是多細(xì)胞的集合體，細(xì)胞群感知到力的作用使骨密度發(fā)生變化。骨密度變化的原因：骨密度的變化是由于骨被侵蝕后再吸收的破骨細(xì)胞和形成骨的骨芽細(xì)胞的活動引起的。在細(xì)胞水平上，尚未解釋清楚的部分還很多，但是骨組織感知力的機(jī)能和相應(yīng)地改變骨密度的機(jī)能已經(jīng)被證實(shí)。從工

8、學(xué)角度看骨密度變化的局部反饋?zhàn)饔脵C(jī)制（已被研究證實(shí)）：現(xiàn)在假設(shè)有外力作用在生物體的骨上。此外力作用下骨的內(nèi)部將產(chǎn)生應(yīng)力，但應(yīng)力值將因部位而異。因此，著眼于骨的一部分研究骨在外力作用下的舉動。(1) 被研究骨的部位所產(chǎn)生的應(yīng)力比基準(zhǔn)值大的情況下：該部位骨的密度上升。因?yàn)楸绕渌课还敲芏却?，所以難于變形 變形小。由此該部位的應(yīng)力值得到抑制。(2) 產(chǎn)生應(yīng)力比基準(zhǔn)值小的情況下：該部位骨密度減小，容易變形。因此，其應(yīng)力值易提高。總之，在此局部反饋機(jī)制發(fā)生作用下，各部位應(yīng)力能夠以某一適當(dāng)值保持在定常狀態(tài)，從而使骨的整體呈完全合理的形態(tài)。骨的構(gòu)造：骨的外側(cè) 由被稱為致密骨的堅(jiān)硬骨層覆蓋著；骨的內(nèi)部 海綿狀

9、的微細(xì)骨整齊地排列著。骨的奇妙外形和內(nèi)部精致構(gòu)造是怎樣形成的，生物的形態(tài)基本上是由遺傳信息決定的。但是，有人認(rèn)為：形態(tài)不完全是由遺傳信息決定的。M.Petrty, J.Hert等人經(jīng)研究指出：受后天因素，即機(jī)能更新作用影響很大，常常外在形狀也產(chǎn)生明顯變化。而且，很早以前就認(rèn)為：骨是以最小的材料發(fā)揮著最大強(qiáng)度的形態(tài)。這種說法大多數(shù)都由Re-modeling（機(jī)能更新/機(jī)能自適應(yīng)）的作用來解釋。因此，從生物機(jī)能自適應(yīng)的作用出發(fā)來考察工學(xué)問題。14、6足昆蟲乃至更多足生物在損傷幾只腳后任能行走告訴我們什么？答：昆蟲的中樞神經(jīng)系統(tǒng)是左右對稱的、梯形的神經(jīng)節(jié)組成的。其中，控制肢體動作的神經(jīng)節(jié)分別由：控制前腿的前胸神經(jīng)節(jié)、控制中腿的中胸神經(jīng)節(jié)、控制后腿的后胸神經(jīng)節(jié)三部分組成，左右各控制一對，互相聯(lián)系在一起。構(gòu)成這些神經(jīng)的神經(jīng)細(xì)胞按技能大致分成5種。驅(qū)動肢體的筋肉的狀態(tài)通過感覺神經(jīng)被反饋給神經(jīng)系統(tǒng)，得到的信息是關(guān)于筋肉產(chǎn)生的力和伸張狀態(tài)（位置）及接觸情況的信息。當(dāng)輸出在最優(yōu)輸出以下時(shí)增大自己的輸出而抑制其它部分，相反的情況下為了抑制自己的活化其他部分而