仿生機(jī)械與生物制造

劉攀+甘祖鋒+張正文+錢程

摘 要：模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理設(shè)計(jì)制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機(jī)械。研究仿生機(jī)械的學(xué)科稱為仿生機(jī)械學(xué)，它是20世紀(jì)60年代末期由生物學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械工程、控制論和電子技術(shù)等學(xué)科相互滲透、結(jié)合而成的一門邊緣學(xué)科。15世紀(jì)意大利畫家達(dá)·芬奇認(rèn)為人類可以模仿鳥類飛行，并繪制了撲翼機(jī)圖。19世紀(jì)出現(xiàn)了不同類型的單翼機(jī)和雙翼滑翔機(jī)。1903年，英國的W.萊特和O.萊特發(fā)明了飛機(jī)。以后近代生物學(xué)和控制論出現(xiàn)，為機(jī)器與生物可以類比奠定了理論基礎(chǔ)1960年 9 月在美國召開了第一屆仿生學(xué)討論會，確立了仿生學(xué)學(xué)科。1970年日本人工手研究會主辦召開了第一屆生物機(jī)構(gòu)討論會，確立了生物力學(xué)和生物機(jī)構(gòu)學(xué)兩個學(xué)科，在這個基礎(chǔ)上形成了仿生機(jī)械學(xué)。仿生機(jī)械研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、控制體和機(jī)器人。其中生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，包括生體材料力學(xué)、生體機(jī)械力學(xué)和生體流體力學(xué)；控制體是根據(jù)從生物了解到的知識建造的用人腦控制的工程技術(shù)系統(tǒng)，如肌電假手、裝具等；機(jī)器人則是用計(jì)算機(jī)控制的工程技術(shù)系統(tǒng)。仿生機(jī)械學(xué)的主要研究課題有擬人型機(jī)械手，步行機(jī)、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機(jī)械。

關(guān)鍵詞：仿生；機(jī)械；生物；制造

仿生機(jī)械是模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理，而設(shè)計(jì)制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機(jī)械。

研究仿生機(jī)械的學(xué)科稱為仿生機(jī)械學(xué)，它是二十世紀(jì)60年代末期，由生物學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械工程、控制論和電子技術(shù)等學(xué)科相互滲透、結(jié)合而形成的一門邊緣學(xué)科。

在自然界中，生物通過物競天擇和長期的自身進(jìn)化，已對自然環(huán)境具有高度的適應(yīng)性。它們的感知、決策、指令、反饋、運(yùn)動等機(jī)能和器官結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)比人類所曾經(jīng)制造的機(jī)械更為完善。

模仿生物形態(tài)結(jié)構(gòu)創(chuàng)造機(jī)械的技術(shù)有悠久的歷史。十五世紀(jì)，意大利的列奧納多？達(dá)芬奇認(rèn)為人類可以模仿鳥類飛行，并繪制了撲翼機(jī)圖。到十九世紀(jì)，各種自然科學(xué)有了較大的發(fā)展，人們利用空氣動力學(xué)原理，制成了幾種不同類型的單翼機(jī)和雙翼滑翔機(jī)。1903年，美國的萊特兄弟發(fā)明了飛機(jī)。

然而，在很長一段時間內(nèi)，人們對于生物與機(jī)器之間到底有什么共同之處還缺乏認(rèn)識，因而只限于形體上的模仿。直到二十世紀(jì)中葉，由于原子能利用、航天、海洋開發(fā)和軍事技術(shù)的需要，迫切要求機(jī)械裝置應(yīng)具有適應(yīng)性和高度的可靠性。而以往的各種機(jī)械裝置遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足要求，迫切需要尋找一條全新的技術(shù)發(fā)展途徑和設(shè)計(jì)理論。

隨著近代生物學(xué)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)生物在能量轉(zhuǎn)換、控制調(diào)節(jié)、信息處理、辨別方位、導(dǎo)航和探測等方面，有著以往技術(shù)所不可比擬的長處。同時在自然科學(xué)中又出現(xiàn)了“控制論”理論，它是研究機(jī)器和生物體中控制和通信的科學(xué)。控制論是溝通技術(shù)系統(tǒng)和生物系統(tǒng)工作原理之間的橋梁，奠定了機(jī)器與生物可以類比的理論基礎(chǔ)。

1960年9月在美國召開了第一屆仿生學(xué)討論會，提出“生物原型是新技術(shù)的關(guān)鍵”的論題，從而確立了仿生學(xué)學(xué)科，以后又形成許多仿生學(xué)的分支學(xué)科。1970年日本人工手研究會主辦了第一屆生物機(jī)構(gòu)討論會，從而確立了生物力學(xué)和生物機(jī)構(gòu)學(xué)兩個學(xué)科，在這個基礎(chǔ)上形成了仿生機(jī)械學(xué)。

仿生機(jī)械研究的主要領(lǐng)域有生物力學(xué)、控制體和機(jī)器人。生物力學(xué)研究生命的力學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律，包括生體材料力學(xué)、生體流體力學(xué)、生體機(jī)械力學(xué)；控制體和機(jī)器人是根據(jù)從生物了解到的知識，建造的工程技術(shù)系統(tǒng)。用人腦控制的稱為控制體（如肌電假手、裝具），用計(jì)算機(jī)控制的稱為機(jī)器人。仿生機(jī)械學(xué)的主要研究課題有擬人型機(jī)械手、步行機(jī)、假肢，以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機(jī)械。

各種動物的前肢從外形和功能上看雖然不盡相同，但它們的內(nèi)部構(gòu)造卻基本一致。兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳類動物的前肢骨骼都是由肱骨、前臂骨、腕骨和指骨組成的。人的上肢具有較高的操作性靈活性和適應(yīng)性，機(jī)械手正朝著與人上肢功能接近的方向發(fā)展。

人的一個上肢有32塊骨骼，由50多條肌肉驅(qū)動，由肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕關(guān)節(jié)構(gòu)成27個空間自由度。肩和肘關(guān)節(jié)構(gòu)成4個自由度，以確定手心的位置；腕關(guān)節(jié)有3個自由度，以確定手心的姿態(tài)。手由肩、肘、腕確定位置和姿態(tài)后，為了掌握物體作各種精巧、復(fù)雜的動作，還要靠多關(guān)節(jié)的五指和柔軟的手掌；手指由26塊骨骼構(gòu)成20個自由度，因此手指可作各種精巧操作。

在這么多自由度的協(xié)調(diào)配合下，肌肉在瞬間運(yùn)動下可發(fā)出很大的力量，最大出力與自重之比遠(yuǎn)較人類制造的任何機(jī)器都高得多。肌肉的控制機(jī)構(gòu)具有多重自動控制機(jī)構(gòu)和安全機(jī)構(gòu)，從腦部來的指令可以到達(dá)手的各個部分。從工程技術(shù)上實(shí)現(xiàn)這樣的機(jī)能特征和信息處理系統(tǒng)縣現(xiàn)在還是很困難的。

為了提高移動機(jī)械對環(huán)境的適應(yīng)性，擴(kuò)大人類在海底、北極、礦區(qū)、星球和沼澤等崎嶇不平地面的活動空間，需要研究模擬生物的步行機(jī)構(gòu)。動物的運(yùn)動多是通過多關(guān)節(jié)足來實(shí)現(xiàn)的，因此動物足的形態(tài)機(jī)能、運(yùn)動和姿體穩(wěn)定控制等是研究步行機(jī)的關(guān)鍵。

模仿鳥類、昆蟲和魚類的形態(tài)構(gòu)造特點(diǎn)，研制各種適宜在空中、水下活動的機(jī)械技術(shù)系統(tǒng)，是仿生機(jī)械的重要內(nèi)容。自然界能飛的動物種類接近全部動物的3/4，其中占主要地位的有600多種鳥類和35萬多種昆蟲。這些飛行動物為人類改進(jìn)飛機(jī)性能和制造新型飛行器提供了天然的設(shè)計(jì)原型。鳥類和昆蟲的某些特殊機(jī)能，如蚊蠅和蜜蜂等昆蟲靈活機(jī)動的陡然起飛，翻轉(zhuǎn)翅翼的高頻振動，光面懸垂和空中定位等，都是現(xiàn)代飛機(jī)所做不到的。

根據(jù)蝙蝠喉頭發(fā)出的超聲波可在空中導(dǎo)航和對空中食物定位的原理，人類發(fā)明了雷達(dá)；根據(jù)蒼蠅、蜻蜓的復(fù)眼原理，人類發(fā)明了復(fù)印機(jī)和印刷機(jī)的復(fù)眼透鏡；根據(jù)響尾蛇的頰窩能感覺到0.001℃的溫度變化的原理，人類發(fā)明了跟蹤追擊的響尾蛇導(dǎo)彈；人類還利用蛙跳的原理設(shè)計(jì)了蛤蟆夯；模仿警犬的高靈敏嗅覺制成了用于偵緝的“電子警犬”。

鯨、海豚和各種魚類經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，形成了適應(yīng)于水中環(huán)境的多姿體形。其中有適應(yīng)于快速航行的仿錘形；適應(yīng)于水底緩慢運(yùn)動的平扁形；適應(yīng)于穿入泥土或石洞間的圓筒形。脊鰭闊大的劍魚速度可達(dá)110公里/時，并能在幾秒之內(nèi)就可達(dá)到全速，這是現(xiàn)代快艇所不及的。

魚類除了有適于航行的形體外，同時還有特殊的推進(jìn)和沉浮機(jī)能。人類根據(jù)水生動物尾鰭擺動式推進(jìn)系統(tǒng)的生物力學(xué)原理，設(shè)計(jì)出一種擺動板推進(jìn)系統(tǒng)。它不僅可以使船只十分靈活地轉(zhuǎn)彎和避開障礙，還可以順利地通過淺水域或沙洲而不擱淺。

僧帽水母用感覺細(xì)胞控制浮鰾內(nèi)的氣體，使身體沉浮；金槍魚靠控制體內(nèi)一種生理化學(xué)反應(yīng)而沉浮。人類根據(jù)這些原理研制成潛水艇的沉浮系統(tǒng)。烏賊的體型雖然和魚不太相同，但運(yùn)動器官十分完善，它靠收縮腹肌把外套膜中的水從噴嘴迅速射出，借此推進(jìn)身體前進(jìn)。人類根據(jù)這個原理設(shè)計(jì)出噴水船。人類還模仿海豚皮膚可減少水阻的特點(diǎn)，制成了“人工海豚皮”。

現(xiàn)在仿生機(jī)械學(xué)的研究和運(yùn)用僅僅邁出了第一步，但從所取得的成果看，利用生物界的許多有益構(gòu)思來發(fā)展技術(shù)，是未來發(fā)展的一個重要方向。

人們不僅要研究生物系統(tǒng)在進(jìn)化過程中逐漸形成的那些結(jié)構(gòu)和機(jī)能，更要著重揭示其組織結(jié)構(gòu)的原理，評定其機(jī)能關(guān)系、適應(yīng)方法、存活方法和自我更新方法等。把生物系統(tǒng)中可能應(yīng)用的優(yōu)越結(jié)構(gòu)和物理學(xué)的特性結(jié)合使用，人類就可能得到在某些性能上比自然界形成的體系更為完善的仿生機(jī)械。

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項(xiàng)目：大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃資助