第七章仿生机械学

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1、第七章仿生机械学本章主要内容：1.仿生机械学定义2.仿生机械学简史3.仿生机械学研究领域4.仿生设计5.仿生机械与机器人技术、康复工程6.仿生机械实例重点和难点：生物形态与工程机构课后作业：查阅康复机器人特点及应用，以小论文形式上交。7.1仿生机械学定义仿生机械(bio-simulationmachinery)是模仿生物的形态、结构和控制原理，设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。仿生机械学研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人。生物力学研究生命的力学现象和规律，包括生物体材料力学、生物体机械力学和生物体流体力学；控制体是根据从生物了解到的知识建造的用人

2、脑控制的工程技术系统，如机电假手等；机器人则是用计算机控制的工程技术系统。仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。它包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。15世纪意大利的列奥纳多·达芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行，并绘制了扑翼机图。到19世纪，各种自然科学有了较大的发展，人们利用空气动力学原理，制成了几种不同类型的单翼机和双翼滑翔机。1903年，美国的莱特兄弟发明了飞机。然而，在很长一段时间内，人们对于生

3、物与机器之间到底有什么共同之处还缺乏认识，因而只限于形体上的模仿。直到20世纪中叶，由于原子能利用、航天、海洋开发和军事技术的需要，迫切要求机械装置应具有适应性和高度的可靠性。而以往的各种机械装置远远不能满足要求，迫切需要寻找一条全新的技术发展途径和设计理论。随着近代生物学的发展，人们发现生物在能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、导航和探测等方面有着以往技术所不可比拟的长处。同时在自然科学中又出现了“控制论”理论。它是研究机器和生物体中控制和通信的科学，奠定了机器与生物可以类比的理论基础。1960年9月在美国召开了第一届仿生学讨论会，并提出了“生物原型是新技术的关键”

4、的论题，从而确立了仿生学学科，以后又形成许多仿生学的分支学科。1960年由美国机械工程学会主办，召开了生物力学学术讨论会。1970年日本人工手研究会主办召开了第一届生物机构讨论会，从而确立了生物力学和生物机构学两个学科，在这个基础上形成了仿生机械学。仿生机械研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人，生物力学研究生命的力学现象和规律，控制体和机器人是根据从生物了解到的知识建造的工程技术系统。其中用人脑控制的称为控制体(如肌电假手、装具)；用计算机控制的称为机器人。仿生机械学的主要研究课题有拟人型机械手、步行机、假肢以及模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的各种机械。7.4.1生物形态

5、与工程结构自然界中巧妙的薄壳结构具有各种不同形状的弯曲表面，不仅外形美观，还能够承受相当大的压力。在建筑工程上，人们已广泛采用这种结构，如大楼的圆形屋顶、模仿贝类制造的商场顶盖等。动物界中，辛勤的蜜蜂被称为昆虫世界里的建筑工程师。它们用蜂蜡建筑极规则的等边六角形蜂巢，无论从美观和实用角度来考虑，都是十分完美的。它不仅以最少的材料获得了最大的利用空间，而且还以单薄的结构获得了最大的强度。在蜂巢的启发下，人们仿制出了建筑上用的蜂窝结构材料，具有重量轻、强度和刚度大、绝热和隔音性能良好的优点。同时这一结构的应用，已远远超出建筑界，它已应用于飞机的机翼，宇宙航天的火箭，甚至于人类

6、日常的现代化生活家具中。7.4.2生物形态与运动现代的各种交通工具，如汽车、飞机、舰船等，均需要一定的工作条件，若在崇山峻岭或沼泽中则无法工作。但自然界中有各种各样的动物，在长期残酷的生存斗争中，它们的运动器官和体形都进化得特别适合在某种恶劣环境下运动，并有着惊人的速度。7.5仿生机械与机器人技术、康复工程7.5.1仿生机械与机器人技术仿生机器人是仿生机械学中的一个最为典型的应用实例，其发展现状基本上代表了仿生机械学的发展水平。日本和美国在仿生机器人的研究领域起步早，发展快，取得了较好的成果。比如，日本东京大学在1972年研究出世界上第一个蛇形机器人，速度可达40cm/s

7、；日本本田技术研究所于1996年研制出世界上第一台仿人步行机器人，可行走、转弯、上下楼梯和跨越一定高度的障碍；美国卡内基梅隆大学1999年研制的仿袋鼠机器人采用纤维合成物作为弓腿，被动跳跃时的能量仅损失20～30％，最大奔跑速度超过1m/s。我国对仿生机器人的研究始于20世纪90年代，经过十多年的研究，在仿生机器人方面也取得了很多成果，研制出了相关的机器人样机，而且有些仿生机器人在某些方面达到了国外先进水平。比如，北京理工大学于2002年研制出拟人机器人，具有自律性，可实现独立行走和太极拳等表演功能；北京航空航天大学和中国科学