《仿生机械学概论》PPT课件

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1、仿生感知与先进机器人技术机电工程学院机电控制及自动化系姚智慧电话：0451-86417118（O）13936139091Email:yaozh@hit.edu.cn1第1章仿生学系统概论仿生学的定义仿生机械学的含义仿生机械学的研究动向机器人技术概述机器人的发展2一、仿生学的定义自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。种类繁多的生物界经过长期的进化过程，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展。鱼儿在水中有自由来去的本领，人们就模仿鱼类的形体造船，以木桨仿鳍。相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上

2、架置木桨。通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。这样，即使在波涛滚滚的江河中，人们也能让船只航行自如。3一、仿生学的定义4鸟儿展翅可在空中自由飞翔。据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖，研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。设计和制造了一架扑翼机，这是世界上第一架人造飞行器。从上面这些内容，我们可以看出，人类在运用自己创造本领的同时，也回归了自然，通过模拟自然的一些生物原理，并且加以组合，

3、利用，最终实现了我们想要的功能。那么，这一切要归功于，或者划分在什么领域呢？其实这就是自古以来就有的，仿生学。一、仿生学的定义仿生学：模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学。根据定义，仿生学是研究和建立主要涵盖生物电子学、生物传感器、生物仿真材料、生物物理学、生物电机和生物大分子的自装配等学科内容的人工系统，使之具有生命系统的某些特性的一门交叉学科。5一、仿生学的定义仿生学(bionics)这一名词是由生物学(biology)和电子学[electronics)结合而产生的新名词，实际上它是源出于希腊语中表示生命单位的bio

4、n一词。若以电子学为中心来考虑，就构成仿生电子学(bioelectronics)，若以机械学为中心来考虑，则构成了仿生机械学(biomechanisms)。6二、仿生学的研究对象研究生命的结构、能量转换和信息流动的过程，并利用电子、机械技术对这些过程进行模拟，从而改善现有的和创造出崭新的现代技术装置。仿生学已成为现代技术发明的重要途径之一。“生物原型，—新技术的钥匙”这句著名格言，恰当地描述了现代创造发明的这一重要途径。7生活中的仿生学凤蓬草轮子鱼尾船橹人眼晶状体透镜生物电电池鸟飞机89例如，人的细胞有100—150亿个神经元，但每小时约有1000个神经元发生障碍，一

5、年之内就差不多有900万个神经元丧失机能。然而，令人惊叹的是，大脑并没有因此而丧失其各种机能。可是，电子计算机却不行，只要其中任何一个元件损坏或发生故障，便会影响整个系统的工作性能。极而言之，在许多方面，电子计算机甚至不及昆虫的区区之脑。螳螂能在0.05秒的一瞬间，计算出飞掠眼前的小昆虫的速度、方向和距离，这是大型电子跟踪系统所望尘莫及的。二、仿生学的研究对象通过对人脑机制(欲望、感情、睡眠、学习和记忆等)的研究，出现了利用计算机的教育系统、人工神经元、电子脑，制造与人脑能力相同的信息处理系统——人工脑通过研究生物眼模型和视觉机制(如人眼、蛙眼、猫眼、鹰眼和蟹眼等)，

6、研制视网膜、文字读取装置、盲人假眼及应用于机器人的人工眼；通过对生物听觉模型和机制的研究(如人耳、蝙蝠和海豚、鲸鱼等的听觉器官)，开发了精密雷达、水中声纳和声音识别装置等；通过研究有关肌肉收缩的物理化学机制及其在运动神经指挥下的动作机制，研制了人工肌肉、电子假手、机械手、人力放大器、自动机，并在这基础上制造接近人类智能的机械等。10在科技史上，借助生物获得发明创造的例子不胜枚举青蛙的眼睛’——跟踪导弹的“电子蛙眼”；乌龟壳——小提琴；企鹅——越野汽车；蜂鸟—直升飞机；鱼鳃——人造鱼鳃吸氧器；蛇的红外线定位器-—夜视镜；萤火虫———冷光源；云杉——圆锥形电视塔；袋鼠——

7、“跳跃式”极地汽车；蚊子——测向器；水母——风暴预警器；沙蟹——制图机；鳄鱼眼泪—--海水淡化器；鲸鱼脊背—--水下破冰船等等；草履虫——带几千只小螺旋桨的潜水艇。1112三、仿生机械学仿生机械学是上世纪60年代初期出现的一门综合性的新兴边缘学科，它是生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而形成的。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。仿生机械从其构词成分来看，它应该是指添加有人类智能的一类机械。为区别起见，可把传统的机械称之为一般机械。表1．1列出一般机械与人类能力的比较，可以看出在物