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1、报告在此份报告中，我将就什么是仿生学、仿生机械学、国内外对仿生机械学研究的进展、以及对这门仿生感知与先进机器人课程的认识及建议进行逐一分析。首先，让我们先来看看什么是仿生学。仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾“nlc”(“具有……的性质”的意思)构成的。他认为“仿生学是研究以模仿生物系统的方式、或是以具有生物系统特征的方式、或是以类似于生物系统方式工作的系统的科学”。尽管人类在文明进化中不断从生物界受到新的启示，但仿生学的诞生，一般以1960年全美第一届仿生学讨论会的召开为标志。仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿
2、生等。力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速；分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物的分析和合成等。例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田间捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄虫；能量仿生，是研究与模仿生物电
3、器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生物体中的能量转换过程；信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。例如根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速仪”可测定飞机着陆速度。根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图像轮廓、提高反差、从而有助于模糊目标检测的—些装置。已建立的神经元模型达100种以上，并在此基础上构造出新型计算机。这里就介绍了四种仿生学的研究范围，另外还有仿生机械学等。接下来就让我讲讲仿生机械学的相关内容。仿生学的诞生是建筑在生物科学的进步、以及与电子学的相互渗透的基础上。实际上它是一门涉及广阔领域
4、的综合性的边缘学科，若以电子学为中心来考虑，就构成了仿生电子学，若以机械学为中心来考虑，则构成了仿生机械学。如果把传统的机械称之为一般机械的话，仿生机械应该是指添加有人类智能的一类机械。在物理和机械机能方面，一般机械要比人类的能力要强许多，它能轻易举起巨大的物体，在显微方面也可以拾取人手无法捕捉的东西。但在智能方面却比人类要低劣的多，毕竟这方面人脑可是占了巨大的优势。因此，若把人——机结合起来，就有可能使一般机械进化为仿生机械，从而具有强大的功能。从这一角度出发，可以认为仿生机械应该是既具有像生物的运动器官一样精密的条件，又具有优异的智能系统，可以进行巧妙的控制，执行复杂的动作。仿生机械学是
5、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。目前，机械工程学科与纳米科学、信息科学和生物科学的交叉是20年来学科发展的最大特点。其中仿生机械学已经发展成为一门新的学科。仿生机械学是模仿生物的形态、结构和控制原理,而设计制造功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械的学科。而仿生机械在抓取功能方面的研究集中于仿人形机械手,主要因为人手(含手臂)共有27个自由度,不但能精确定位还能做出复杂精细的动作,这些都是传统机械很难做到的。它们可分为工业机器人用机械手、科研智能机器人用机械手和医疗用机械手。20世纪5
6、0年代末,美国在机械手和操作机的基础上,采用伺服机构和自动控制等技术,研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置,并将其称为工业机器人;自第一台正式工业机器人成功投入使用以来,各工业发达国家都开始重视研制和应用工业机器人。许多单调、频繁和重复的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业,均是由工业机器人(手)来完成的,例如冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、机械加工和简单装配等工序,以及在原子能工业等部门中,搬运对人体有害物料。在这方面,日本一直处于领先地位,具有代表的如川崎重工的工业机器人。 传统的轮式移动机构具备高速高效的移动性能,但在不规整地形下很难体现出这些优势,通过仿生机械
7、的应用,得到了不错的进展。应用之一是在轮子与底盘之间加装一个转动副,这与生物的膝关节异曲同工,此类设计普遍见于月球车的移动机构设计中。即使这样,移动机构对地形的适应能力依然有限,车轮与腿结合衍生出了轮腿式移动机构,平坦地势采用轮子高速移动,遇到复杂地形时,展开腿部行走,此类机器人主要有美国JPL的Go-For机器人和日本Tohoku大学的ChariotⅡ机器人等。相比前两种,足式移动机构适应能力最强,但结构也
