仿生技术及其应用

源自猫大脑的仿生计算机

感知仿生
蝙蝠会释放出一种超声波，这 种声波遇见物体时就会反弹回 来，而人类听不见。雷达就是 根据蝙蝠的这种特性发明出来 的。现在在各种地方都会用到 雷达。

蝙蝠的回声定位

3.材料仿生
材料仿生是指模拟生物的各种特 点或特性而进行各种材料开发的 仿生技术。它的研究内容以阐明 生物体的材料构造与形成过程为 目标，用生物材料的观点来考虑 材料的设计与制作。



鲨鱼皮和泳衣
从电子显微镜下看，鲨鱼皮是由 称为“皮质鳞突” （dermaldenticles）的无数重 叠的鳞片组成。这些鳞突在长度 方向有凹槽，可以调整水在其表 面的流动。这些凹槽同时可阻止 漩涡或者是湍流旋涡的形成。此 外，粗糙的外形还以阻止藻类等 的在其身上寄生。

臭虫和水收集
沙漠甲虫Stenocara是收集水的 专家。这种甲虫由于具有独特的 外壳，可以生活在恶劣和干燥的 沙漠环境中。在Stenocara的背 部有小而平整的隆起，可以充当 冷凝水的收集站。甲虫的整个背 部覆盖着光滑的蜡状物，收集的 冷凝水可以从背部流入甲虫的口 里。
鹿角结构成为制造超强工业材料的原理

东方知更鸟羽毛与新一代光学材料
随着羽毛的生长，羽毛中的颜色生成 结构会像活细胞中的水泡一样生长。 这些复杂的光学结构在显微镜下看起 来像是充满气泡的海绵，它们可以用 来研制新一代光学材料。

鸟类头骨帮助科学家研 制出更轻、更坚固的建
筑材料

4.力学仿生

如下这种设计或许可以让机器人 拥有更灵活、更柔韧的动作：一 个根据大象鼻子的特点设计出来 的新型仿生机器处理系统--“仿 生操作助手”。“仿生操作助手” 由德国工程公司费斯托公司研制， 它可以平稳地搬运重负载，原理 在于它的每一节椎骨可以通过气 囊的压缩和充气进行扩展和收缩。

仿生螃蟹机器人

与传统轮式机器人相比，多足仿生机器 人具有很好的越障能力及路况适应能力。 采用模块化设计方法，对该机器人系统 进行了硬件设计及算法软件设计，实现 了诸如搬运、避障、扫雷，以及娱乐等 多种功能。在复杂路况下进行搜救与探 测等方面，该机器人具有较好的应用潜 力。
பைடு நூலகம்
仿生螃蟹机器人

壁虎眼睛与未来隐形眼镜

三、结束语



破解生物之谜，研制仿生材料的路还很漫长，目前人类的研

究才刚刚起步，而仿生材料的前途似锦却是勿庸置疑的。仿生材

料一个重要的应用方面是生物医用材料。近十年来生物医用材料

和制品的市场一直保持20％左右的年增长率，发展态势已经可以

与信息和汽车产业在世界经济中的地位相比，正成长为下一个世

纪经济的一个支柱，对国民经济的发展有着不可忽视的作用。
科学家们发现，壁虎的眼睛中拥有一系 列截然不同的中心区，这使得它们能够 在夜间看清颜色。 这些区域分别拥有不同的折射率，这使 得壁虎的眼睛成为一个多焦点光学系统， 不同波段的光线可以同时聚焦于视网膜 上。因此，壁虎眼睛的灵敏度比人类的 眼睛高出350倍，它们可以聚焦不同距 离的各种物体。根据这一发现，科学家 们可以研制更高效的相机，甚至可能研 制出多焦点隐形眼镜。



2．蛇类仿生：模仿蛇类运动的高冗余自由度。



3．变形虫仿生：模仿变形虫形体的几何可变性和自重构。



4．人体仿生：模仿人体的高度灵活性和功能复杂性。

新型无线仿生手
英国苏格兰科技公司制作出利用 无线技术进行操作的i-Limb Pulse仿生手，用者还可通过一 个蓝牙连接，操作仿生手。该公 司早在2007年便研制出i-Limb仿 生手，据称是世界上首款具有商 业价值的仿生手。这种仿生手拥 有5根独立控制的手指，现在全 球已经有1200多名患者安装。
简言之，仿生学就是模仿生物的科学

二、仿生技术发展
现代仿生学已经延伸到很多领域，它的发展需要生物学、物理学、 化学、医学、数学、材料学、机械学、动力学、控制论、航空、 航天和航海工程等众多学科领域工作者的合作；反过来，仿生学 的发展叉可以推动这些学科的进步。自20世纪60年代初仿生学诞 生以来，仿生技术已得到迅速发展，在军事、医学、工业、建筑 业、信息产业等系统获得了广泛应用，如仿生技术已成功地应用 于精密雷达、声纳、导弹制导、机器人等领域中。
1．大脑功能仿生。人脑功能仿生是用仿生芯片代替脑部的部分特定功能 区,既可以用于脑损伤的治疗，也可以为未来的仿生脑的出现奠定基础。
2．感知仿生。感知仿生是对动物视觉、听觉、触觉等感知功能进行模仿 的仿生技术。由于感知系统是生物体的信息输入通道，对生物体的行为 和决策具有重要作用，因而对动物感知功能的研究有助于许多工程问题 的解决。

模仿大象鼻子的机器人手 臂

5.纳米仿生材料
核酸与蛋白质是执行生命功能的重要纳米成分，是最好的天然生物纳米材料。这些成分相互 作用编织了一个复杂的完美的生物世界。生物纳米材料可分为4类：天然纳米材料；生物仿生 与人工合成的纳米材料；智能纳米复合材料；合成的纳米材料与或细胞形成的复合材料或组 织工程纳米材料。
鲨鱼皮：排列有序的微小鳞状突起可以减小阻力。放鲨鱼皮塑料贴膜，可以减小阻力8%，节 约燃料1.5%；
沙漠甲虫：翅膀上有小突起（山峰），具有特殊的微纳米结构。起雾时，甲虫身体倒立，水 汇集于山峰，在风作用下顺疏水的山谷流入甲虫口中。
北极熊毛：中空结构与多孔结构，使得它具有极好的红外吸收能力—保温、绝热； 人和动物坚硬牙齿的外表面，即牙釉质，是由纳米尺寸的微晶组成。

三、仿生技术分类及主要研究内容

仿生技术归纳为：结构仿生、功能仿生、材料仿生、力学仿生、控制仿生等类别。

1、结构仿生



结构仿生(Bionic Structure)是通过研究生物肌体的构造，建造

类似生物体或其中一部分的机械装置，通过结构相似实现功能相近。



1．昆虫仿生：模仿昆虫独特的形体结构和运动方式。
仿生技术及其应用

一、仿生学的诞生
人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究， 促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的 进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以做到的事实。 生物学家和工程师们积极合作，开始将从生物界获得的知识用来改善旧 的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术 革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。 于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科 学——仿生学。
仿壁虎机器人通过模拟壁虎微细结构， 模拟大壁虎脚掌基于分子间的“范德华力”， 采用仿生结构设计、仿生步态规划、脚掌粘 附性能测试等方法，成功实现了仿壁虎机器 人90度爬壁运动。

2、功能仿生
功能仿生(Functional Bionics)是使人造的机械能够部分地实现诸如思维、 感知、运动和操作等高级动物功能的仿生技术。功能仿生必须以结构仿 生为基础。在智能机器人的研究中具有重大意义。

大脑功能仿生

近年来，计算机技术已经取得了重大进展， 但即使再强大的超级计算机也无法像猫那 样能够识别出人类的面部。密歇根大学科 学家决定研究猫的大脑以研制一台智能计 算机。现有的计算机以线性模式执行代码， 而哺乳动物的大脑则完全相反，它们可以 同时处理许多事务。科学家正在研制一种 电路元件，这种设备可以像仿生神经键一 样处理事务。它可以记住通过的电压数， 这与动物大脑中的记忆和学习功能相似。 密歇根大学计算机工程师卢韦认为，这种 创意比仿生人类大脑更具现实意义。

壁虎眼睛与未来隐形眼镜

南航大研制出壁虎机器人
壁虎能牢牢吸附在墙壁上的本质是依据“范 德华力”(分子间作用力，其实质是一种电 性的吸引力)来实现的。它的脚上有50万根 细毛，粗细从几μ到几十纳米不等，只相当 于头发直径的千分之一。为了能让仿壁虎机 器人也逐渐向这样的“无障碍”爬行目标 “看齐”，戴振东和他的团队曾经尝试了不 下十种方法来做“毛”，最终成功仿照刚毛 吸附原理，通过特殊材质成功让仿壁虎机器 人牢牢“吸”在了垂直90度的墙面上。