仿生原理与仿生机械概论学习心得

仿生原理与仿生机械概论学习心得
张金伟
自从学习仿生原理与仿生机械概论这门学科以来，我对仿生机械及仿生学产生了浓厚的兴趣，下面我谈谈我对这门学科的理解和认识，以及学习的心得
仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语bion上，加上有工程技术涵义的ics而组成的词。

大约从1960年才开始使用。

生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。

例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。

可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潜艇设计原理上。

仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。

苍蝇，是细菌的传播者，谁都讨厌它。

可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。

这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶。

苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由30O0多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。

“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片。

这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。

“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多。

自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领？它们的种种本领，给了人类哪些启发？模仿这些本领，人类又可以造出什么样的机器？这里要介绍的一门新兴科学——仿生学。

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在本世纪中期才出现的一门新的边缘科学。

仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。

从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。

仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。

苍蝇与宇宙飞船令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。

苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。

苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。

但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢? 原来，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。

每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。

若有
气味进入“鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。

大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。

因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。

仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。

这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。

就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。

这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。

这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。

利用这种原理，还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。

从萤火虫到人工冷光自从人类发明了电灯，生活变得方便、丰富多了。

但电灯只能将电能的很少一部分转变成可见光，其余大部分都以热能的形式浪费掉了，而且电灯的热射线有害于人眼。

那么，有没有只发光不发热的光源呢? 人类又把目光投向了大自然。

在自然界中，有许多生物都能发光，如细菌、真菌、蠕虫、软体动物、甲壳动物、昆虫和鱼类等，而且这些动物发出的光都不产生热，所以又被称为“冷光”。

在众多的发光动物中，萤火虫是其中的一类。

萤火虫约有1 500种,它们发出的冷光的颜色有黄绿色、橙色，光的亮度也各不相同。

萤火虫发出冷光不仅具有很高的发光效率，而且发出的冷光一般都很柔和，很适合人类的眼睛，光的强度也比较高。

因此，生物光是一种人类理想的光。

科学家研究发现，萤火虫的发光器位于腹部。

这个发光器由发光层、透明层和反射层三部分组成。

发光层拥有几千个发光细胞，它们都含有荧光素和荧光酶两种物质。

在荧光酶的作用下，荧光素在细胞内水分的参与下，与氧化合便发出荧光。

萤火虫的发光，实质上是把化学能转变成光能的过程。

早在40年代，人们根据对萤火虫的研究，创造了日光灯，使人类的照明光源发生了很大变化。

近年来，科学家先是从萤火虫的发光器中分离出了纯荧光素，后来又分离出了荧光酶，接着，又用化学方法人工合成了荧光素。

由荧光素、荧光酶、ATP(三磷酸腺苷)和水混合而成的生物光源,可在充满爆炸性瓦斯的矿井中当闪光灯。

由于这种光没有电源，不会产生磁场，因而可以在生物光源的照明下，做清除磁性水雷等工作。

现在，人们已能用掺和某些化学物质的方法得到类似生物光的冷光，作为安全照明用。

电鱼与伏特电池自然界中有许多生物都能产生电，仅仅是鱼类就有500余种。

人们将这些能放电的鱼，统称为“电鱼”。

各种电鱼放电的本领各不相同。

放电能力最强的是电鳐、电鲶和电鳗。

中等大小的电鳐能产生70伏左右的电压,而非洲电鳐能产生的电压高达220伏；非洲电鲶能产生350伏的电压；电鳗能产生500伏的电压，有一种南美洲电鳗竟能产生高达880伏的电压，称得上电击冠军,据说它能击毙像马那样的大动物。

电鱼放电的奥秘究竟在哪里?经过对电鱼的解剖研究，终于发现在电鱼体内有一种奇特的发电器官。

这些发电器是由许多叫
电板或电盘的半透明的盘形细胞构成的。

由于电鱼的种类不同，所以发电器的形状、位置、电板数都不一样。

电鳗的发电器呈棱形，位于尾部脊椎两侧的肌肉中；电鳐的发电器形似扁平的肾脏，排列在身体中线两侧，共有200万块电板;电鲶的发电器起源于某种腺体，位于皮肤与肌肉之间,约有500万块电板。

单个电板产生的电压很微弱，但由于电板很多，产生的电压就很大了。

电鱼这种非凡的本领，引起了人们极大的兴趣。

19世纪初，意大利物理学家伏特，以电鱼发电器官为模型，设计出世界上最早的伏打电池。

因为这种电池是根据电鱼的天然发电器设计的,所以把它叫做“人造电器官”。

对电鱼的研究，还给人们这样的启示：如果能成功地模仿电鱼的发电器官，那么，船舶和潜水艇等的动力问题便能得到很好的解决。

水母的顺风耳“燕子低飞行将雨，蝉鸣雨中天放晴。

”生物的行为与天气的变化有一定关系。

沿海渔民都知道，生活在沿岸的鱼和水母成批地游向大海，就预示着风暴即将来临。

水母，又叫海蜇，是一种古老的腔肠动物，早在5亿年前,它就漂浮在海洋里了。

这种低等动物有预测风暴的本能，每当风暴来临前，它就游向大海避难去了。

原来，在蓝色的海洋上，由空气和波浪摩擦而产生的次声波 (频率为每秒8—13次)，总是风暴来临的前奏曲。

这种次声波人耳无法听到，小小的水母却很敏感。

仿生学家发现，水母的耳朵的共振腔里长着一个细柄，柄上有个小球，球内有块小小的听石，当风暴前的次声波冲击水母耳中的听石时，听石就刺激球壁上的神经感受器，于是水母就听到了正在来临的风暴的隆隆声。

仿生学家仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪，相当精确地模拟了水母感受次声波的器官。

把这种仪器安装在舰船的前甲板上，当接受到风暴的次声波时，可令旋转360°的喇叭自行停止旋转,它所指的方向，就是风暴前进的方向；指示器上的读数即可告知风暴的强度。

这种预测仪能提前15小时对风暴作出预报，对航海和渔业的安全都有重要意义。

对于构件，在截面面积相同的情况下，把材料尽可能放到远离中和轴的位置上，是有效的截面形状。

有趣的是，在自然界许多动植物的组织中也体现了这个结论。

例如：“疾风知劲草”，许多能承受狂风的植物的茎部是维管状结构，其截面是空心的。

支持人承重和运动的骨骼，其截面上密实的骨质分布在四周，而柔软的骨髓充满内腔。

在建筑结构中常被采用的空心楼板、箱形大梁、工形截面钣梁以及折板结构、空间薄壁结构等都是根据这条结论得来的。

目前在工业领域中应用的机器人以焊接、装配、喷涂、搬运机器人等为代表。

它们共同的特征是作业方式单一、缺乏变化。

在工业化生产过程中，通过设计控制，完成原来需要由工人完成的枯燥、乏味而又劳累的流水线工作。

人们对工业机器人最好的概括是“如果没有机器人，人将会变成机器”。

但是随着社会发展，机器人需要在更加宽泛的领域得到应用。

人类社会向更高层次发展，除了进行生产之外，生活、娱乐和享受对于人类来说同样不可缺少，活动方式和身体结构酷似动物的仿生机器人将在这方面大显身手。

这就涉及到了人
类对机器人另外两个方面的需求，也是世界范围内比较热门的研究方向———防灾救援和教育娱乐。

关于防灾救援，蛇形机器人、蜘蛛机器人等就可以在灾难事故现场，攀岩、灭火、钻洞、浮水等人类难以完成，或者对救援人员有潜在伤害的救助活动。

而能搬桌子、抬东西的机器人，在一定程度上可以帮助人类尤其是老年人进行重体力的生活必要劳动。

还记得索尼公司的机器狗吗？在给了孩子们无穷快乐的同时，也激起了他们对科学的浓厚兴趣。

这就是社会需要。

当我们的社会进入老龄化后，独自在家的老人可以由一个能说会道的护理机器人陪伴，既可以帮助老人干重活，还能在交流中减轻他们的寂寞感；当自然灾害降临的时候，地震洪水等让我们畏惧，可要是有了能够深入危险中心的机器人，就能减少救援者面临的危险。

日本东京工业大学教授广濑茂男曾获得IEEE颁发的领先成就奖，是世界上机器人研究领域的权威科学家。

在他看来，模仿生物活动机能和身体结构的仿生机器人，应当是机器人研究领域未来的发展方向。

他说，很多生物为了生存，在进化过程中具备适应大自然的独特功能，科学界在机器人的发明制造上，就应当借鉴一些生物的独特本领为人类服务。

比如身同蜜蜂大小的飞行机器人，能够比体积更大的鸟类更快地完成飞行方向的改变，而四足行走的机器人能够适应布满瓦砾、砂石的路面。

我认为，仿生机器人只是根据不同人的特殊需要而设计特殊的生物功能，即使在遥远的将来，也不能按照同一模式批量生产。

目前由于社会需要还不充分，难免被人们视为“不实用”，但是在这种机器人身上体现的技术，可以为其他领域的潜在技术需要做好准备，即其他领域如果需要用到仿生机器人研究中已经成熟的相关技术，直接拿过去就可以了。

所以，仿生机器人必将是超出人类一般需求之前探索的一门真正的前沿科学。