仿生机器人

H a r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y

仿生感知与先进机器人技术

课程报告(1)

报告题目：我对仿生学及仿生机械学的认识

院系：机电工程学院

哈尔滨工业大学机电工程学院

我对仿生学及仿生机械学的认识

一、仿生学及仿生机械学简介

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上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。

仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语言bion上，加上有工程技术涵义的ices而组成的词语。大约从1961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。

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，但在智能方面却比人类要低劣的多。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。仿生机械学的研究动向包括以下几种：

（1）生物材料力学和机械力学

以骨或软组织（肌肉、皮肤等）作为对象，通过模型实验方法，测定其应力、变形特性，求出力的分布规律。还可根据骨骼、肌肉系统力学的研究，对骨和肌肉的相互作用等进行分析。

另外，生物的形态研究也是一大热门。因为生物的形态经过亿万年的变化，往往已形成最佳结构，如人体骨骼系统具有最少材料、最大强度的构造形态，可以通过最优论的观点来学习模拟建造工程结构系统。

（2）生物流体力学

主要涉及生物的循环系统，关于血液动力学等的研究已有很长的历史，但仍有许许多多的问题尚未解决，特别是因为它的研究与心血管疾病关系十分密切，已成为一门倍受关注的学科。

（3）生物运动学

生物的运动十分复杂，因为它与骨骼和肌肉的力学现象、感觉反馈及中枢控制牵连在一起。

虽然各种生物的运动或人体各种器官的运动测定与分析都是重要的基

础研究，但在仿生机械学中，目前特别重视人体上肢运动及步行姿态的测定

与分析，因为人体上肢运动机能非常复杂，而下肢运动分析对动力学研究十分典型。这对康复工程的研究也有很大的帮助。

（4）生物运动能量学

生物的形态是最优的，同样，节约能量消耗量也是生物的基本原理。从运动能量消耗最优性的特点对生物体的运动形态、结构和功能等进行分析、研究，特别是对有关能量的传递与变换的研究，是很有意义的。

（5）康复工程学

包括如动力假肢、电动轮椅、病残者用环境控制系统等。它涉及许多学科和技术，比如对于动力假肢，只有在解决了材料、能源、控制方式、信号反馈与精密机械等各种问题之后才能完成，而且这些装置还要作为一种人——机系统进行评价、试用，走向实用化的道路是非常艰难和曲折的。

（6）机器人的工程学

是把生物学的知识应用于工程领域的典型范例，其目的一是省力；二是在宇宙、海洋、原子能生产、灾害现场等异常环境中帮助和代替人类进行作业。机器人不仅要有移动功能的人造手足，而且还要有感觉反馈功能及人工智能。目前研究热点为人造手、步行机械、三维物体的声音识别等。

二、国内外仿生机械学研究进展

目前，国外在仿生机械学的领域已经获得了许多成果。

2005年7月的一天，海啸警报让泰国的部分游客与居民陷入恐慌，许多人逃到山上，然而海啸并未发生，几小时后村民惊魂未定地回到村庄。这件事表明，目前安装在近海的海啸预报系统还不够可靠。德国莱布尼茨海洋科学研究所的科学家康斯坦丁·克布卡尔在柏林理工大学研究仿生学与海洋动

物的声音传播，研制出了一种新型调制解调器，它可将海底传感器发出的信号迅速传送至预警浮标，后者则会通过卫星将信号直接传输至监控中心。研制出这种调制解调器的德国科学家有效地解决了海啸预报不够准确的难题。他们是从仿生学原理的角度，从海豚的叫声中受到启迪而开发成功的。康斯坦丁·克布卡尔发明的无线传输技术可以从海底迅速且不受干扰地向海面传送数据。他说：“我们在黑海的实验中发现，海豚靠在超声波领域调制信号来彼此联络。”因此水、礁石和海底断层发射声波，所以海洋动物会根据环境改变发音频带以调整自己的声音信号。研究发现，海豚的通信频率在4kHz~80kHz之间，它们能以16kHz的频率将海豚叫声传至10km之外。这位仿生学家说，目前这种超声波调制解调器已可将数据传送2km远，下一步将距离延长至6km～8km，从而使深海海沟也能处在监测下。这种超声波调制解调器可传送33kb/s的数据，因此能传送海底传感器拍摄的录像与图片，调制解调器的发射频率会根据波浪的起伏和其他干扰因素自动做出调整。在北海和波罗的海的测试中证明这种设备运行良好，它将作为德国地学和仿生学研制的海啸预警系统的一部分在印度尼西亚沿海投入使用。这套预警系统寄希望于无数数据传输。地震传感器被固定在5km深的海底，可通过超声波调制解调器将数据传送至安装了全球卫星定标。克布卡尔说：一旦发生地震，压力传感器就会报警，几分钟后，预警系统就会通过互联网和短信发布警报，使人有足够的时间逃生，这在海啸预报准确方面是一个重大突破。

蜘蛛是人们非常熟悉的昆虫。它会造丝织网，而一些机械工程师却把注意力集中到蜘蛛网的研究上，因为它有拉力转移的特性。这种拉力转移特性已成为当代仿生研究的重要内容。研究结论表明，蜘蛛丝能替代某些合成纤维织物，如尼龙、涤纶。新近报道，澳大利亚科学研究报告称，他们在澳大