仿生学及仿生机械学的发展动态

1、仿生学及仿生机械学的发展动态xxxxxx 学院 xxxxxxxxxx xxxxxxxxx 号 Tel:xxxxxxxxxx, HYPERLINK mailto:xxxxxxxxx xxxxxxxxx摘要：仿生学是一门涵盖面极广的交叉学科，本文主要讲述了什么是仿生学，什么是仿生 机械学，仿生学的起源，以及国内外对仿生机械学研究的进展。其中还提到了我对这门课 的认识以及建议。关键词：仿生；机械；建议引言：仿生学涵盖生物电子学、生物传感器、生物仿真材料、生物物理学、生物电机和生物大 分子的自装配等的一门交叉学科。主要是研究和建立一类人工系统，使之具有生命系统的某 些特性。仿生学起源自古以来，自然界就

2、是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。人类以 自己直立的身躯、能劳动的双手、交流情感和思想的语言，在长期的生产实践中，促 进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物 界上，而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物，通过创造性的劳动增加自 己的本领。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。鸟

3、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。以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试，可以认为是人类仿生学的先驱，也 是仿生学的萌芽。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

4、化。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。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。生物运动学生物的运动十分复杂，因为它与骨骼和

5、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。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

6、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一一机系统进行评价、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。国内外对仿生机械学研究的进展2.1蜘蛛与仿生科技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

7、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。古籍资料显示：蜘蛛用于 医学目的已有几个世纪了。蜘蛛的毒液能有效地防止中风患者脑损伤。科学工作者经过对蜘 蛛的毒液分析，并利用仿生学原理，仿生制造这种物质，已成为一种高效、多功能新型杀虫 剂。新近报道，澳大利亚科学研究报告称，他们在澳大利亚的一种叫漏斗网蜘蛛身上发现了 一种神经毒素的物质，并对这种物质进行了分子结构分析。并提醒说，这可能是一种有着巨 大商业潜力的研究新成果，因为它是对哺乳类动物没有副作用的强力杀虫剂。2 0世纪5 0年代，美国已将蜘蛛丝用于制造防弹背心和降落伞以及

8、光学仪器中的十字 线，其耐拉强度引起了仿生学家及机械工程学家的极大关注。生命科学已经从蜘蛛的基因型 上去研究，目前杜邦公司的科技人员用无性繁殖法繁殖并生产出了蜘蛛丝，他们在这种新产 出的蜘蛛丝中加入黏状蛋白，制成了洁净的、高强度的人造蜘蛛丝。随着基因组测序的不断 发展，功能基因被快速提示，加上克隆技术的不断完善，仿生蜘蛛丝的生产，很快会进入产 业化阶段，其使用范围会越来越广泛。2.2仿生人将走近现实生活模仿动物动作及信息处理系统研究仿生人的速度正在加快。东京工业大学制造出的仿生 人，有的像袋鼠一样轻快跃过障碍物；有的像蛇一样潜伏在狭长地带。东京大学和筑波大学则联合研究模仿昆虫大脑的信息处理系统

9、开发新型机器人;美国的 奥斯汀得克萨斯大学的科学工作者正在研制一种“万能味觉传感器”，它能够区别数百种物 质的不同味道。新近报道，美国一家卫生研究院在一项6 0万美元贷款的支持下，为开发出一种新型传 感器正在加速研究。根据现已掌握的技术资料，新开发出的传感器几乎可以在较短的时间内 告诉医生有关病人的血液和尿样的所有成分。德克萨斯大学的德昂尼柯克教授说：制造出 能够同时进行2 0种或5 0种味觉仿生传感是完全可行的，并预测这种仿生“万能味觉传感 器”最终会取代针对某些具体物质（如胆固醇、血糖等）的单项测试。一个同时对血糖和尿 样进行多种测试的传感器即将走向现实生活。2.3仿生器官组织工程蓬勃兴起

10、断肢再植，肝脏、肾脏、心脏器官移植均已有几十年的历史了。它们均已成为器质性疾 病治疗的主要手段。目前器官移植的主要问题不是外科手术的技术，而是供移植的器官缺少。 为了解决这一难题，世界很多国家都在想方设法，如成立形形色色的供体器官公司，但效果 均不理想。只是到了当代，随着生命科学研究和基因工程的高速发展，才出现了前面提到的 仿生器官组织工程，比较有效地解决了这一难题。仿生器官组织工程的目标旨在阐明生物系统的功能和结构原理，人工创造出类似人体肌 肉、血管、骨骼、肾脏、心脏等仿生材料。仿生器官组织工程依据有机体的自我生长和补偿 功能原理，利用基因技术创造人工器官。如用血管内皮细胞、纤维原细胞和平滑

11、肌细胞重建 血管；用肝细胞重建肝脏；用造骨细胞来构建骨骼组织等。仿生器官组织工程的兴起将实现 疾病治疗，首先是器质性病变治疗的大变化，造福人类。最近美国麻省理工学院化学和生物医学工程系的研究小组，用羔羊的血管细胞制成羔羊 的人工心脏阀。培养于聚合物基质上的人皮肤已移植到烧伤病人身上和糖尿病患者的足溃疡 部位取得了成功。采用这种办法培养的皮肤表皮细胞可以消除可能有的排斥作用。现在医学家和生物学家结合正在设计像肾脏和肝脏之类的仿生完整器官的培养。2 1世 纪的今天，人们将利用仿生器官组织工程制造的器官、组织取代用塑料和金属制成的替代器 官(肤体)，用来修复受伤的骨骼和关节。这些活的移植体会无缝合地

12、与周围组织结合，以 消除诸如感染和替代肢体的关节松动之类的问题。像鼻子和耳朵之类具有复杂而形状特定的 器官，通过计算机辅助轮廓设计和软骨细胞装到构成物上的方法，在聚合结构中是能够形成 的。实验实践表明，目前国内外有些实验室已经制造出来的这类人工器官，移植到动物身上 获得了成功。下一步是在临床上进行人体实验。应该想到，在动物器官上的实验成功，在人 体上使用是大有希望的。我对这门课程的认识和建议：哈工大的机械类专业一直在国内处于顶尖水平，因此我们必须对仿生机械学有非常高的 认识，这门课就给予了我们这个认识的机会。从开课的仿生学历史，到后来的各类仿生机械，再到最后一节课的仿生人形机器，我们 增长了很多的见识。姚老师讲课风趣幽默，使人兴趣盎然，使用的PPT不光有文字叙述，还 有大量的图片和视频资料，让我们生动地见识到了各类仿生机械，对仿生机械有了更为直观 的认识。在那些视频中，不光有各类仿生机械的活动展示，还有详细的语音介绍，让我们了 解那些机器人是如何克服各种技术难题的。在我看来，这门课程对我们以后在机器人方面的发展有重要的意义。虽然这门课没有繁 重的作业，但激发了我们对仿生机器的兴趣。只有激发了我们对仿生机器的兴趣，才能让我 们投入其中，进行更深入的研究。结论：经过35亿年进化的生物世界是技术创新