仿生原理与仿生机械

1、课程编号：B0200017C课程名称：仿生学原理与仿生机械英文译名： Biomimetics theory and bionic-mechanism适用学科：机械工程先修课程：开课院（系）：机电工程学院机械设计系任课教师：吴伟国（教授）王 瑜（副教授）内容简介：现代仿生学研究不单单从生物个体的机能、机理中汲取营养，已经逐步深入到生物 群体行为、生命现象等更高层次。因此，本课程结合现代仿生学中的新进展，着眼于“生 物圈”群体性及“生命现象”层次的关键问题，论述仿生学中生物基本原理，讲授鱼类 水中推进、腿式生物行走、鸟类、昆虫飞翔等运动的力学原理；介绍从生物中学到的仿 生设计技术以及生命现象信息论

2、基础；通过典型的实例讲授仿生机械及系统。主要教材：目前国内尚无本课程教材，本课程将根据国外有关书目、参考文献和我们的科研成 果自编写讲义。郑秀媛等著.现代运动生物力学.国防工业出版社.2002.日本机械学会编.力力7-生物力、乏学彳亍夕/口一.口户社.2003.日本机械学会 编.生物型tAO7制御.养贤堂发行.2002.参考文献：原文雄.小林宏著.颜知能一颜口粉卜记人工感情创发.共立出版社.2004.中野馨著.生命O生命现象。情报论的研究.彳工人社.2001.5.周乐昌编著.心脑计算举要.清华大学出版社.2003.课程编号：B0200017C课程名称：仿生学原理与仿生机械开课院系：机电工程学院

3、机械设计系任课教师：吴伟国教授、博导 王瑜副教授先修课程：适用学科范围：机械工程学时：36学分：2开课学期：春季学期开课形式：授课课程目的和基本要求：仿生学是一门模仿生物的特殊本领，利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种 新技术的科学。现代仿生学研究不单单从生物个体的机能、机理中汲取营养，已经逐步 深入到生物群体行为、生命现象等更高层次，并且在理论上取得了新进展。因此，本课 程着眼于“生物圈”群体性及“生命现象”层次的关键问题，讲授仿生学中生物基本原 理，鱼类水中推进、腿式生物行走、鸟类、昆虫飞翔等运动的力学原理；介绍仿生设计 技术以及生命现象信息论方面的新知识。旨在使博士生能够系统地掌握现

4、代仿生学的基 本原理和方法，以适应仿生机械研究不断发展的需要。本课程采用多媒体教学。课程主要内容：第一章、绪论1.仿生学与仿生技术的发展、意义：1）外在形态与内在机理的仿生；2）物理实体与意 识形态的仿生；3）个体与群体的仿生；2.生物系统的特点及仿生学关键问题：1）生物 系统的共同特点；2）仿生学关键问题：（1）柔性体与机械；（2）材料；（3）能量；（4）运动 性；（5）驱动；（6）控制；（7）感知；（8）群体的协同性与竞争；3.本课程的目的第二章仿生学中生物的基本原理1.生存的自然法则：1）适者生存与竞争机制；2）生存环境中生物的进化论；3）个体与群 体的协同；4）生物形态的多样性等；2.

5、生物运动的典型方式与其中的仿生机理：1）生 物的结构与功能；2）运动方式,骨骼与形态；3）定位与导航；4）群体的协同机制等；3. 仿生学的力学原理：1）生物系统的力学合理性剖析:（1）食肉动物行走系统；（2）昆虫与 鸟类翼翅的构造与力学分析；（3）鱼类的推进；2）高速游泳动物推进力学：（1）雷诺数、 支配方程式、推进效率常数；（2）推进的流体力学基础理论；（3）高速游泳动物推进动 力学；3）腿式行走生物的稳定性及力学：（1）摩擦、ZMP及稳定性条件；（2）单腿跳跃 式行走的力学原理；（3）双足稳定步行的动力学；（4）四足步行步态、稳定性与动力学； （5）6足昆虫的自律步行原理；4）飞翔的运动性

6、：（1）翼的形状、运动与空气推进力学； （2）胴体。第三章、从生物学到的设计技术1.微小要素性：1）机能；2）面向系统的进化性；3）细胞机器人的概念；4）增值系统；2. 自修复性与自修复机械：1）分散型机械系统；2）自重构可变机械与自修复；3）自装配 软件；4）大规模系统的自装配与自修复；3.环境适应性：1）支撑生物的构造组织；2） 从蠕虫学到的“柔软机械”的设计；4.创发性：1）与环境的相互作用一身体性；2）认 知机器人学的设计论；3）具体的方法；5.心性一人类的心与机械的心；6.人类与人工 系统的“交流”；7.系统生命与智能控制。第四章、生命现象的信息论初步1.生命现象的信息论研究的萌芽；

7、2.机器人增值系统；3.植物的模型；4.伴随成长的构 造的信息表现和发达；5.进化的学习机制；6.伴随细胞分裂的自组织化；7.生命体的构 造；8.生物进化的计算机仿真；9.竞争系统与共同进化的模型。第五章、仿生机械及系统1.引言;2.仿生机械学：1）机构原理；2）仿生机构；3.实例：1）自装配机构；2）自组织化 机器人的细胞结构；3）适用于昆虫翼翅的机构；4）由增值系统产生的机器人实例；4. 有“心”的机械（机器人）的开发：1）设计论；2）机能；3）自律系统；4）情感表现；5）行 为；6）自组织化图；5具有“人工情感”的机械系统：1）情感模型；2）机械系统设计； 3）情感的表达与感知。结束语：仿生研究与仿生机械的问题及今后的展望。课程主要教材：目前国内尚无本课程教材，本课程将根据国外有关书目、参考文献和我们的科研成 果自编写讲义。郑秀媛等著.现代运动生物力学.国防工业出版社.2002.日本机械学会编.X力/夕一千*一生物力、乏学亍*亍夕/口一. 口十 社.2003.日本机械学会编.生物型S/tA7制御.养贤堂发行.2002.主要参考文献：原文雄.小林宏 著.颜知能一颜