仿生制造技术

仿生制造技术神奇的仿生学

“鱼翔浅底，鹰击长空”，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，人类又可以创造出什么样的奇迹呢？这里要给大家介绍的是一门新兴科学——仿生学！生物的神奇“技能”蝴蝶身上的鳞片会随阳光的照射方向自动变换角度而调节体温。

萤火虫可将化学能直接转变成光能，且转化效率达

100%，而普通电灯的发光效率只有6%。蝙蝠在飞行时发出超声波，由反射回来的超声波判断出自己和障碍物间的距离，再依靠耳朵的定向作用，准确确定障碍物的方位。

海蜇是预报风暴最早、最准确的“顺风耳”。苍蝇的平衡棒在飞行时以一定的频率进行机械振动调节翅膀的运动方向，是保持身体平衡的导航仪。可恶的苍蝇给我们的启示？免疫力（活蝇蛆可接种于伤口之中，起杀菌清创，促进愈合之作用。）平衡能力（飞行器的平衡）嗅觉（传感器、捕蝇器）棘毛的作用（减粘）由于生物的种种神奇功能人们很早便开始关注“仿生学”据《韩非子》记载，鲁班用竹木作鸟“成而飞之，三日不下”。

达芬奇——大约在公元1500年，受鸟翅启发，画了一系列的无法实现的飞行设备草图，被认为是现代仿生学之父。大约400年之后，奥托(OttoLilienthal)根据鹳的翅膀制造了滑翔机，并取得了“滑翔机之父”的称号。

1960年在美国俄亥俄州召开第一次仿真学讨论会，正式命名仿生学（Bionics）

2003年10月8日来自中、法、英、美等国的多位生命科学、材料科学、纳米科学与技术、工程科学等领域的著名专家聚集上海，围绕仿生结构、仿生材料、仿生研究的方法等议题，对仿生学的发展前景展开了深入研讨。

2004年12月11日~13日，在以“仿生学的科学意义与前沿”为主题的第220次香山科学会议就如何从仿真学入手，向一个极为重要的创新源泉——大自然“汲取灵感”进行全面研讨。何为仿生学？仿生学——模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学。仿生学不是单纯的模仿生物，更主要的在于它要把生物的卓越机能更巧妙更精炼地应用到工程技术中去。但仿生设计的方法复制不是仿生学的研究目的，对生物系统工作原理的本质认识、理解和应用是最终目标。在这个过程中发散性地进行类比、模拟和模型化是仿生学研究的主要方法，而数学模型是从生物原型到应用模型的关键。但是对复杂生物系统的认识往往是一个长期的研究过程，并依赖于先进科学技术的支持，需要多学科的交叉、合作，所以仿生学的研究是一个系统工程，存在相当大的难度。仿生学的研究过程生物模型数学模型技术模型生物体技术装置

提出模型，进行模拟是仿生学的基本研究方法。在仿生学研究的过程中，模型是联系生物科学与技术科学的桥梁。数学模型是都来源于生物模型，反过来又指导生物系统的研究。三者相辅相成进而完成了仿生学的研究。仿生学研究的分支

力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息和控制仿生等电子仿生、机械仿生、建筑仿生、化学仿生、人体的仿生、宇宙仿生等形态仿生、形式美感仿生、功能仿生、结构仿生、机理仿生、色彩仿生、意象仿生仿生学研究的主要内容：1.控制仿生学；6.其他……2.信息仿生学；3.力学仿生学；5.医学仿生学；4.化学仿生学；搜索控制仿生学是研究所谓机体控制系统的结构与功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新型的自动控制系统。

中国第一条可用于实际应用的仿生机器鱼于2004年12月5日正式宣布研制成功。这台外形酷似活鱼的机器人曾出色地辅助考古专家对福建郑成功古战舰遗址进行了水下探测.技术人员通过一个手掌大小的遥控器和一台计算机，对身长1.23米，通体色泽亮黑，外形逼真的机器鱼发号各种指令。水间的机器鱼自由灵活地穿波逐浪，载沉载浮。如果不是头部上方一个显眼的白色圆顶GPS导航天线，水中的机器鱼令人真假难辨.这条机器鱼由动力推进系统、图像采集和图像信号无线传输系统、计算机指挥控制平台三部分组成，主要制造材料为玻璃钢和纤维板。它的最高时速可达1.5米／秒，能够在水下连续工作2至3小时。信息仿生学是研究生物机构与外界环境、生物个体之间、生物体内各部分间的信息接收、储存、处理与利用的机理，以及将其移植于技术系统之中的方法，并最终制成类似于生物系统的计算系统和信息接收处理系统。蝙蝠昼伏夜出，在空中能陡然改变飞行方向，避开障碍物，又能捕食正在飞行中的昆虫。科学家研究发现它不是靠眼睛，而是靠嘴、喉和耳朵组成的回声定位系统,准确确定障碍物的方向和位置。蝙蝠的这种回声定位系统正是雷达的雏形,科学家据此设计出了现代的雷达。力学仿生学是研究和模拟生物机体外部形态和内部结构的力学原理。力学仿生学在建筑中得到广泛应用。生物体在长期的进化中形成了各种形态，具有了一定的强度，硬度和稳定性。在对艾菲尔斜塔进行仔细测量和研究后，发现它的每个构件与人的小腿骨惊人的相似。与之相类似的还有藤蔓与悬索结构，蛋壳与薄壳结构，树干竹笋与高耸建筑等等。艾菲尔斜塔与人的小腿骨惊人的相似龟壳的背甲呈拱形，跨度大，包括许多力学原理。虽然它只有2mm的厚度，但使用铁锤敲砸也很难破坏它。建筑学家模仿它进行了薄壳建筑设计。这类建筑有许多优点：用料少，跨度大，坚固耐用。薄壳建筑也并非都是拱形，举世闻名的悉尼歌剧院则像一组泊港的群帆因为蛋壳的外形能有效分散应力，自然界中这种现象还有很多，乌龟壳硬也是这个道理，大型的体育馆车站

等室内空间大的建筑也多采用这样的蛋壳形状屋顶。化学仿生学是研究和模拟生物体内的各类化学反应，包括酶学原理、选择性生物膜和生物的能量转换、生物发光、生物发电等。利用电化学预处理玻碳电极对热变性

D

NA的吸附特性，定量检测热变性

D

NA，判断

D

NA的变性程度。利用吸附态单、双链

D

NA与电化学探针亚甲蓝作用差异建立起长链

D

NA序列检测方法及对单、双链的识别。将

D

NA修饰在

I

TO电极表面，研制成测定药物米非思铜传感器。

医学仿生学是研究人工脏器、生物医学的图象识别以及医学信号的分析和处理。

蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成，这些结构与近代数学家精确计算出来的——菱形钝角109°28’，锐角70°32’完全相同，是最节省材料的结构，且容量大、极坚固，令许多专家赞叹不止。人们仿其构造用各种材料制成蜂巢式夹层结构板，强度大、重量轻、不易传导声和热，是建筑及制造航天飞机、宇宙飞船、人造卫星等的理想材料。60°120°纳米技术与分子生物学的结合将开创分子仿生学新领域。分子仿生学模仿细胞生命过程的各个环节，以分子水平上的生物学原理为参照原型，设计制造各种各样的可对纳米空间进行操作的“功能分子器件”，即纳米机器人。纳米机器人的研制和开发将成为21世纪科学发展的一个重要方向，对医学和农业产生巨大影响。

飞机高速飞行时，机翼受气流的冲击常发生颤振，从而导致机翼断裂、机毁人亡。科学家从蜻蜓翅膀上的黑色翅痣(一种较厚的角质组织)，想到了配重，于是“照葫芦画瓢”，给飞机机翼上装了配重，从此，飞机的此类事故大大减少。

定义：模仿生物的组织结构或运行方式，制造仿生结构或仿生系统（产品）的过程称为仿生制造（BionicManufacturing）。原理：通过研究和模仿生物体的功能形成机理，设计和制造与生物模本具有类似特性的材料、结构、器件和装备，对生物运动执行系统、感知系统、控制系统、致动系统以及特殊功能结构等进行功能复制。仿生制造技术仿生制造技术内容自生长成形工艺生物成形制造仿生设计和仿生制造系统智能仿生机构与系统仿生机构与系统制造仿生机构与系统制造是以工程仿生学理论为指导，在提取自然界生物优良性能特征的基础上，模仿生物的形态、结构、材料和控制原理，设计制造具有生物特征的机构或系统的过程。随着科技、信息和经济的快速发展，人们对智能化、人性化和集成化的产品需求迅速增加，尤其体现在军事、工业、医疗、养老、娱乐和社会服务领域，如仿生机械装备功能部件、仿生智能肢—体辅助系统和仿生服务机器人等仿生机构的分类仿生抓取机构工业机器人用机械手

工业机器人用机械手医疗用机械手仿生移动机构墙面移动机构常规地形移动机构小空间移动机构仿生游动机构仿生飞行机构仿生飞行机构仿生扑翼飞行器是一种模仿鸟类和昆虫飞行，基于仿生学原理设计制造的新型飞行机器。该类飞行器若研制成功，那么与固定翼和旋翼飞行相比，它便具有独特的优点：如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行费用低廉，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，因此更适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务扑翼飞行器研究情况中国西汉时代有人模仿鸟的飞行。达芬奇设计出了第一架扑翼飞行器的图纸。19世纪中期，考夫曼、英国人哈尔格莱夫和德国人李林塔尔对扑翼机理论所作的研究及实践成为扑翼飞行器发展史上重要的里程碑。20世纪初，俄罗斯科学家和设计师们在这一领域内取得了重大认识突破：仅靠人体自身肌肉的力量来驱动的扑翼飞行器是无法实现持续飞行的。20世纪中后期，人类历经艰辛才发明了扑翼滑翔飞行器和动力扑翼飞行器。此后随着MEMS技术、空气动力学和新型材料等的发展，如今的扑翼飞行器也越来越灵巧且逐渐小型化。机器蝇，未来的超级间谍

美国五角大楼对有望成为“微型间谍”的机器蝇极为重视，机器蝇可以帮助美军完成侦察阿富汗山洞或是寻找伊拉克秘密武器等艰巨任务。而在未来战争中，机器蝇甚至可以飞到敌方总部。总之，机器蝇将完成过去“007”远远完成不了的任务，成为名副其实的“超级间谍”。在未来的机器蝇身上，将安装许多传感器和微型摄像机，因此他们能做的事情还有很多。比如可以用来发现森林火灾，在灾难中搜寻废墟中的幸各种复杂条件下完成拍照、摄影、取样等工作。奇妙的机器蝇扑翼飞行器研究情况中国西汉时代有人模仿鸟的飞行。达芬奇设计出了第一架扑翼飞行器的图纸。19世纪中期，考夫曼、英国人哈尔格莱夫和德国人李林塔尔对扑翼机理论所作的研究及实践成为扑翼飞行器发展史上重要的里程碑。20世纪初，俄罗斯科学家和设计师们在这一领域内取得了重大认识突破：仅靠人体自身肌肉的力量来驱动的扑翼飞行器是无法实现持续飞行的。20世纪中后期，人类历经艰辛才发明了扑翼滑翔飞行器和动力扑翼飞行器。此后随着MEMS技术、空气动力学和新型材料等的发展，如今的扑翼飞行器也越来越灵巧且逐渐小型化。自生长成形工艺自生长成形工艺，即在制造过程中模仿生物外形结构的生长过程，使零件结构最外层各处形状随其应力值与理想状态的差距作自适应伸缩直至满意状态为止；又如，将组织工程材料与快速成形制造相结合，制造生长单元的框架，在生长单元内部注入生长因子，使各生长单元并行生长，以解决与人体的相容性和与个体的适配性及快速生成的需求，实现人体器官的人工制造。世界上首例采用数字信息技术进行的仿真下颌骨植入术日前在西安获得成功。这是由西安交大国家级重点实验室——激光快速成型中心与该校口腔医学院协同攻关取得的技术成果。耳朵没了，可以给你一只得像真的一样的仿生人耳--国内首例仿生人耳赝复体在上