小議仿生機(jī)械設(shè)計(jì)

劉 陽(yáng)

（江西省機(jī)械工業(yè)設(shè)計(jì)研究院，江西 南昌 330046）

仿生機(jī)械（Bionicmachinery）是模仿生物系統(tǒng)的原理來(lái)設(shè)計(jì)制造的具有生物特征的機(jī)械。仿生機(jī)械功能齊全、并且效率極高。它是建立很多基礎(chǔ)學(xué)科上的一門綜合學(xué)科，所以需要各種學(xué)科的相互配合組成，它幾乎涉及到現(xiàn)今的所有學(xué)科門類。因此仿生機(jī)械設(shè)計(jì)研究的內(nèi)容極其廣泛，它不僅研究物體的整體結(jié)構(gòu)，也研究物體的內(nèi)在機(jī)理，只要生物界中的任何可以給人借鑒的優(yōu)勢(shì)都可加以模仿，并且深入研究，為人類的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)作出貢獻(xiàn)。仿生學(xué)涉及到了生活的方方面面。生活中很多普通但是非常適用的發(fā)明都是源于模仿，例如：模仿魚兒游泳制造船舟，模仿鳥兒飛行發(fā)明飛機(jī)，模仿帶鋸齒的茅草發(fā)明木工鋸等等。從本質(zhì)上看，仿生機(jī)械設(shè)計(jì)就是利用創(chuàng)新的理念與方法給人類的發(fā)明提供另一種發(fā)展模式，使人們向自然生命學(xué)習(xí)的理念，模擬自然界動(dòng)物的生存方式。使人類從一個(gè)獨(dú)特的視角窺探世界，探索世界，實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)的改革和創(chuàng)新，這是其他科學(xué)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。

1 仿生機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展進(jìn)程

在人類文明遠(yuǎn)古時(shí)期，人們?yōu)榱松妗⑦m應(yīng)環(huán)境，不得不向自然界的生物模仿學(xué)習(xí)各種生存技能，他們對(duì)周圍環(huán)境以及各種自然現(xiàn)象進(jìn)行仔細(xì)觀察。因此，人類很早就等的仿生學(xué)的應(yīng)用，并進(jìn)行仿生工作。所以，仿生設(shè)計(jì)具有悠久的歷史。相傳，公元前450～500年的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的魯班，模仿茅草上面鋒利的鋸齒，發(fā)明了人類第一架帶有鋸齒的木工鋸。2300多年前，墨子和他的同門花了三年的時(shí)間，通過(guò)模仿飛鳥的形態(tài)結(jié)果而制造出第一只會(huì)飛的木鳥。1903年，美國(guó)的萊特兄弟通過(guò)多年的研究，終于發(fā)明了人類第一架飛機(jī)。一直以來(lái)，人們只是通過(guò)模仿生物來(lái)為人們服務(wù)，仿生學(xué)的萌芽在人們的各種實(shí)踐中逐漸發(fā)展起來(lái)了。但是，長(zhǎng)期以來(lái)，人類只局限于模仿和描述生物精妙的結(jié)構(gòu)和神奇的功能，并未徹底的探求其內(nèi)在原理以及本質(zhì)，系統(tǒng)的仿生學(xué)理論知識(shí)體系也沒有建立起來(lái)。直到20世紀(jì)40年代，仿生學(xué)技術(shù)發(fā)展越來(lái)越受到人們的關(guān)注，同時(shí)人們?cè)谀茉础⒑胶！⒑教扉_發(fā)以及軍火武器等方面的迫切需要，仿生學(xué)的發(fā)展理念和設(shè)計(jì)觀念得到廣大科學(xué)家的認(rèn)同，美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家在仿生機(jī)械設(shè)計(jì)上投入也非常大，同時(shí)各個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科飛速發(fā)展，為近代仿生學(xué)的發(fā)展和建立提供了一系列的幫助，奠定了近代仿生學(xué)的基礎(chǔ)。終于在1960年的9月，第一屆仿生學(xué)討論會(huì)在美國(guó)召開，在這次會(huì)議上仿生學(xué)正式的確立為一門獨(dú)立的學(xué)科，并在此后蓬勃發(fā)展過(guò)程中，形成了多門分支的學(xué)科。從1960年起，在美國(guó)先后了四次仿生學(xué)學(xué)術(shù)討論會(huì)，之后在其他各國(guó)也進(jìn)行了多次學(xué)術(shù)會(huì)議，其中我國(guó)也在1975年召開了類似的學(xué)術(shù)會(huì)議。仿生學(xué)這門新型學(xué)科得到飛速發(fā)展，并且取得可喜的成績(jī)，直到現(xiàn)在還是一個(gè)研究熱門。

2 仿生學(xué)的主要研究領(lǐng)域

仿生學(xué)是建立在多學(xué)科基礎(chǔ)上的一門學(xué)科，集各大基礎(chǔ)學(xué)科的特長(zhǎng)，相關(guān)的研究領(lǐng)域也是非常廣闊，研究?jī)?nèi)容極其豐富。涉及的相關(guān)內(nèi)容囊括了信息、力學(xué)、建筑、物理、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)等。一下是幾種比較熱門的仿生機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品。

2.1 擬人型機(jī)械手

自然界各種動(dòng)物的前肢外貌各異，功能不一，但是其中的基本結(jié)構(gòu)卻非常相似，都是由三種類似的骨頭組成。人類的上肢非常靈活，功能強(qiáng)大，操作性和適應(yīng)性都很強(qiáng)，30多塊骨骼和50多條肌肉的配合非常完美，能做出非常精確和優(yōu)美的姿勢(shì)。這種擬人型機(jī)械手正朝著人類前肢的方向發(fā)展。上世紀(jì)八十年代，一種擬人型機(jī)械手也在中國(guó)誕生了，這種機(jī)械手功能很齊全，靈活性和柔韌度都很好，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

2.2 模仿海豚的海嘯預(yù)警系統(tǒng)

海水中的魚類在幾億年的進(jìn)化中，形成了獨(dú)特的水中適應(yīng)能力，一個(gè)德國(guó)的科學(xué)家通過(guò)多年研究海洋動(dòng)物的聲音發(fā)現(xiàn)，海豚音是比較特別的一種，他深受海豚音的啟發(fā)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，制作出了一種全新的調(diào)制解調(diào)器，它傳播速度極快，能夠在很短的時(shí)間內(nèi)把海底的震動(dòng)信息傳輸?shù)筋A(yù)警浮標(biāo)，然后浮標(biāo)在衛(wèi)星信號(hào)的傳輸下把信息傳到監(jiān)控中心。這種調(diào)制解調(diào)器的研發(fā)成功后，海嘯預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度得到驚人的提高，而且這種傳感器不受外界電磁波的干擾。這是從仿生學(xué)原理的角度，而開發(fā)成功的。

2.3 仿生步行機(jī)

為了擴(kuò)大人類的探索范圍，需要有機(jī)械能進(jìn)入深海、高山、森林、星球、南北極、濕地沼澤，這就需要有環(huán)境適應(yīng)性極強(qiáng)的移動(dòng)機(jī)械設(shè)備，仿生步行機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)是通過(guò)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)配合完成的。因此，之所以能夠把步行機(jī)研制成功，關(guān)鍵是模仿動(dòng)物足部的，比如動(dòng)物足部的形態(tài)、構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)、姿勢(shì)和穩(wěn)定控制，同時(shí)，足的個(gè)數(shù)是影響步行機(jī)的穩(wěn)定因素，不同的步行機(jī)足的個(gè)數(shù)各不相同，比如我國(guó)曾經(jīng)研制出了4足和6足的步行機(jī)，性能良好，步伐穩(wěn)定。

2.4 仿生蜘蛛絲制成的生物剛

眾所周知，蜘蛛吐出的蜘蛛絲又細(xì)又韌，它是通過(guò)這種絲來(lái)捕食的，科學(xué)家通過(guò)研究蜘蛛絲，運(yùn)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，把這種蜘蛛絲蛋白制作成一種令人瞠目結(jié)舌的織物，這種織物的強(qiáng)度和柔韌度特別大，達(dá)到能擋住子彈的威力，還可以降解，不污染環(huán)境，根據(jù)這種特性把這種織物命名為“生物剛”，這種“生物剛”的應(yīng)用范圍非常廣。

結(jié)語(yǔ)

分析自古以來(lái)的人類重大發(fā)明和發(fā)現(xiàn)，特別是科技日新月異的近代社會(huì)，不難察覺，放生機(jī)械設(shè)計(jì)給人類帶來(lái)了非常重大的貢獻(xiàn)，這是別的學(xué)科難以望其項(xiàng)背的。人類的天性就是善于模仿和探索，我想這也是人類能夠主宰這個(gè)星球的一個(gè)重要原因。從目前在仿生機(jī)械方面的科技成果來(lái)看，未來(lái)的仿生科技肯定會(huì)依然保持飛速的發(fā)展勢(shì)頭，人類必定會(huì)在這方面的研究領(lǐng)域堅(jiān)持不斷的走下去。未來(lái)的仿生不僅僅局限于外表、功能、性能等方面，更會(huì)向生物的原理、功能發(fā)展，探索生物的內(nèi)在機(jī)理，為人類造福。我們剛剛進(jìn)入21世紀(jì)，科技高度發(fā)達(dá)的今天，人類依然面臨了許多世界難題，比如能源、安全、疾病、環(huán)境污染、恐怖組織等，日后的仿生機(jī)械設(shè)計(jì)必定在這些領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重大的作用。

[1]孫毅.仿生學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)[J].科學(xué)信息，1997（08）:8-9.

[2]路甬祥.仿生學(xué)的科學(xué)意義與前沿[J].科學(xué)中國(guó)人，2004（04）:22-34.

[3]郭策，戴振東，孫久榮.生物機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展[J].機(jī)器人，2005，27（02）:187-192.