仿生機械與生物制造

劉攀+甘祖鋒+張正文+錢程

摘 要：模仿生物的形態、結構和控制原理設計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。研究仿生機械的學科稱為仿生機械學，它是20世紀60年代末期由生物學、生物力學、醫學、機械工程、控制論和電子技術等學科相互滲透、結合而成的一門邊緣學科。15世紀意大利畫家達·芬奇認為人類可以模仿鳥類飛行，并繪制了撲翼機圖。19世紀出現了不同類型的單翼機和雙翼滑翔機。1903年，英國的W.萊特和O.萊特發明了飛機。以后近代生物學和控制論出現，為機器與生物可以類比奠定了理論基礎1960年 9 月在美國召開了第一屆仿生學討論會，確立了仿生學學科。1970年日本人工手研究會主辦召開了第一屆生物機構討論會，確立了生物力學和生物機構學兩個學科，在這個基礎上形成了仿生機械學。仿生機械研究的主要領域有生物力學、控制體和機器人。其中生物力學研究生命的力學現象和規律，包括生體材料力學、生體機械力學和生體流體力學；控制體是根據從生物了解到的知識建造的用人腦控制的工程技術系統，如肌電假手、裝具等；機器人則是用計算機控制的工程技術系統。仿生機械學的主要研究課題有擬人型機械手，步行機、假肢以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機械。

關鍵詞：仿生；機械；生物；制造

仿生機械是模仿生物的形態、結構和控制原理，而設計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。

研究仿生機械的學科稱為仿生機械學，它是二十世紀60年代末期，由生物學、生物力學、醫學、機械工程、控制論和電子技術等學科相互滲透、結合而形成的一門邊緣學科。

在自然界中，生物通過物競天擇和長期的自身進化，已對自然環境具有高度的適應性。它們的感知、決策、指令、反饋、運動等機能和器官結構，遠比人類所曾經制造的機械更為完善。

模仿生物形態結構創造機械的技術有悠久的歷史。十五世紀，意大利的列奧納多？達芬奇認為人類可以模仿鳥類飛行，并繪制了撲翼機圖。到十九世紀，各種自然科學有了較大的發展，人們利用空氣動力學原理，制成了幾種不同類型的單翼機和雙翼滑翔機。1903年，美國的萊特兄弟發明了飛機。

然而，在很長一段時間內，人們對于生物與機器之間到底有什么共同之處還缺乏認識，因而只限于形體上的模仿。直到二十世紀中葉，由于原子能利用、航天、海洋開發和軍事技術的需要，迫切要求機械裝置應具有適應性和高度的可靠性。而以往的各種機械裝置遠遠不能滿足要求，迫切需要尋找一條全新的技術發展途徑和設計理論。

隨著近代生物學的發展，人們發現生物在能量轉換、控制調節、信息處理、辨別方位、導航和探測等方面，有著以往技術所不可比擬的長處。同時在自然科學中又出現了“控制論”理論，它是研究機器和生物體中控制和通信的科學。控制論是溝通技術系統和生物系統工作原理之間的橋梁，奠定了機器與生物可以類比的理論基礎。

1960年9月在美國召開了第一屆仿生學討論會，提出“生物原型是新技術的關鍵”的論題，從而確立了仿生學學科，以后又形成許多仿生學的分支學科。1970年日本人工手研究會主辦了第一屆生物機構討論會，從而確立了生物力學和生物機構學兩個學科，在這個基礎上形成了仿生機械學。

仿生機械研究的主要領域有生物力學、控制體和機器人。生物力學研究生命的力學現象和規律，包括生體材料力學、生體流體力學、生體機械力學；控制體和機器人是根據從生物了解到的知識，建造的工程技術系統。用人腦控制的稱為控制體（如肌電假手、裝具），用計算機控制的稱為機器人。仿生機械學的主要研究課題有擬人型機械手、步行機、假肢，以及模仿鳥類、昆蟲和魚類等生物的各種機械。

各種動物的前肢從外形和功能上看雖然不盡相同，但它們的內部構造卻基本一致。兩棲類、爬行類、鳥類和哺乳類動物的前肢骨骼都是由肱骨、前臂骨、腕骨和指骨組成的。人的上肢具有較高的操作性靈活性和適應性，機械手正朝著與人上肢功能接近的方向發展。

人的一個上肢有32塊骨骼，由50多條肌肉驅動，由肩關節、肘關節、腕關節構成27個空間自由度。肩和肘關節構成4個自由度，以確定手心的位置；腕關節有3個自由度，以確定手心的姿態。手由肩、肘、腕確定位置和姿態后，為了掌握物體作各種精巧、復雜的動作，還要靠多關節的五指和柔軟的手掌；手指由26塊骨骼構成20個自由度，因此手指可作各種精巧操作。

在這么多自由度的協調配合下，肌肉在瞬間運動下可發出很大的力量，最大出力與自重之比遠較人類制造的任何機器都高得多。肌肉的控制機構具有多重自動控制機構和安全機構，從腦部來的指令可以到達手的各個部分。從工程技術上實現這樣的機能特征和信息處理系統縣現在還是很困難的。

為了提高移動機械對環境的適應性，擴大人類在海底、北極、礦區、星球和沼澤等崎嶇不平地面的活動空間，需要研究模擬生物的步行機構。動物的運動多是通過多關節足來實現的，因此動物足的形態機能、運動和姿體穩定控制等是研究步行機的關鍵。

模仿鳥類、昆蟲和魚類的形態構造特點，研制各種適宜在空中、水下活動的機械技術系統，是仿生機械的重要內容。自然界能飛的動物種類接近全部動物的3/4，其中占主要地位的有600多種鳥類和35萬多種昆蟲。這些飛行動物為人類改進飛機性能和制造新型飛行器提供了天然的設計原型。鳥類和昆蟲的某些特殊機能，如蚊蠅和蜜蜂等昆蟲靈活機動的陡然起飛，翻轉翅翼的高頻振動，光面懸垂和空中定位等，都是現代飛機所做不到的。

根據蝙蝠喉頭發出的超聲波可在空中導航和對空中食物定位的原理，人類發明了雷達；根據蒼蠅、蜻蜓的復眼原理，人類發明了復印機和印刷機的復眼透鏡；根據響尾蛇的頰窩能感覺到0.001℃的溫度變化的原理，人類發明了跟蹤追擊的響尾蛇導彈；人類還利用蛙跳的原理設計了蛤蟆夯；模仿警犬的高靈敏嗅覺制成了用于偵緝的“電子警犬”。

鯨、海豚和各種魚類經過億萬年的進化，形成了適應于水中環境的多姿體形。其中有適應于快速航行的仿錘形；適應于水底緩慢運動的平扁形；適應于穿入泥土或石洞間的圓筒形。脊鰭闊大的劍魚速度可達110公里/時，并能在幾秒之內就可達到全速，這是現代快艇所不及的。

魚類除了有適于航行的形體外，同時還有特殊的推進和沉浮機能。人類根據水生動物尾鰭擺動式推進系統的生物力學原理，設計出一種擺動板推進系統。它不僅可以使船只十分靈活地轉彎和避開障礙，還可以順利地通過淺水域或沙洲而不擱淺。

僧帽水母用感覺細胞控制浮鰾內的氣體，使身體沉浮；金槍魚靠控制體內一種生理化學反應而沉浮。人類根據這些原理研制成潛水艇的沉浮系統。烏賊的體型雖然和魚不太相同，但運動器官十分完善，它靠收縮腹肌把外套膜中的水從噴嘴迅速射出，借此推進身體前進。人類根據這個原理設計出噴水船。人類還模仿海豚皮膚可減少水阻的特點，制成了“人工海豚皮”。

現在仿生機械學的研究和運用僅僅邁出了第一步，但從所取得的成果看，利用生物界的許多有益構思來發展技術，是未來發展的一個重要方向。

人們不僅要研究生物系統在進化過程中逐漸形成的那些結構和機能，更要著重揭示其組織結構的原理，評定其機能關系、適應方法、存活方法和自我更新方法等。把生物系統中可能應用的優越結構和物理學的特性結合使用，人類就可能得到在某些性能上比自然界形成的體系更為完善的仿生機械。

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