诱人的仿生机械学

仿生机械学及研究动向

　　如果把传统的机械称之为一般机械的话，仿生机械应该是指添加有人类智能的一类机械。在物理和机械机能方面，一般机械要比人类的能力要强许多，但在智能方面却比人类要低劣的多。因此，若把人——机结合起来，就有可能使一般机械进化为仿生机械。从这一角度出发，可以认为仿生机械应该是既具有像生物的运动器官一样精密的条件，又具有优异的智能系统，可以进行巧妙的控制，执行复杂的动作。

　　仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。它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化。

　　从习惯上说，可把仿生机械学的各个研究动向归纳如下：

　　（1）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。

　　（2）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。

　　（3）生物运动学。生物的运动十分复杂，因为它与骨骼和肌肉的力学现象、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。

　　（4）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——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。

　　生物形态与工程结构

　　前面我们提到过，经过了亿万年的进化，生物的形态是最优的。形形色色的生物结构中，有许多巧妙最佳利用力学原理的实例，让我们从静力学的角度出发，来观察一下生物形体结构对人类工程设计产生的影响。

　　自然界有许多高大的树木，其挺直的树干不但支撑着本身的重量。而且还能抵抗大风及强烈的地震。这除了得益于它的粗大树干外，还靠其庞大根系的支持。一些巨大的建筑物便模仿大树的形态来进行设计，把高楼大厦建立在牢固可靠的地基上。

　　植物的果实担负着延续种族的任务，亿万年的进化使其果实多呈圆形。圆的外形使它们在较小的空间占用最大的体积来存贮营养，同时使它们对外界的压力如风力等有较大的抵抗力。如花生、核桃等还有着坚硬的外壳，可以保护里面相对娇嫩的果仁。同样地，动物也具有对自然力的适应性，如蛋壳、乌龟壳和贝壳等，都巧妙利用了一定的力学原理。如果你握住一个鸡蛋，即使加力挤压，也很难把它弄破。原来蛋壳的拱形结构与其表面的弹性膜一起构成了预应力结构，在工程上称为薄壳结构。

　　自然界中巧妙的薄壳结构具有各种不同形状的弯曲表面，不仅外形美观，还能够承受相当大的压力。在建筑工程上，人们已广泛采用这种结构，如大楼的圆形屋顶、模仿贝类制造的商场顶盖等。

　　动物界中，辛勤的蜜蜂被称为昆虫世界里的建筑工程师。它们用蜂蜡建筑极规则的等边六角形蜂巢，无论从美观和实用角度来考虑，都是十分完美的。它不仅以最少的材料获得了最大的利用空间，而且还以单薄的结构获得了最大的强度。

　　在蜂巢的启发下，人们仿制出了建筑上用的蜂窝结构材料，具有重量轻、强度和刚度大、绝热和隔音性能良好的优点。同时这一结构的应用，已远远超出建筑界，它已应用于飞机的机翼，宇宙航天的火箭，甚至于我们日常的现代化生活家具中。

　　生物形态与运动

　　现代的各种交通工具，如汽车、飞机、舰船等，均需要一定的工作条件，若在崇山峻岭或沼泽中则无法工作。但自然界中有各种各样的动物，在长期残酷的生存斗争中，它们的运动器官和体形都进化得特别适合在某种恶劣环境下运动，并有着惊人的速度。

　　昆虫是动物界中跳跃的能手，许多昆虫的后腿特别发达，跳跃的本领异常高超。

　　就目前研究所知，叩头虫和蚤类为动物界跳跃的冠亚军获得者，它们的跳跃高度一般为其体长的几十倍、而且无须助跑，就会产生极高的加速度。

　　而集跑、跳、飞于一体的全能冠军，则非蝗虫莫属。它有着异常灵活、机动的运动能力，给农作物带来巨大灾害。但若抛开这一点，单独研究其运动形态，则会给我们以很大的启迪。如果研究出了它的运动奥秘，则对目前飞机的改进有很大的促进意义，倘若离开了跑道，喷气式巨型飞机是无法起飞的，但蝗虫则完全用不着这些。

　　动物界中的跳跃能手还有羚羊和袋鼠，这在非洲及澳大利亚的大草原上是非常著名的。带轮的汽车在沙漠上行走时会异常困难，但羚羊和袋鼠却是如鱼得水。它们是依靠其强有力的后肢在沙漠上跳跃前进的，现在已研制出一种“跳跃机”，在坎坷不平的田野或沙漠地区均可通行无阻。它没有轮子，是靠四条腿有节奏的相互协调的起落来前进的。

　　但是世界上还有许多地方，即使你拥有强壮有力的腿，也是无法行进的，如南北极的茫茫雪原，杂草丛生的泥泞的沼泽地区等。漫步在南极茫茫雪原的绅士——企鹅，给了人类以极大的启示。它们在紧急情况时，可以以 30公里的时速飞跑，这是因为经过两千多万年的进化，企鹅的运动器官已变得非常适宜于雪地运行。它只要扑倒在地，把肚子贴在雪的表面上，蹬动双脚滑雪，便可飞速向前。受它的启发，人们已研制出一种越野汽车，可在雪地与泥泞地带快速前进，速度可达50公里／小时。

　　人类在水上航行的历史十分悠久，但活动能力却非常有限，远远不如人类在空中飞行和陆地上行走所取得的成就。许许多多鱼类的航速可轻而易举地超过目前世界上最先进的舰艇。其原因也是来自于大自然无所不在的进化改革，是亿万年来鱼儿为了适应水中生活，便于追逐食物和逃避敌害的进化结果。

　　首先，鱼类的航行速度得益于其理想的流线型体形。这种体形使得它们受到摩擦阻力和形状阻力的共同作用尽可能的减小。另外人们还发现，鱼在水中运动时，由于尾部的摆动，产生一种弯曲波，使鱼的运动速度大为提高。另外，有些鱼的身体表面还附有一种粘液，这种粘液也能降低鱼在水中运动的摩擦阻力。

　　目前，有许多新型船只是按照鲸和海豚的体形轮廓及其身体各部比例而建造的，据称航速大为提高。

　　另外，最新的研究成果表明，海豚之所以游得快，不仅仅是因为其流线型体形，还由于其特殊的皮肤构造。

　　大家知道，物体在水中运动时受到的阻力的大小，与流经运动物体表面的水的流动形式有关，若水接触的是钢铁等坚硬牲的表面，则由于水流产生混乱现象，水的阻力会随之增加；若水接触的是柔软且具有极微细凹凸面的物体表面，则由于物体表面本身具有吸收和消除产生水流混乱的现象，所以水的阻力会下降。

　　海豚的皮肤可分为三层。第一层是光滑柔软的表皮层；第二层是白色的真皮层，它生有无数的乳头状、中空的突起物。且伸向黑色的表皮里面；第三层是很厚的脂肪层，很有弹性。由于这种构造，使海豚在水中游泳时，皮肤能顺从水的压力而波动，阻力小，摩擦力也小，其航速就快。人们模仿海豚的皮肤构造，用橡胶制成人造海豚皮——片流膜，装在潜水艇上，使湍流减少了50％，大大提高了潜水艇航行的速度。

　　随着航空知识和对飞行生物有关知识的增加，人们在长期的飞行实践中，对飞机的机身、机翼和发动机进行了不断的改进，并取得了较高水平。目前超音速飞机的时速已达到三千六百多公里，它已经接近声音传播速度的三倍；军用歼击机已能飞到30，000米以上的高空，爬升的速度也能达到200米／秒；军用轰炸机的航程可达I2，000公里以上。飞机载重能力也有了较大提高，大型运输机虽然自重已达250吨以上，还可以运载80多吨物资。

　　尽管如此，动物在千万年的自然淘汰和进化过程中所掌握的飞行本领，仍值得人类学习和借鉴。

　　现代飞机的起飞和降落都需要很长的跑道，即使是直升机也要像篮球场一样大小的空地，作为起飞和降落的基础。但飞行动物均不需任何空地和跑道，能在刹那间腾空而起远走高飞。

　　目前飞机的燃料消耗非常大，一架“波音747”飞机在运输50吨货物时，要消耗100吨轻油，是所载货物重量的两倍。但鸟类在长途飞行中却能充分利用空气的浮力，有时滑翔，有时振翅飞行，非常节省动力、如果按照鸟类动力消耗的情况来计算，目前的轻便飞机在飞行32公里之后仅需0.5升的汽油，但实际上要消耗四升。

　　因此，对飞行生物飞行本领的研究还需要仿生学家做出进一步的努力，从它们身上可以发现一些尚未被人类掌握的空气动力学规律，这对于我们研制及改进飞器，是非常有益的。

　　21世纪的机器人技术

　　机器人这一名词最早出现于19世纪，但直到本世纪50年代后期，机器人才走出了科学幻想，进入了科学技术领域。那时，在市场上出现了两种机器人，一种取名为“万能自动机械”，一种取名为“通用搬运机械”，并构成了今天机器人发展的基型。

　　一般说来，可以从两个角度来对机器人进行定义。从工程的角度出发，认为它属于一种自动机械，具有对环境的通用性和实用性，操作程序简便。而且可以实现独立的随意的运动。若从仿生学的角度看，则认为它是具有近似人类相当部分功能的机械，它能执行与人类似的动作，且具有类似人的某种智能，如记忆、再现、逻辑运算、学习、判断、感知等。

　　机器人由硬件和软件两大部分组成。为了使机器人能够从事复杂的工作，执行与人相似的一些动作，必须要使它的机构和功能都具有很大的灵活性。同时，还要有能对其运动器官进行巧妙控制的软件，两者互相配合，协调运行。

　　从50年代以来，机器人技术已有了很大的进步，按照其功能和类型的发展，大体上可把它划分为以下三个时期：

　　第一代机器人，是使用存贮和程序控制的自动机器，在60年代初问世，即目前能够在部门实用的重复型机器人，常称为工业机器人。它的动作包括示教、存贮、再现和操作四个步骤。它可以通过示教输入操作程序，在存贮装置内存贮一系列的操作内容，并利用存贮内容的再现，自动地重复进行工作的一种通用自动搬运机械。

　　它存在的问题包括：

　　（1）传感器与反馈问题。它一般没有触觉及反馈系统，不能用触觉去发现物体放置的位置与姿态，所以不能做出灵巧的动作。

　　（2）视觉问题。由于它没有眼睛，不能辨别物体的种类，不能看出零件安装位置，也不能进行视觉检查。

　　（3）适应能力问题。由于它只按事先存贮的程序动作，不能随环境和作业对象的变化而自动更改作业内容，几乎不能把复杂的装配作业编成程序。

　　（4）运动自由度问题。一般来说，这类机器人的运动自由度小，手的柔软性差，没有移动的脚。

　　这种机器人的最大优点在于能把人类从危险、恶劣、单调的工作环境中解放出来，做到工业生产的自动化与省力化，目前仍然得到广泛的应用。

　　第二代机器人与第一代的根本区别在于其智能性。它具有感觉识别又具有某些思维功能，并由这些功能控制动作，是具有与人类相类似智能的自动机械。其发展主要开始于70年代，主要用在各种对人有害的环境中作业，它能在操作人员操纵下进行工作，或按照人的指令在未知环境中从事高水平的作业。一般把前者称为近距离操纵型机器人，后者称为远距离操纵型机器人。

　　假如说在60年代主要用示教重复型机器人来做“放”与“拿”工作，那么到了70年代，开始用智能机器人进行“寻找”与“发现”对象物，今后的十年将是机器人大发展的十年，智能机器人的时代已经到来。

　　目前世界上已有几万台机器人，其品种和功能多种多样，应用范围相当广泛，可归纳为：

　　（1）危险环境条件替代作业。原子能生产、宇宙开发、空间飞行、海洋开发、军事工程、救火等领域。

　　（2）社会福利。假肢、高级作业程序及语言控制的假肢、医疗机器人、家用机器人等。

　　（3）生产自动化领域。工业机器人，装配、检验、系统管理机器人等。

　　总之，机器人的研究领域相当广泛。可以从仿生学的角度对人和动物肢体的运动学和动力学进行研究，使机器人具有类似生物运动的机构、也可以从生理学的角度对生物体的视觉、触觉和听觉系统进行研究，并作出其物理模型，以便研制机器人的理想信息处理系统；还可以采用电子计算机，进行机器人智能信息处理和肢体运动控制的研究等。