小议仿生机械设计

刘 阳

（江西省机械工业设计研究院，江西 南昌 330046）

仿生机械（Bionicmachinery）是模仿生物系统的原理来设计制造的具有生物特征的机械。仿生机械功能齐全、并且效率极高。它是建立很多基础学科上的一门综合学科，所以需要各种学科的相互配合组成，它几乎涉及到现今的所有学科门类。因此仿生机械设计研究的内容极其广泛，它不仅研究物体的整体结构，也研究物体的内在机理，只要生物界中的任何可以给人借鉴的优势都可加以模仿，并且深入研究，为人类的发明和发现作出贡献。仿生学涉及到了生活的方方面面。生活中很多普通但是非常适用的发明都是源于模仿，例如：模仿鱼儿游泳制造船舟，模仿鸟儿飞行发明飞机，模仿带锯齿的茅草发明木工锯等等。从本质上看，仿生机械设计就是利用创新的理念与方法给人类的发明提供另一种发展模式，使人们向自然生命学习的理念，模拟自然界动物的生存方式。使人类从一个独特的视角窥探世界，探索世界，实现科学技术的改革和创新，这是其他科学无法比拟的优势。

1 仿生机械设计的发展进程

在人类文明远古时期，人们为了生存、适应环境，不得不向自然界的生物模仿学习各种生存技能，他们对周围环境以及各种自然现象进行仔细观察。因此，人类很早就等的仿生学的应用，并进行仿生工作。所以，仿生设计具有悠久的历史。相传，公元前450～500年的春秋战国时期的鲁班，模仿茅草上面锋利的锯齿，发明了人类第一架带有锯齿的木工锯。2300多年前，墨子和他的同门花了三年的时间，通过模仿飞鸟的形态结果而制造出第一只会飞的木鸟。1903年，美国的莱特兄弟通过多年的研究，终于发明了人类第一架飞机。一直以来，人们只是通过模仿生物来为人们服务，仿生学的萌芽在人们的各种实践中逐渐发展起来了。但是，长期以来，人类只局限于模仿和描述生物精妙的结构和神奇的功能，并未彻底的探求其内在原理以及本质，系统的仿生学理论知识体系也没有建立起来。直到20世纪40年代，仿生学技术发展越来越受到人们的关注，同时人们在能源、航海、航天开发以及军火武器等方面的迫切需要，仿生学的发展理念和设计观念得到广大科学家的认同，美国等一些发达国家在仿生机械设计上投入也非常大，同时各个基础学科飞速发展，为近代仿生学的发展和建立提供了一系列的帮助，奠定了近代仿生学的基础。终于在1960年的9月，第一届仿生学讨论会在美国召开，在这次会议上仿生学正式的确立为一门独立的学科，并在此后蓬勃发展过程中，形成了多门分支的学科。从1960年起，在美国先后了四次仿生学学术讨论会，之后在其他各国也进行了多次学术会议，其中我国也在1975年召开了类似的学术会议。仿生学这门新型学科得到飞速发展，并且取得可喜的成绩，直到现在还是一个研究热门。

2 仿生学的主要研究领域

仿生学是建立在多学科基础上的一门学科，集各大基础学科的特长，相关的研究领域也是非常广阔，研究内容极其丰富。涉及的相关内容囊括了信息、力学、建筑、物理、医学、化学、生物学等。一下是几种比较热门的仿生机械设计产品。

2.1 拟人型机械手

自然界各种动物的前肢外貌各异，功能不一，但是其中的基本结构却非常相似，都是由三种类似的骨头组成。人类的上肢非常灵活，功能强大，操作性和适应性都很强，30多块骨骼和50多条肌肉的配合非常完美，能做出非常精确和优美的姿势。这种拟人型机械手正朝着人类前肢的方向发展。上世纪八十年代，一种拟人型机械手也在中国诞生了，这种机械手功能很齐全，灵活性和柔韧度都很好，具有很强的适应性。

2.2 模仿海豚的海啸预警系统

海水中的鱼类在几亿年的进化中，形成了独特的水中适应能力，一个德国的科学家通过多年研究海洋动物的声音发现，海豚音是比较特别的一种，他深受海豚音的启发，经过反复的试验，制作出了一种全新的调制解调器，它传播速度极快，能够在很短的时间内把海底的震动信息传输到预警浮标，然后浮标在卫星信号的传输下把信息传到监控中心。这种调制解调器的研发成功后，海啸预报的准确度得到惊人的提高，而且这种传感器不受外界电磁波的干扰。这是从仿生学原理的角度，而开发成功的。

2.3 仿生步行机

为了扩大人类的探索范围，需要有机械能进入深海、高山、森林、星球、南北极、湿地沼泽，这就需要有环境适应性极强的移动机械设备，仿生步行机应运而生。动物的运动是通过运动系统的调节配合完成的。因此，之所以能够把步行机研制成功，关键是模仿动物足部的，比如动物足部的形态、构造、运动、姿势和稳定控制，同时，足的个数是影响步行机的稳定因素，不同的步行机足的个数各不相同，比如我国曾经研制出了4足和6足的步行机，性能良好，步伐稳定。

2.4 仿生蜘蛛丝制成的生物刚

众所周知，蜘蛛吐出的蜘蛛丝又细又韧，它是通过这种丝来捕食的，科学家通过研究蜘蛛丝，运用转基因技术，把这种蜘蛛丝蛋白制作成一种令人瞠目结舌的织物，这种织物的强度和柔韧度特别大，达到能挡住子弹的威力，还可以降解，不污染环境，根据这种特性把这种织物命名为“生物刚”，这种“生物刚”的应用范围非常广。

结语

分析自古以来的人类重大发明和发现，特别是科技日新月异的近代社会，不难察觉，放生机械设计给人类带来了非常重大的贡献，这是别的学科难以望其项背的。人类的天性就是善于模仿和探索，我想这也是人类能够主宰这个星球的一个重要原因。从目前在仿生机械方面的科技成果来看，未来的仿生科技肯定会依然保持飞速的发展势头，人类必定会在这方面的研究领域坚持不断的走下去。未来的仿生不仅仅局限于外表、功能、性能等方面，更会向生物的原理、功能发展，探索生物的内在机理，为人类造福。我们刚刚进入21世纪，科技高度发达的今天，人类依然面临了许多世界难题，比如能源、安全、疾病、环境污染、恐怖组织等，日后的仿生机械设计必定在这些领域发挥着越来越重大的作用。

[1]孙毅.仿生学的发展现状与未来[J].科学信息，1997（08）:8-9.

[2]路甬祥.仿生学的科学意义与前沿[J].科学中国人，2004（04）:22-34.

[3]郭策，戴振东，孙久荣.生物机器人的研究现状及其未来发展[J].机器人，2005，27（02）:187-192.