仿生機械學概論(1)(已修改)
2025-05-13 22:31 本頁面
【正文】 仿生感知與先進機器人技術 機電工程學院 機電控制及自動化系 姚智慧 電話： 045186417118（ O） 13936139091 Email: 1 第 1章 仿生學系統(tǒng)概論 仿生學的定義 仿生機械學的含義 仿生機械學的研究動向 機器人技術概述 機器人的發(fā)展 2 一、仿生學的定義 自古以來，自然界就是人類各種技術思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉。種類繁多的生物界經(jīng)過長期的進化過程，使它們能適應環(huán)境的變化，從而得到生存和發(fā)展。 魚兒在水中有自由來去的本領，人們就模仿魚類的形體造船，以木槳仿鰭。相傳早在大禹時期，我國古代勞動人民觀察魚在水中用尾巴的搖擺而游動、轉彎，他們就在船尾上架置木槳。通過反復的觀察、模仿和實踐，逐漸改成櫓和舵，增加了船的動力，掌握了使船轉彎的手段。這樣，即使在波濤滾滾的江河中，人們也能讓船只航行自如。 3 一、仿生學的定義 4 鳥兒展翅可在空中自由飛翔。據(jù) 《 韓非子 》 記載魯班用竹木作鳥 “成而飛之，三日不下 ”。然而人們更希望仿制鳥兒的雙翅使自己也飛翔在空中。早在四百多年前，意大利人利奧那多 達 芬奇和他的助手對鳥類進行仔細的解剖，研究鳥的身體結構并認真觀察鳥類的飛行。設計和制造了一架撲翼機，這是世界上第一架人造飛行器。 從上面這些內(nèi)容，我們可以看出，人類在運用自己創(chuàng)造本領的同時，也回歸了自然，通過模擬自然的一些生物原理，并且加以組合，利用，最終實現(xiàn)了我們想要的功能。那么，這一切要歸功于，或者劃分在什么領域呢？其實這就是自古以來就有的，仿生學。 一、仿生學的定義 仿生學：模仿生物系統(tǒng)的原理以建造技術系統(tǒng)，或者使人造技術系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的科學。 根據(jù)定義，仿生學是研究和建立主要涵蓋生物電子學、生物傳感器、生物仿真材料、生物物理學、生物電機和生物大分子的自裝配等學科內(nèi)容的人工系統(tǒng)，使之具有生命系統(tǒng)的某些特性的一門交叉學科。 5 一、仿生學的定義 仿生學 (bionics)這一名詞是由生物學 (biology)和電子學 [electronics)結合而產(chǎn)生的新名詞，實際上它是源出于希臘語中表示生命單位的bion一詞。 若以電子學為中心來考慮，就構成仿生電子學(bioelectronics)， 若以機械學為中心來考慮，則構成了仿生機械學 (biomechanisms)。 6 二、仿生學的研究對象 研究生命的結構、能量轉換和信息流動的過程，并利用電子、機械技術對這些過程進行模擬，從而改善現(xiàn)有的和創(chuàng)造出嶄新的現(xiàn)代技術裝置。 仿生學已成為現(xiàn)代技術發(fā)明的重要途徑之一。“生物原型， —新技術的鑰匙”這句著名格言，恰當?shù)孛枋隽爽F(xiàn)代創(chuàng)造發(fā)明的這一重要途徑。 7 生活中的 仿生學 鳳蓬草 輪子 魚尾 船櫓 人眼晶狀體 透鏡 生物電 電池 鳥 飛機 8 9 例如 ， 人的細胞有 100— 150億個神經(jīng)元 ， 但每小時約有 1000個神經(jīng)元發(fā)生障礙 ， 一年之內(nèi)就差不多有 900萬個神經(jīng)元喪失機能 。 然而 ， 令人驚嘆的是 ， 大腦并沒有因此而喪失其各種機能 。 可是 ， 電子計算機卻不行 ， 只要其中任何一個元件損壞或發(fā)生故障 ， 便會影響整個系統(tǒng)的工作性能 。 極而言之 ， 在許多方面 ， 電子計算機甚至不及昆蟲的區(qū)區(qū)之腦 。 螳螂能在 ， 計算出飛掠眼前的小昆蟲的速度 、 方向和距離 ， 這是大型電子跟蹤系統(tǒng)所望塵莫及的 。 二、仿生學的研究對象 通過對人腦機制 (欲望、感情、睡眠、學習和記憶等 )的研究，出現(xiàn)了利用計算機的教育系統(tǒng)、人工神經(jīng)元、電子腦，制造與人腦能力相同的信息處理系統(tǒng) ——人工腦 通過研究生物眼模型和視覺機制 (如人眼、蛙眼、貓眼、鷹眼和蟹眼等 )，研制視網(wǎng)膜、文字讀取裝置、盲人假眼及應用于機器人的人工眼； 通過對生物聽覺模型和機制的研究 (如人耳
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