仿生機械學概論(1)(編輯修改稿)
2025-05-28 22:31 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 力學仿生 主要通過研究模擬生物的機械原理以及結構力學和流體力學的原理，構思和研究新的系統(tǒng) (包括機器、裝置、力學結構以及人工臟器等 )。例如，人體的大多數(shù)肌肉都是以“額頑肌”的形式成對地排列的。這種利用兩個產(chǎn)生拉力的“單向力裝置”組成的雙向運動機械系統(tǒng)，遠比工程技術上慣用的一個推拉“雙向動力裝置”組織的系統(tǒng)優(yōu)越得多。對額頑肌的模擬，圓滿地解決了各種“機器人”、“步行機”等的行走機構的設計。此外，人們還根據(jù)魚類、鳥類的身體形狀的流體力學特性，研制了各種各樣的船舶和空間飛行物；根據(jù)蛋殼、烏龜殼、貝殼等彎曲表面，發(fā)明了建筑物上的酶殼結構。 19 4，化學仿生 主要是通過研究模擬生物酶的催化作用、生物的化學合成、選擇性膜和能量轉換等，來構思和創(chuàng)造高效催化劑等化學產(chǎn)品、化學工藝以及新材料、新能源等。例如，人們?yōu)橛钪骘w船設計的所謂“宇宙綠洲” —生態(tài)循環(huán)系統(tǒng)，就是通過模擬生物“電池”、光合作用轉換的原理以及自然生態(tài)系統(tǒng)所創(chuàng)造出的。此外，在通過化學途徑的人工模擬酶、人工模擬生物固氯、人上模擬光合作用等方面，也正在醞釀著新的重要突破。 20 5．技術仿生 在隧道工程中得到廣泛使用的“構質(zhì)施工法”也是以生物為老師作出的發(fā)明。 1820年，英國要在泰晤士河底建造隧道，由于土質(zhì)條件很差，用傳統(tǒng)的支護開挖法，因河底松軟、滲水而易塌方，施工極為困難，工程師布臺內(nèi)感到一籌莫展。一天，他在室外無意中發(fā)現(xiàn)有只蠕蟲在其外殼保護下使勁地往堅硬的橡樹皮里鉆。這使他恍然大悟：河下施工也可以象這種小蟲找個保護殼 … 用空心鋼柱打入河底，以此為“構盾”，邊掘進邊延伸，在構盾的保護下進行施工，此即“構盾施工法”。 21 6．原理仿生 蘇聯(lián)科學院動物研究所研究了地球上許多動物的運動后，模仿其運動原理設計研制了各種新穎的交通工具：按蜘蛛的爬行原理設計出軍用越野車；根據(jù)蛇的爬行原理設計并改善了履帶車的噪聲；利用企鵝奔跑的原理設計了雪地汽車；甚至還準備參照袋鼠的運動方式來設計一種可以跳越障礙的越野車。 22 23 1．生物材料力學和機械力學 它以骨或軟組織 (肌肉 、 皮膚及與交通事故有關的腦組織等 )作為對象 ， 通過模型實驗方法 ， 測定其應力 、 變形特性 ， 求出應力分布規(guī)律 。 此外 ， 還可根據(jù)骨骼 、 肌肉系統(tǒng)力學的研究 ， 對骨和肌肉的相互作用等進行分析， 目前 ， 已發(fā)表了關于腦殼 、 脊椎骨 、 骨盆 、 髖關節(jié) 、膝關節(jié)等許多研究論文 。 另外 ， 生物的形態(tài)通過億萬年的進化 ， 往往具有最優(yōu)的評價函數(shù) ， 例如人體骨骼系統(tǒng)具有最少材料 、 最大強度的構造形態(tài) 。 這些最優(yōu)評價函致是物質(zhì)的數(shù)量和能量消耗量的函數(shù) ， 所以按這種最優(yōu)論的觀點來學習 、 模擬建造工程結構系統(tǒng)是很有價值的 。 六、仿生機械學的研究動向 24 2．生物流體力學 它主要涉及生物體的循環(huán)系統(tǒng) 。 雖然很早就有人把動脈中的脈動波作為彈性管中的波動傳播問題進行處理分析 ， 已有血流動力學的專著出版 ， 但是這部分仍有許多問題未解決 ， 特別是因為它的研究與心血管疾病關系十分密切 ， 所以已成為一門很受關注的學科 。 25 3．生物運動學 生物的運動十分復雜 ， 因為它與骨骼和肌肉的力學現(xiàn)象 、 感覺反饋及中樞控制牽連在一起 。 雖然各種動物的運動或人體各種器官的運動測定與分析都是重要的基礎研究 ， 但是在仿生機械學中 ， 特別重視人體上肢運動及步行姿態(tài)的測定與分析 ， 因為人體上肢運動機能非常復雜 ， 而下膠運動分析對動力學研究十分典型 。 另外 ， 若能從包含有力學問題的綜合觀點對復雜的動作和作業(yè)進行分析 ， 對下述的康復工程研究將有很大幫助 。 26 4．生物運動能量學 如同生物形態(tài)存在最優(yōu)性一樣 ， 節(jié)約能量消耗量也被認為是生物中的基本原理之一 。 從運動能量消耗最優(yōu)性的觀點對生物體的運動形態(tài) 、 結構和功能等進行分析 、研究 ， 特別是對有關能量的傳遞與變換的研究 ， 是很有意義的 。 5．康復工程學 在與仿生機械學有關的康復工程學科中 ， 包括有如動力假肢 、 電動車椅子 、 病殘者用環(huán)境控制系統(tǒng)等 。 它沙及多種學科與技術 ， 例如
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