探索仿生机械学：从达·芬奇到现代科技的生物灵感
刘攀+甘祖峰+张正文+钱程摘要：通过模仿生物的形态、结构和控制原理，设计和制造功能更集中、效率更高、具有生物特性的机器。研究仿生机械的学科称为仿生力学。它是20世纪60年代末生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术相互渗透和结合而形成的一门边缘学科。 15世纪意大利画家达芬奇相信人类可以模仿鸟类的飞行，并画了扑翼机的示意图。 19 世纪出现了不同类型的单翼飞机和双翼滑翔机。 1903年，英国人W.赖特和O.赖特发明了飞机。现代生物学和控制论的出现，为后来机器与生物的类比奠定了理论基础。 1960年9月，第一届仿生学研讨会在美国召开，建立了仿生学学科。 1970年，日本假手研究会主办了第一次生物机理研讨会，建立了生物力学和生物力学两个学科，并在此基础上形成了仿生力学。仿生机械研究的主要领域是生物力学、控制体和机器人。其中，生物力学研究生命的力学现象和规律，包括生物材料力学、生物力学、生物流体力学；控制体是基于从生物学学到的知识构建的由人脑控制的工程技术系统，例如肌电假手和设备。 ETC。;机器人是由计算机控制的工程技术系统。仿生力学的主要研究课题包括拟人机械手、行走机器、假肢以及模仿鸟类、昆虫、鱼类等生物的各种机器。
关键词：仿生；机械;生物学;制造业
仿生机械模仿生物的形态、结构和控制原理，设计和制造具有更集中的功能、更高的效率和生物特性的机械。
研究仿生机械的学科称为仿生力学。它是20世纪60年代末生物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术相互渗透、结合而形成的一门边缘学科。 。
在自然界中，生物体通过自然选择和长期的自我进化，已经对自然环境产生了高度的适应。它们的感知、决策、命令、反馈、运动等功能和器官结构远比人类制造的机器更加完善。
创造模仿生物形态结构的机械技术有着悠久的历史。十五世纪的意大利达芬奇？列奥纳多·达·芬奇相信人类可以模仿鸟类飞行，并画了扑翼机的示意图。到了19世纪，各种自然科学有了很大的发展。人们利用空气动力学原理创造了几种不同类型的单翼飞机和双翼滑翔机。 1903年，美国莱特兄弟发明了飞机。
然而，长期以来，人们对于生物与机器之间的相似之处仍然缺乏了解，因此仅限于物理模仿。直到二十世纪中叶，由于原子能利用、航空航天、海洋开发和军事技术的需要，迫切要求机械装置具有适应性和高可靠性。然而，过去的各种机械装置远远不能满足要求，迫切需要寻找新的技术发展路径和设计理论。
随着现代生物学的发展，人们发现生物在能量转换、控制调节、信息处理、方向识别、导航检测等方面具有以往技术无法比拟的优势。与此同时，自然科学中出现了“控制论”理论，它是研究机器和生物体中控制和通信的科学。控制论是沟通技术系统和生物系统工作原理的桥梁，为机器和生物之间的类比奠定了理论基础。
1960年9月在美国召开了第一届仿生学研讨会，提出了“生物原型是新技术的关键”的议题，从而建立了仿生学学科，后来形成了仿生学的许多子学科。 1970年，日本假手研究会主办了第一次生物机理研讨会，从而建立了生物力学和生物力学两个学科，并在此基础上形成了仿生力学。
仿生机械研究的主要领域是生物力学、控制体和机器人。生物力学研究生命的力学现象和规律，包括生物材料力学、生物流体力学、生物力学等；控制机构和机器人是基于从生物学中学到的知识构建的工程和技术系统。由人脑控制的称为控制体（如肌电假手、设备），由计算机控制的称为机器人。仿生力学的主要研究课题包括拟人机械手、行走机器、假肢以及模仿鸟类、昆虫、鱼类等生物的各种机器。
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各种动物的前肢虽然外观和功能不同，但其内部结构基本相同。两栖类、爬行类、鸟类和哺乳动物的前肢骨由肱骨、前臂骨、腕骨和指骨组成。人类上肢具有较高的操作灵活性和适应性，机器人手正朝着接近人类上肢功能的方向发展。
人的上肢有32块骨头，由50多块肌肉驱动，具有由肩关节、肘关节、腕关节组成的27个空间自由度。肩关节和肘关节构成4个自由度来确定手掌的位置；腕关节有3个自由度来决定手掌的姿势。手的位置和姿势由肩、肘、腕确定后，为了抓握物体并进行各种精细复杂的动作，仍然依靠多关节的五指和柔软的手掌；手指由26块具有20个自由度的骨头组成，因此手指可以进行各种精细的操作。
在这么多自由度的协调配合下，肌肉可以在瞬间产生很大的力量，最大输出与自重的比例远高于人类制造的任何机器。肌肉控制机构具有多重自动控制机制和安全机制，来自大脑的指令可以到达手的各个部位。从工程技术上实现这样的功能特性和信息处理系统还是有很大难度的。
为了提高移动机械对环境的适应性，扩大人类在海底、北极、矿区、行星、沼泽等崎岖表面的活动空间，有必要研究模拟生物的行走机构。动物的运动大多是通过多关节的足来实现的。因此，动物足部的形态功能、运动和姿态稳定性控制是研究步行机的关键。
模仿鸟类、昆虫、鱼类的形态和结构特征，开发适合空中和水下活动的各种机械技术系统，是仿生机械的重要内容。自然界中飞行动物种类的数量接近所有动物的四分之三，其中鸟类600余种、昆虫35万余种占大多数。这些飞行动物为人类提高飞机性能和创造新飞机提供了自然的设计原型。鸟类和昆虫的一些特殊功能，如蚊、蝇、蜜蜂等昆虫的突然起飞、翻转翅膀的高频振动、平稳的悬挂和空中定位等，都超出了现代飞机的能力。
基于蝙蝠喉咙发出的超声波可以在空气中导航并定位空气中食物的原理，人类发明了雷达；人类根据苍蝇、蜻蜓的复眼原理，发明了用于复印机、印刷机的复眼镜片；基于响尾蛇的颊窝，基于能够感知0.001℃温度变化的原理，人类发明了跟踪追击的响尾蛇导弹；人类还利用蛙跳原理设计了蟾蜍羊；并模仿警犬高度灵敏的嗅觉，打造出用于侦查的“电子警犬”。
经过亿万年的进化，鲸鱼、海豚和各种鱼类已经形成了适应水下环境的各种体型。其中有适合快速导航的仿锤子形状；扁平形状适合水下缓慢移动；圆柱形状，适合钻入泥洞或石洞中。背鳍宽阔的剑鱼时速可达110公里，几秒钟即可达到全速，这是现代快艇无法企及的。
鱼除了具有适合航海的体形外，还具有特殊的推进和下沉、浮力的功能。人类根据水生动物尾鳍摆动推进系统的生物力学原理，设计了摆板推进系统。它不仅可以让船舶非常灵活地转向和避障，而且可以顺利通过浅水区或沙洲而不发生搁浅。
军舰水母利用感觉细胞控制鱼鳔内的气体，使身体下沉和漂浮；金枪鱼通过控制体内的生理和化学反应而沉浮。人类根据这些原理发展出了潜艇的沉浮系统。乌贼的体形虽然和鱼不太一样，但是它的运动器官却非常完整。它依靠腹部肌肉的收缩，将外套膜中的水从喷嘴中快速喷出，推动身体前进。人类根据这一原理设计了喷水艇。人类还通过模仿海豚皮肤可以降低水阻力的特性，制作出了“人造海豚皮肤”。
目前仿生力学的研究和应用只迈出了第一步，但从所取得的成果来看，利用生物界的许多有益思想来发展技术是未来发展的重要方向。
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人们不仅要研究生物系统在进化过程中逐渐形成的结构和功能，还要着眼于揭示其组织结构的原理，评价其功能关系、适应方法、生存方法、自我更新方法。通过结合生物系统中可能使用的优越结构和物理特性，人类也许能够获得比自然界形成的系统在某些特性上更完整的仿生机器。
参考：
孙欢，机械原理，北京：高等教育出版社，2000.8。
濮良贵，机械设计，北京：高等教育出版社，2000.12。
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林良明，仿生力学，上海：上海交通大学出版社，1999.4
项目：大学生创新创业资助计划
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