小議仿生機械設計

劉 陽

（江西省機械工業(yè)設計研究院，江西 南昌 330046）

仿生機械（Bionicmachinery）是模仿生物系統(tǒng)的原理來設計制造的具有生物特征的機械。仿生機械功能齊全、并且效率極高。它是建立很多基礎學科上的一門綜合學科，所以需要各種學科的相互配合組成，它幾乎涉及到現(xiàn)今的所有學科門類。因此仿生機械設計研究的內(nèi)容極其廣泛，它不僅研究物體的整體結構，也研究物體的內(nèi)在機理，只要生物界中的任何可以給人借鑒的優(yōu)勢都可加以模仿，并且深入研究，為人類的發(fā)明和發(fā)現(xiàn)作出貢獻。仿生學涉及到了生活的方方面面。生活中很多普通但是非常適用的發(fā)明都是源于模仿，例如：模仿魚兒游泳制造船舟，模仿鳥兒飛行發(fā)明飛機，模仿帶鋸齒的茅草發(fā)明木工鋸等等。從本質上看，仿生機械設計就是利用創(chuàng)新的理念與方法給人類的發(fā)明提供另一種發(fā)展模式，使人們向自然生命學習的理念，模擬自然界動物的生存方式。使人類從一個獨特的視角窺探世界，探索世界，實現(xiàn)科學技術的改革和創(chuàng)新，這是其他科學無法比擬的優(yōu)勢。

1 仿生機械設計的發(fā)展進程

在人類文明遠古時期，人們?yōu)榱松?、適應環(huán)境，不得不向自然界的生物模仿學習各種生存技能，他們對周圍環(huán)境以及各種自然現(xiàn)象進行仔細觀察。因此，人類很早就等的仿生學的應用，并進行仿生工作。所以，仿生設計具有悠久的歷史。相傳，公元前450～500年的春秋戰(zhàn)國時期的魯班，模仿茅草上面鋒利的鋸齒，發(fā)明了人類第一架帶有鋸齒的木工鋸。2300多年前，墨子和他的同門花了三年的時間，通過模仿飛鳥的形態(tài)結果而制造出第一只會飛的木鳥。1903年，美國的萊特兄弟通過多年的研究，終于發(fā)明了人類第一架飛機。一直以來，人們只是通過模仿生物來為人們服務，仿生學的萌芽在人們的各種實踐中逐漸發(fā)展起來了。但是，長期以來，人類只局限于模仿和描述生物精妙的結構和神奇的功能，并未徹底的探求其內(nèi)在原理以及本質，系統(tǒng)的仿生學理論知識體系也沒有建立起來。直到20世紀40年代，仿生學技術發(fā)展越來越受到人們的關注，同時人們在能源、航海、航天開發(fā)以及軍火武器等方面的迫切需要，仿生學的發(fā)展理念和設計觀念得到廣大科學家的認同，美國等一些發(fā)達國家在仿生機械設計上投入也非常大，同時各個基礎學科飛速發(fā)展，為近代仿生學的發(fā)展和建立提供了一系列的幫助，奠定了近代仿生學的基礎。終于在1960年的9月，第一屆仿生學討論會在美國召開，在這次會議上仿生學正式的確立為一門獨立的學科，并在此后蓬勃發(fā)展過程中，形成了多門分支的學科。從1960年起，在美國先后了四次仿生學學術討論會，之后在其他各國也進行了多次學術會議，其中我國也在1975年召開了類似的學術會議。仿生學這門新型學科得到飛速發(fā)展，并且取得可喜的成績，直到現(xiàn)在還是一個研究熱門。

2 仿生學的主要研究領域

仿生學是建立在多學科基礎上的一門學科，集各大基礎學科的特長，相關的研究領域也是非常廣闊，研究內(nèi)容極其豐富。涉及的相關內(nèi)容囊括了信息、力學、建筑、物理、醫(yī)學、化學、生物學等。一下是幾種比較熱門的仿生機械設計產(chǎn)品。

2.1 擬人型機械手

自然界各種動物的前肢外貌各異，功能不一，但是其中的基本結構卻非常相似，都是由三種類似的骨頭組成。人類的上肢非常靈活，功能強大，操作性和適應性都很強，30多塊骨骼和50多條肌肉的配合非常完美，能做出非常精確和優(yōu)美的姿勢。這種擬人型機械手正朝著人類前肢的方向發(fā)展。上世紀八十年代，一種擬人型機械手也在中國誕生了，這種機械手功能很齊全，靈活性和柔韌度都很好，具有很強的適應性。

2.2 模仿海豚的海嘯預警系統(tǒng)

海水中的魚類在幾億年的進化中，形成了獨特的水中適應能力，一個德國的科學家通過多年研究海洋動物的聲音發(fā)現(xiàn)，海豚音是比較特別的一種，他深受海豚音的啟發(fā)，經(jīng)過反復的試驗，制作出了一種全新的調(diào)制解調(diào)器，它傳播速度極快，能夠在很短的時間內(nèi)把海底的震動信息傳輸?shù)筋A警浮標，然后浮標在衛(wèi)星信號的傳輸下把信息傳到監(jiān)控中心。這種調(diào)制解調(diào)器的研發(fā)成功后，海嘯預報的準確度得到驚人的提高，而且這種傳感器不受外界電磁波的干擾。這是從仿生學原理的角度，而開發(fā)成功的。

2.3 仿生步行機

為了擴大人類的探索范圍，需要有機械能進入深海、高山、森林、星球、南北極、濕地沼澤，這就需要有環(huán)境適應性極強的移動機械設備，仿生步行機應運而生。動物的運動是通過運動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)配合完成的。因此，之所以能夠把步行機研制成功，關鍵是模仿動物足部的，比如動物足部的形態(tài)、構造、運動、姿勢和穩(wěn)定控制，同時，足的個數(shù)是影響步行機的穩(wěn)定因素，不同的步行機足的個數(shù)各不相同，比如我國曾經(jīng)研制出了4足和6足的步行機，性能良好，步伐穩(wěn)定。

2.4 仿生蜘蛛絲制成的生物剛

眾所周知，蜘蛛吐出的蜘蛛絲又細又韌，它是通過這種絲來捕食的，科學家通過研究蜘蛛絲，運用轉基因技術，把這種蜘蛛絲蛋白制作成一種令人瞠目結舌的織物，這種織物的強度和柔韌度特別大，達到能擋住子彈的威力，還可以降解，不污染環(huán)境，根據(jù)這種特性把這種織物命名為“生物剛”，這種“生物剛”的應用范圍非常廣。

結語

分析自古以來的人類重大發(fā)明和發(fā)現(xiàn)，特別是科技日新月異的近代社會，不難察覺，放生機械設計給人類帶來了非常重大的貢獻，這是別的學科難以望其項背的。人類的天性就是善于模仿和探索，我想這也是人類能夠主宰這個星球的一個重要原因。從目前在仿生機械方面的科技成果來看，未來的仿生科技肯定會依然保持飛速的發(fā)展勢頭，人類必定會在這方面的研究領域堅持不斷的走下去。未來的仿生不僅僅局限于外表、功能、性能等方面，更會向生物的原理、功能發(fā)展，探索生物的內(nèi)在機理，為人類造福。我們剛剛進入21世紀，科技高度發(fā)達的今天，人類依然面臨了許多世界難題，比如能源、安全、疾病、環(huán)境污染、恐怖組織等，日后的仿生機械設計必定在這些領域發(fā)揮著越來越重大的作用。

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