从自然界获取科学创新的灵感科学家聚焦仿生学

仿生学(bionics)是模仿生物的科学,即研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等特征,并将它们应用于技术系统,以改善现有的技术工程设备,创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学,是应用生物学的分支,是生物学、数学、工程技术学之间的交叉学科。仿生学的任务是研究生物系统的优异能力及产生原理,将其模式化。再运用于新技术设备的设计与制造,或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。仿生学的研究内容十分广泛,小至微观世界的分子仿生,大至宏观世界的宇宙仿生,主要包括:(1)电子仿生。模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细胞内和细胞间通信、动物间通信等,研制多种人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等;(2)控制仿生。模仿动物体内稳态调控、肢体运功控制、定向与导航等,研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等;(3)机械仿生。模仿动物的走、跑、飞、游等运动,运用机械结构和力学原理,研制昆虫步行机等机械装置,寻求车辆、舰船、飞行器的最佳设计原理;(4)化学仿生。模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等;(5)医学仿生。包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外,还在研究建筑仿生、农业仿生等。     

面向旋翼飞行器的仿生机械臂终端滑模控制

为满足不断增长的空中作业需求,提出一种面向旋翼飞行器的仿生机械臂,并针对仿生机械臂的控制问题,设计一种基于时延估计及模糊自适应增益调整的非奇异终端滑模控制器,该方法采用时延估计技术对仿生飞行机械臂系统的未知动力学参数进行估计,不需要精确的动力学模型,更具实用性.控制器的主要部分是非奇异终端滑模,在时延估计误差和外界干扰...     

科学家聚焦仿生学

仿生学(bionics)是模仿生物的科学，即研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等特征，并将它们应用于技术系统，以改善现有的技术工程设备，创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学，是应用生物学的分支，是生物学、数学、工程技术学之间的交叉学科。仿生学的任务是研究生物系统的优异能力及产生原理，将其模式化。再运用于新技术设备的设计与制造，或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。仿生学的研究内容十分广泛，小至微观世界的分子仿生，大至宏观世界的宇宙仿生，主要包括：(1)电子仿生。模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细胞内和细胞间通信、动物间通信等，研制多种人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等；(2)控制仿生。模仿动物体内稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等，研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等；(3)机械仿生。模仿动物的走、跑、飞、游等运动，运用机械结构和力学原理，研制昆虫步行机等机械装置，寻求车辆、舰船、飞行器的最佳设计原理；(4)化学仿生。模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等；(5)医学仿生。包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外，还在研究建筑仿生、农业仿生等。     

仿生机械学发展综述

仿生机械是通过研究和探讨生物机制,仿照生物外形、结构或者功能而设计改进的机械。目前仿生机械设计已广泛应用于传感器、新材料等领域,取得了很大进展。本文分别从抓取功能、移动功能、飞行功能、游动功能及其它功能的角度,对仿生机械学的发展状况做出综述。     

基于Leap Motion的仿生机械臂交互控制系统研制

针对目前仿生机械臂控制系统在自然交互性和效率方面存在的问题,该文设计了一种基于Leap Motion体感技术的仿生机械臂控制系统。采用Leap Motion对操作者手部关键点空间坐标进行采集,提出了一种新型的手部姿态算法,将空间坐标转化为手部的角度参数,控制机械臂完成同步仿生运动。实验测试结果表明,该系统可实时控制机械臂较为准确地模拟人体手臂的大多数动作。     

仿生机器人步态规划与控制系统设计

文章分析了六足仿生机器人典型直线行走步态和定点转弯步态,给出了不同步态下的机器人落足点的位置矢量表达式.根据六足步行机器人的机械结构和关节运动的协调性、准确性的控制要求,确定六足仿生机器人控制系统的设计,实现了六足仿生机器人按步态规划运动,通过测试,验证了整体设计方案的正确性和可靠性.     

仿生机械学发展综述

仿生机械是通过研究和探讨生物机制,仿照生物外形、结构或者功能而设计改进的机械。目前仿生机械设计已广泛应用于传感器、新材料等领域,取得了很大进展。本文分别从抓取功能、移动功能、飞行功能、游动功能及其它功能的角度,对仿生机械学的发展状况做出综述。     

异构双腿行走机器人机构优化设计

为了给智能仿生腿的开发提供一个理想的研究平台,提出了异构双腿行走机器人(BRHL)这一全新的类人机器人模式.阐述了BRHL的概念及研究意义,介绍了BRHL双腿机构的仿生设计.由于双腿机械结构类似,以仿生腿为例推导了BRHL的运动学模型.论述了BRHL的优化原则、目标函数及约束条件.利用处理好的正常人体步态数据对BRHL进行了优化设计.优化结果表明,BRHL能够较好地实现拟人步态,是智能仿生腿的理想研究平台.     

一种仿生机械臂空间位置反馈方法的研究

为了解决仿生机械臂空间位置反馈的问题,将眼电图作为神经反馈,应用于仿生机械臂空间位置反馈系统,通过多角度目标点重复扫视实验,分析眼球转动角度与对应眼电信号特征之间的映射规律,建立了人眼双目视觉定位模型.采用四元数法构建人眼、仿生机械臂坐标转换模型,并通过自行设计的物理实验平台进行坐标转换参数标定、计算旋转矩阵和平移向量,根据参数化定位模型将提取到的目标点转换为机械臂坐标系位置信息,从而实现了空间定位.研究结果表明,人眼双目视觉的定位模型可以有效地提取目标点坐标,为仿生机械臂提供空间位置反馈,同时也为仿生机械臂空间位置反馈提供了新思路.     

四足机器人气动人工肌肉驱动的仿生柔性机体动力学分析

基于四足生物动态步行时其柔性机体辅助腿机构的运动机理,设计了一种由气动人工肌肉、仿生脊柱、前机体和后机体组成的四足机器人仿生柔性机体.采用几何法分析仿生柔性机体运动学,建立四足机器人转向时仿生柔性机体弯曲角与气动人工肌肉长度变化间的关系,通过控制气动人工肌肉长度以控制机体弯曲.基于浮动坐标法和动量矩定理进行仿生柔性机体刚柔耦合动力学建模,对比分析了不同机体刚度下机体弯曲所需气动人工肌肉驱动力.设计仿生柔性机体弯曲控制实验系统,采用PID控制算法进行机体弯曲实验分析.四足机器人的仿生柔性机体分析,为提高其非结构化环境机动性奠定了基础.     

仿生材料设计与制备的研究进展

自然界中一些生物体的优异结构和特性给人类在不断制造和更新新型材料的过程中带来灵感和启发．根据这些生物体的优秀特征综述仿生材料的主要设计思想和方法，重点分析目前一些典型仿生材料如仿生复合材料、仿生陶瓷材料、仿生纳米材料和仿生涂层材料等设计和制备研究的新进展和存在的困难，并提出一些新的材料设计思想方法和制备的模型，对仿生材料的设计和研究等均具有指导意义，最后则展望了仿生材料的发展前景．     

农业机械领域的工程仿生研究概况与应用前景

工程仿生研究在农业机械领域有着较为广泛的应用,基于昆虫脱附减阻规律与食虫植物捕食现象的研究逐步形成应用于农业生产领域的工程仿生技术。本文从仿生农业机械脱附减阻及致灾农业昆虫滑移捕集滑板仿生制备的研究现状入手,主要分析了典型动植物非光滑表面形态结构对生理功能特性的表现规律与机理,阐述了工程仿生学在农业耕种机械及虫害机械化捕集防治领域的应用研究概况,并分析了工程仿生领域潜在的研究方向与发展前景。     

仿生原型毫-微牛级二维力测试系统研制

为满足机械仿生学研究对测试仿生原型产生的毫-微牛级力的需要,构建了二维力测试系统。系统硬件部分主要包括自行研制的平行双簧片悬臂梁及其匹配的电涡流位移传感器、实现测试功能及测试样本简便更换的附属机构、测力传感器输出信号调理模块与能够完成A/D转换的数据采集卡,基于虚拟仪器技术LabVIEW编写了数据处理与界面显示程序。为检验系统的功能,进行了系统的运行调试并测试了仿生原型产生的摩擦力、法向力、刺穿阻力。结果表明,系统能够准确采集仿生原型的毫-微牛级力,并能在界面窗口实时、直观地显示,实现了毫-微牛级力的数据信息保存,测试精度可达50μN,量程可达800 mN。因此,所设计系统能够精确测试仿生原型产生的毫-微牛级二维力,为机械仿生学研究提供了所需的测力技术与方法。     

生物盔甲及仿生鳞片状柔性防护装具研究进展

传统的防护装具存在质量大、不易变形等缺点,近年来仿生物盔甲结构的防护装具得到了较大发展,较好地解决了防护性能与柔性两者不能兼顾的问题. 本文综述典型生物盔甲的多级结构与力学性能、仿生防护装具的设计与制备,讨论现代仿生鳞片状柔性防护装具的材料与结构、防护性能与机理等相关进展以及应用前景. 指出现阶段存在的主要问题,展望高性能仿生柔性防护装具的未来发展方向.     

一种新型微型仿生机器鱼控制系统的设计

针对ICPF（ionic conducting polymer film）驱动的微型智能仿生机器鱼进行研究.以鱼类为仿生对象,通过对鱼类游动机理的仿生学研究,设计了鱼形结构的主体框架、两自由度的胸鳍和尾鳍推进机构及基于AVR单片机的机器鱼硬件控制系统.针对微型仿生鱼运动特点,设计了直线巡游和转弯运动等运动模式及自动避障功能.最后建立了仿生机器鱼实验系统,进行了仿生机器鱼驱动性能测试和推进实验,实现了仿生机器鱼的避障功能,验证了系统设计的可行性.     

韧带-骨支架仿生界面设计与制造方法

针对当前软质韧带支架与硬质骨组织通过机械固定进行韧带修复存在的应力集中与疲劳断裂问题,提出了具有仿生界面的韧带-骨支架设计与制造方法。研究了自然韧带-骨界面的微观结构,通过工程简化设计了具有仿生界面的韧带-骨复合支架,提出了韧带-骨支架仿生界面的分层制造方法,从材料、力学及微观结构方面对所制备的韧带-骨支架仿生界面进行了分析评价。结果表明,所提出的分层制造方法可在软质韧带纤维支架与硬质陶瓷骨支架之间精确制造出所设计的仿生界面,其在材料成分、力学性能及微观结构上呈现分区变化特性。后期通过骨支架与自体骨融合生长以及仿生界面的多组织再生,有望实现韧带纤维支架与自体骨骨道的生理愈合及可靠固定,从而为临床韧带修复提供一种新思路。     

基于低风阻的电动汽车造型设计

分析了当代电动车造型整体格局,确定了目标车型的基本参数.基于最小阻力体气动研究,将低阻生物作为形态仿生对象,完成了低阻车体设计.通过与传统车的对比研究,确定了整车的造型风格.之后对车头、车轮等各部位依次作了造型与气动优化,完成了整车设计.整个过程采用了气动、散热、人机布局、仿生等多元素耦合的研究方法,最终得到了一款全新低阻电动汽车造型,制作了1:1模型.经风洞试验风阻系数C_D为0.193,明显优于0.238的预估目标值.     

骨关节仿生滑液的制备设计与应用最新进展

骨关节仿生滑液是一种极具应用前景的润滑剂,为骨关节疾病的缓解治疗和工业润滑提供了新的思路.本研究详细介绍了骨关节仿生滑液的常见主要性能,如水合特性、黏度性质、非牛顿流体特性、高保湿性、生物相容性、自润滑性等.通过对关节滑液进行分子结构模拟、化学成分模拟和功能模拟来指导骨关节仿生滑液的设计制备,优化其适应性,在机体关节内充分发挥减摩润滑和防止关节软骨进一步磨损等效用,有望实现对关节炎的缓解治疗和拓宽先进工业润滑应用.基于骨关节仿生滑液的设计制备和应用目前仍停留在实验室阶段,还需进一步深入研究,以期其优异性质在人工关节和先进工业润滑领域得到良好的应用.     

胚胎型仿生硬件及其关键技术研究

介绍了胚胎型仿生硬件的概念、优点、应用领域和实现方法,对胚胎型仿生硬件的结构、系统设计方法、错误检测与自修复机制等关键技术的研究现状进行了综述,并以八进制加法计数器为例说明胚胎型仿生硬件的设计方法和自修复机制。针对目前仿生硬件面临的容错机制、细胞电路结构和设计方法都比较简单的问题,提出了基于免疫机理进行错误检测、实行分级容错、采用可进化核设计电路等解决思路。最后指出了胚胎型仿生硬件技术发展趋势,如探索新型容错机制和各种生物启发式电路体系结构、开发商业和专用胚胎型仿生硬件芯片等。     

小议仿生机械设计

本文简单讨论了仿生机械设计的来源和发展过程，介绍了几种主要的仿生机械，并且对仿生机械设计的未来发展进行简要的阐述。