虎纹捕鸟蛛水平面运动行为

动物运动行为的研究对运动学的分析以及仿生机器人的研制有着重要意义. 运用动物运动行为观测系统获取了虎纹捕鸟蛛(Ornithoctonus huwena)水平面直线运动的运动学信息,如步足的运动状态、质心的运动和步足各关节转动角度的变化等信息. 结果表明: 虎纹捕鸟蛛以一侧的步足1 和3 与对侧的步足2 和4 为一组运动相, 两组运动相在运动中相互交替运动相位. 运动速度的提高主要依靠于步频的提高来实现, 并且运动稳定性优于昆虫. 质心的速度和高度周期波动, 步足相位交替时质心的高度和速度均较高, 稳定运动状态下质心的高度和速度均较低. 步足4 偏向角的变化最小, 有利于对身体的驱动; 由于步足1 的探寻功能使得运动中其各关节转动角度的变化不定. 上述结果对仿生机器人的设计和步态规划有所启示.     

动物机器人:研究基础、关键技术及发展预测

动物机器人利用动物固有的感知、运动、能量供应和神经系统,通过神经信息干预,实现对生物运动行为的控制.这类特殊的机器人在运动稳定性、灵活性、环境适应性和自身运动能量供应等方面保持了天然的优势,具有重要的应用价值;同时,该研究涉及动物运动神经网络及外部调控信息与固有运动神经信息的交互作用机制等重大理论问题,是神经科学和机器人交互领域的重要研究方向.该研究高度融合了动物智能和机器智能,涉及动物行为学、神经科学、微机电技术、力学和通信技术等,是多学科交叉融合的前沿领域.本文回顾动物运动神经系统与运动行为调控之间的关系,系统梳理不同动物机器人的运动调控方法及系统构成,总结活动在水、陆、空不同空间中典型动物运动行为调控的研究进展,归纳分析动物机器人研究在运动调控方法、微电极植入、微刺激系统、通信导航和能量供应等研究中面临的关键问题,并预测未来的发展趋势.     

壁虎的运动行为与动力学研究: 竖直面内运动方向的影响

壁虎在竖直面内不同方向运动时运动行为的观察和运动作用力的测定不仅能揭示出壁虎运动的力学规律, 也可以进一步获得仿生机器人控制设计的灵感. 用三维力传感器阵列测定大壁虎在竖直面内运动的三维作用力, 并结合高速摄像讨论在自下向上, 自上向下和自右向左3 个不同方向运动时大壁虎的运动行为及其脚掌的功能. 结果表明大壁虎的运动速度随步频的提高而增加, 但与脚掌的黏附时间与脱附时间无明显相关性. 大壁虎各脚掌产生相应的作用力以平衡重力和翻转矩, 并为运动提供必要的推力; 位于身体质心上方的脚掌在支撑身体、运动驱动、运动平稳等方面都起到关键作用; 竖直面内大壁虎在不同方向运动时运动行为和脚掌功能所发生的相应改变, 使得大壁虎能够在竖直面上安全高效的自由运动. 这一研究对仿壁虎机器人的结构设计、步态规划和控制的选择有所启发和帮助.     

仿生嗅觉感知技术及其在嗅觉障碍疾病筛查中的研究进展

嗅觉障碍是多种疾病的早期症状,如新型冠状病毒感染的症状之一是嗅觉丧失,阿尔茨海默病和帕金森病患者通常伴有嗅觉降低或丧失.研究基于嗅觉功能检测的早期疾病筛查和诊断技术对控制患者病情、改善人类健康具有重要意义.目前嗅觉功能障碍的检测与评价方法尚不能有效地筛查和诊断各类嗅觉障碍相关疾病,而仿生嗅觉感知技术在模拟人类嗅觉感知系统方面具备一定的灵敏度、选择性和准确度,因此在嗅觉障碍相关疾病筛查中具有广阔的应用前景.本文介绍了目前国内外嗅觉功能障碍相关疾病的研究现状,分析了仿生嗅觉感知技术的原理及其在嗅觉障碍与疾病相关性检测与诊断中的研究进展.随着生物医学工程领域多学科交叉融合的发展,细胞网络芯片、类器官仿生芯片以及脑机交互技术的转化应用将促进仿生嗅觉感知技术在嗅觉障碍相关疾病研究中的发展以及临床疾病诊断技术的革新.     

觉传导机理及仿生嗅觉传感器的研究进展

嗅觉对所有动物而言都是一种极其重要的生理感觉. 近年来, 人们对嗅觉传导机理的研究取得了很大进展, 尤其是嗅觉受体基因超家族的突破性发现推动了国际上嗅觉研究的快速发展. 随着嗅觉传导机理研究的不断深入, 加上仿生嗅觉传感器具有潜在的商业价值和工业应用前景, 对仿生嗅觉传感器的研究也取得了很大进展. 同时, 该研究对于嗅觉传导机理的研究也具有重要的促进作用. 本文综合评述了近年来国际上嗅觉传导机理和仿生嗅觉传感器研究的最新进展. 从嗅觉信号传导的神经通路、嗅神经元对气味分子信号的转导机制、嗅球对嗅觉信号的编码和处理、嗅皮层对嗅觉信号的感知以及仿生嗅觉传感器进行了综述. 最后也介绍了我们在仿生嗅觉传感器方面的研究进展.     

动物特殊感知系统的研究进展

亿万年的进化,动物具备了超常的感觉能力和独特的神经结构及功能,以适应各自特殊的生态环境.本文简要综述了3个方面的研究进展:蛇类红外感知觉、蝙蝠回声定位和动物磁导航与定向.主要包括信号接收和传感相关的细胞和分子机制,信息处理的中枢神经机制,特殊信号相关的行为反应特征等.蛇类红外成像的生理基础是感受野的拓扑结构类似视觉系统,其红外系统在很大程度上可以替代视觉系统.TRPA1被证明是红外热传感的关键分子,但工作原理仍不明确.蝙蝠回声定位信号模式大体有3类,即恒频-调频、调频以及咔哒声(click),与回声定位相关的神经结构和功能高度特化,具有很高的时间和空间分辨率以及目标识别能力.基于地磁场进行导航在动物界普遍存在,在脑部外加磁场可以改变动物的行进方向.动物磁受体的分子机制争议很大,主要有铁晶体理论和基团对理论两个学派,后者是光依赖性的.这些研究结果对仿生学和仿生工程制备都有重要的启迪意义.     

前景无限的仿生交通工具

我们知道,现代种种交通工具,要想正常工作,都需要一定的工作条件与环境。修路架桥,火车、汽车才能正常运行;有站有港,车辆、轮船、飞机才能正常起停。而生存在自然界中的各种各样的动物却能在各种恶劣复杂的环境中生存与运动,这是因为其运动器官和形体与恶劣复杂环境斗争进化的结果。仿照动物的某些特点与本领,人们利用现代仿生技术制造出了一系列现代新型的仿生交通工具。     

非连续约束变结构机器人运动机构的仿生: 概念及模型

机器人的运动能力、效率和可靠性是衡量机器人品质的重要指标, 要进一步提高机器人的品质, 还有若干关键科学问题尚没有得到澄清和解决. 我们从仿生壁虎机器人运动协调的困惑中发现, 这类机器人的腿式运动机构为开环-闭环转变, 闭环状态下与接触体形成拟态构件长度也有变化的变结构机构, 开环到闭环转变中自由度和约束也呈现非连续变化. 提出了非连续约束的变结构运动机构的概念, 建立了非连续约束的表述方程, 这类机构的驱动和控制设计是机器人运动系统进一步提高性能和效率的关键之一. 借鉴生物脊椎-外周运动神经系统对运动的控制策略, 提出这类机构的运动控制和驱动策略, 并指出腿式机器人未来发展必须解决的若干关键问题.     

大鼠在侧向冲击下的平衡调节行为

在外界的干扰下,动物可以实时地调整运动模式,来平衡外界的扰动以保持运动的平稳性.本文以短腿直立动物大鼠(Rattus norregicus)为研究对象,用单摆分别冲击大鼠的胸外侧和腹外侧,由高速摄像机和三维运动反力测试系统同步记录大鼠受到冲击时的运动行为和受到的地面反力.研究大鼠受到侧向冲击的平衡调节策略.大鼠抗冲击的平衡调节策略与身体受冲击的部位有显著相关性.胸外侧受到冲击时,大鼠主要依靠类弹簧的身体迅速弯曲吸收能量.腹外侧受到冲击时,大鼠通过身体的侧摆和腿的外支撑,刚性地平衡侧向冲击力和力矩.通过身体的侧摆实现应急缓冲比身体弯曲的应急缓冲时间短,但是调整恢复到正常运动状态需要更多时间.研究动物在外界干扰下的身体平衡调节策略,可以为仿生机器人的鲁棒性设计提供参考.     

胚胎结纤毛运动的生物力学研究进展

纤毛是细胞的重要功能性细胞器,可感知细胞外的机械和化学信号,并协助信号传导引发细胞应答.在脊椎动物胚胎发育早期,胚胎结中存在若干旋转运动的单细胞纤毛,具有9+0的超微结构,即其轴丝主要组成表现为9个环绕排列的双联体微管.相邻双联体微管间的动力蛋白通过ATP水解为纤毛运动提供动力和控制,从而引起纤周流体的左向流动,进而引起胚胎对左右轴方向的感知.胚胎结纤毛的结构和功能异常会引起严重的发育障碍,其相关探索对理解脊椎动物的发育过程有着重要作用.自20世纪70年代起,越来越多的研究者对纤毛进行了多方面研究,本文从分子、细胞和细胞外流体3个层级,对这些研究进展进行了总结.     

大壁虎在天花板表面的运动行为与动力学研究

壁虎天花板表面运动作用力的测定对揭示壁虎运动的力学规律、获得仿生机器人控制设计的灵感均具有重要意义．用三维力传感器阵列测定大壁虎天花板表面运动的三维作用力, 结合高速摄像讨论壁虎在天花板表面运动中壁虎脚掌的作用力和预压力, 并比较分析了前后腿的作用. 结果表明壁虎在天花板表面运动的速度为0.17~0.48 m/s, 前后腿向身体中线方向收拢. 脚掌在与天花板表面初始接触时间内产生冗余的预压力, 以确保运动的安全, 前腿的法向预压力大于后腿. 前后腿的侧向作用力大小相当. 前腿运动方向的作用力始终和运动方向相同, 起主要推动作用; 后腿运动方向的作用力始终和运动方向相反. 前后腿的法向作用力分别占体重的73.4%和60.6%. 运动中, 运动方向的作用力明显大于侧向和法向的作用力, 前腿主要起到推动作用, 后腿则主要起稳定作用. 上述结果表明壁虎在天花板表面运动中腿功能的变化, 使得壁虎能够在极端条件下自由运动, 并启发机器人结构设计、步态规划和控制规律的选择.     

细菌的运动

在大草原上飞奔的猎豹往往会给人留下风驰电掣的深刻印象,这种世界上奔跑速度最快的动物时速可达110公里,飞速奔跑的能力对于猎豹在大草原上的生存是至关重要的。同猎豹一样,在漫长的自然演化过程中,几乎所有动物都获得了相应的运动能力,这使它们能够躲避天敌、捕获猎物。 运动世界谁与争锋 在微小生命——细菌的世界中许多成员在进化中也同动物一样获得了运动的能力,这种能力对于它们的重要性决不亚于运动对于动物的作用。虽然细菌的个头小,但它们的运动速度却相当惊人,许多细菌每秒钟前行数十微米,逗点弧菌     

非连续约束变结构杆机构机器人: 运动与控制的若干仿生基础问题

在非连续约束变结构机器人运动机构的仿生概念及模型研究基础上, 系统分析这类机器人的机构学、冗余驱动下的运动协调、非连续接触引发的动力学、机器人脚及地面反力、爬壁杆机构机器人黏附性脚掌的设计及相关微制造和相关步态规划与控制策略的研究现状和存在的主要问题, 提出未来发展的建议.     

海绵动物的演化意义及其生物硅的仿生应用

海绵动物是地球上最古老、最简单的动物, 但对它在生物进化中的定位却经历了一个漫长而复杂的认识过程. 作为“活化石”, 海绵动物为生物演化研究提供了最好的证据; 而对海绵动物研究更令人入胜的是近年来人们发现硅质海绵动物骨针的独特结构和良好光纤特性, 从而开辟了利用纳米生物技术进行仿生合成的广泛研究领域. 综述了海绵动物的发现及新的分子生物学进化证据, 骨针硅蛋白催化合成生物硅的研究进展及仿生合成在纳米生物技术和医学领域的潜在应用.     

仿人机器人双臂/躯干运动规划研究

<正>仿人机器人是具有类人的外貌特征和运动功能的一种先进智能体,是未来家用化机器人的主流发展方向,其研究的重点之一就是如何模仿人类行为的同时提高系统运动的稳定性.最近的一项研究从机器人系统的角度出发,研究上、下肢的运动协调问题,上身运动对整个身体运动模式的影响,以及如何设计上身的运动使得既能模仿人类的行为又能提高系统的运动稳定性.     

相互抑制网络瞬态反应的一些研究

以前我们对于相互抑制网络的稳态性质做过一些研究。Hartline提出的公式: r_p=e_p-sum from i=1 to n K_(pi)(r_j-r_(pj)~0)(1) (p=1,2,…,n)能够很好地反映一定光照分布下网络的稳态反应[公式(1)中符号的意义见参考文献[1]]。外界物体可以是经常运动和变化的,许多动物的眼睛本身也可以是经常运动的,在这种情况下,视网膜上物体图象的投影对于视网络来说是不断地运动着的。因此,研究视觉系统对运动图象的信息加工具有重要意义。此外,对动物生活来说,感知运动的图象往往地感知静止的图象更为重要。从Ratliff等人的实验资料看来,光照强度     

飞秒激光仿生复眼制造进展

复眼系统是自然界中普遍存在的一种视觉成像系统,与单眼相比,它具有体积小、视场角大、景深大以及对快速运动物体灵敏度高等优点.人工仿生的复眼结构在机器人视觉、三维成像、目标跟踪、导航、监测、医学等领域具有极其重要的应用价值.与传统复眼透镜制备技术相比,飞秒激光微纳加工技术在三维制备、高精度加工、可程序化设计等方面具有突出的优势,使得飞秒激光技术成为重要的仿生复眼制备方式.本文总结了飞秒激光加工仿生复眼透镜的最新研究进展,对激光增材和减材两种制备方式分别进行了阐述和分析,对仿生复眼透镜的应用进行了简单的介绍,最后探讨了飞秒激光制备复眼透镜领域存在的一些挑战,并对该领域的未来发展方向进行了展望.     

仿生结构及其功能材料研究进展

种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度, 实现了结构与功能的统一, 局部与整体的协调和统一. 仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径, 向自然学习是新材料发展的重要源泉. 近年来, 仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注, 本文结合作者课题组的相关工作, 就光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势.     

非光滑表面的仿生降阻研究

近年来的仿生研究发现土壤动物减粘降阻的机理之一是其具有各种非光滑触土体表.对非光滑表面的仿生应用所进行的一系列试验研究表明,非光滑表面能在一定程度上降低推土板的推土阻力,其效果受非光滑几何单元的几何尺寸、排布方式及数量密度的影响,若组合不当反而会增加推土阻力.迄今为止,对非光滑表面的试验研究均是按规则排布方式,本文以典型土壤动物——蜣螂的触土体表为仿生对象,研究具有仿生非光滑表面推土板的推土阻力及其随试验因素的变化规律.     

动物与军事仿生学

动物与人类战争早已结下了不解之缘,人类用动物帮助作战已有几千年的历史.但地球上百万种动物,人类选来参与军事行动的仅是极少数.人类对动物军事利用思想的发展创造了军事仿生学.也可以说,动物参战孕育了军事仿生学的萌芽.而现代军事仿生进入了一个新阶段,通信技术、侦察技术、观测技术、隐身技术都在从动物界觅寻新的设计参考.