仿生感知與先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)課程報告

HarbinInstituteofTechnologyHarbinInstituteofTechnology仿生感知與先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)課程報告(1)報告題目：淺析仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse院系： 機(jī)電工程學(xué)院班級： 姓名： Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse學(xué)號： 淺析仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)經(jīng)過學(xué)習(xí)仿生機(jī)器人這門課，我對仿生學(xué)和仿生機(jī)械學(xué)有了很大的興趣。眾所周知，去年的全國科技創(chuàng)新大賽項目就是仿生機(jī)器人，我欣賞了參賽的仿生機(jī)器人視頻，這加深了我對仿生的認(rèn)識和理解。下面就是我結(jié)合所學(xué)知識與所查詢的資料結(jié)合出來一些自己對仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)的理解。一仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)的定義1.仿生學(xué)我對仿生學(xué)的理解就是“模仿”二字，就是模仿大自然的各種生物或系統(tǒng)的特點，自古以來，自然界就是人類各種技術(shù)思想、工程原理及重大發(fā)明的源泉，因為生物經(jīng)過不斷進(jìn)化，為了更好的適應(yīng)大自然，進(jìn)化所形成的身體結(jié)構(gòu)可以說是鬼斧天工的設(shè)計，我們可以通過仿生這一途徑設(shè)計更優(yōu)化的機(jī)械。仿生學(xué)已漸漸發(fā)展成一門獨立的學(xué)科，具有這樣幾個特征：相似性、多不得用于商業(yè)用途僅供個人參考樣性、跨學(xué)科、復(fù)雜性、智能性、綜合性、創(chuàng)新性和最優(yōu)化。仿生學(xué)是應(yīng)用相似原理，通過抽象思維及綜合的方法實現(xiàn)技術(shù)系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計。仿生學(xué)是一門模仿生物的特殊本領(lǐng)，利用生物的結(jié)構(gòu)和功能原理來研制機(jī)械或各種新技術(shù)的科學(xué)技術(shù)。仿生學(xué)是生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程技術(shù)學(xué)互相滲透而結(jié)合成的一門新興的邊緣科學(xué)。仿生學(xué)的任務(wù)就是要研究生物系統(tǒng)的優(yōu)異能力及產(chǎn)生的原理，并把它模式化，然后應(yīng)用這些原理去設(shè)計和制造新的技術(shù)設(shè)備。仿生就是人類從生物上得到的啟示，這是一個巨大的進(jìn)步。在應(yīng)用的仿生技術(shù)有很多我們熟悉的例子：蝙蝠與雷達(dá)、人工冷光、電魚與伏特電池、水母的順風(fēng)耳、失重現(xiàn)象、蛋殼與薄殼建筑、斑馬、昆蟲仿生和電子蛙眼等等。2?仿生機(jī)械學(xué)仿生機(jī)械學(xué)是仿生學(xué)的一個重要分支，這是以制造機(jī)械為放聲目的，若是以制造電子為目的，則為仿生電子學(xué)。仿生機(jī)械學(xué)在我的理解下：它可以更有效率適應(yīng)環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)能量更高的利用率。它有別于傳統(tǒng)機(jī)械，它更加精密和智能，不僅能夠表現(xiàn)生物般的靈動性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的應(yīng)用性。仿生機(jī)械學(xué)不僅適用于工程，更在醫(yī)學(xué)和生物學(xué)有很大促進(jìn)作用。二研究方向1.仿生學(xué)的研究范圍仿生學(xué)的研究范圍主要包括：力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息與

僅供個人參考控制仿生、電子仿生、機(jī)械仿生、建筑仿生、化學(xué)仿生等方面。2?仿生機(jī)械學(xué)的研究方向（1）生物材料力學(xué)和機(jī)械力學(xué)以骨或軟組織（肌肉、皮膚等）作為對象，通過模型實驗方法，測定其應(yīng)力、變形特性，求出力的分布規(guī)律。還可根據(jù)骨骼、肌肉系統(tǒng)力學(xué)的研究，對骨和肌肉的相互作用等進(jìn)行分析。另外，生物的形態(tài)研究也是一大熱門。因為生物的形態(tài)經(jīng)過億萬年的變化，往往已形成最佳結(jié)構(gòu)，如人體骨骼系統(tǒng)具有最少材料、最大強(qiáng)度的構(gòu)造形態(tài)，可以通過最優(yōu)論的觀點來學(xué)習(xí)模擬建造工程結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。（2） 生物流體力學(xué)主要涉及生物的循環(huán)系統(tǒng)，關(guān)于血液動力學(xué)等的研究已有很長的歷史，但仍有許許多多的問題尚未解決，特別是因為它的研究與心血管疾病關(guān)系十分密切，已成為一門倍受關(guān)注的學(xué)科。（3） 生物運動學(xué)生物的運動十分復(fù)雜，因為它與骨骼和肌肉的力學(xué)現(xiàn)象、感覺反饋及中樞控制牽連在一起。雖然各種生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(chǔ)研究，但在仿生機(jī)械學(xué)中，目前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(jī)能非常復(fù)雜，而下肢運動分析對動力學(xué)研究十分典型。這對康復(fù)工程的研究也有很大的幫助。（4） 生物運動能量學(xué)生物的形態(tài)是最優(yōu)的，同樣，節(jié)約能量消耗量也是生物的基本原理。從運動能量消耗最優(yōu)性的特點對生物體的運動形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能等進(jìn)行分析、研究，特別是對有關(guān)能量的傳遞與變換的研究，是很有意義的?？祻?fù)工程學(xué)包括如動力假肢、電動輪椅、病殘者用環(huán)境控制系統(tǒng)等。它涉及許多學(xué)科和技術(shù)，比如對于動力假肢，只有在解決了材料、能源、控制方式、信號反饋與精密機(jī)械等各種問題之后才能完成，而且這些裝置還要作為一種人一—機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行評價、試用，走向?qū)嵱没牡缆肥欠浅ＦD難和曲折的。機(jī)器人的工程學(xué)是把生物學(xué)的知識應(yīng)用于工程領(lǐng)域的典型范例，其目的一是省力；二是在宇宙、海洋、原子能生產(chǎn)、災(zāi)害現(xiàn)場等異常環(huán)境中幫助和代替人類進(jìn)行作業(yè)。機(jī)器人不僅要有移動功能的人造手足，而且還要有感覺反饋功能及人工智能。目前研究熱點為人造手、步行機(jī)械、三維物體的聲音識別等。三國內(nèi)外仿生機(jī)械學(xué)研究進(jìn)展在仿生學(xué)定義中，我已經(jīng)提及了許多應(yīng)用仿生原理的創(chuàng)新機(jī)械。這里會在舉一些國外研究成果的例子：1.新型海嘯預(yù)警系統(tǒng)：德國萊布尼茨海洋科學(xué)研究所的科學(xué)家們研制出了一種新型調(diào)制解調(diào)器。它可將海底傳感器發(fā)出的信號迅速傳送至預(yù)警浮標(biāo)，后者則會通過衛(wèi)星將信號直接傳輸至監(jiān)控中心。研制出這種調(diào)制解調(diào)器的德國科學(xué)家從海豚的叫聲中得到啟迪。康斯坦丁克布卡爾在柏林理工大學(xué)研究仿生學(xué)與海洋動物的聲音傳播，他發(fā)明的無線傳輸技術(shù)可從海底迅速且不受干擾地向海面?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)。2.國外對新型仿生機(jī)器人的研究：美國四足步行機(jī)器人、英國蛇形機(jī)器人、日本寵物狗、美國凱斯西儲蟋蟀型機(jī)器人。這里以英國蛇形機(jī)器人為例，它像真蛇一樣有一條“脊椎骨”，其實這是一串模塊化的“脊椎單元”，它們像拼插玩具一樣緊緊地咬合在一起。每個“脊椎單元”上有3條獨立的“肌肉”。這些“肌肉”由鎳鈦合金金屬絲制成。鎳鈦合金具有“形狀記憶”的特殊本領(lǐng)：當(dāng)有電流通過時，它的晶體結(jié)構(gòu)會收縮，斷電后又能恢復(fù)到以前的形狀。“機(jī)器蛇”通過內(nèi)置的程序控制通過不同金屬絲電流的開關(guān)和強(qiáng)弱，從而操縱每條“肌肉”活動的方向與力量，指揮“機(jī)器蛇”向預(yù)定目標(biāo)前進(jìn)。但“機(jī)器蛇”最了不起的本領(lǐng)還在于能夠帶傷堅持執(zhí)行任務(wù)，在實驗中，“機(jī)器蛇”表現(xiàn)出十分頑強(qiáng)的戰(zhàn)斗精神，研究人員介紹說：“我們故意使它的一部分癱瘓，以檢驗它在戰(zhàn)場上受傷后的表現(xiàn)。最初它癱在地上一動不動，但不久后，它的‘大腦'就琢磨出應(yīng)該如何運動，開始向既定目標(biāo)前進(jìn)了。盡管動作不像受傷前那么靈活，但能堅持到終點。”我國的仿生研究工作起步較晚，在前期落后于世界水平，但是在我們一代代科研人員的努力下，我們也取得了不錯的進(jìn)展：北航與中科院的仿生機(jī)器魚、天津大學(xué)仿生無人直升機(jī)、沈陽水下自治機(jī)器人、哈工大擬人雙足步行機(jī)器人等等，這些都說明了中國仿生機(jī)器人的研究水平達(dá)到了世界一流，相信經(jīng)過更長時間發(fā)展，中國仿生機(jī)器人研究會取得更大的突破與成果。這里簡略介紹一下工大的機(jī)器人為關(guān)節(jié)式結(jié)構(gòu)，具有十二個自由度，可以完成包括前進(jìn)、后退、側(cè)行、轉(zhuǎn)向和上下階梯等動作。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考四對本課的建議與看法對于仿生學(xué)這門學(xué)科來說，現(xiàn)在它的前景很好，而且未來人類許多創(chuàng)新開發(fā)都要依靠它。在這個背景下開展這門關(guān)于仿生、機(jī)器人技術(shù)的學(xué)科是十分必要的。我認(rèn)為學(xué)校可以提高對其的重視度，提高學(xué)時。對于課堂效果來說，我感覺很滿意能夠欣賞到國內(nèi)外的先進(jìn)仿生機(jī)械視頻。而且老師將像蛇形機(jī)器人、仿生機(jī)器魚等仿生例子做了詳盡并且生動的講解。我希望老師能夠在課堂上讓我們接觸更多先進(jìn)的仿生案例，這樣更有利于我們接下來的學(xué)習(xí)，擴(kuò)寬我們的眼光。接下來我想對老師提出的建議是在課堂上增加更多的提問交流時間，這樣可以更好的讓我們了解仿生學(xué)和機(jī)器人技術(shù)。如果在課堂上展示實物作品，我相信這可以增進(jìn)我們學(xué)生極大的興趣，會更利于我們對這門課程的學(xué)習(xí)。僅供個人用于學(xué)習(xí)、研究；不得用于商業(yè)用途。Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;notforcommercialuse.NurfurdenpersonlichenfUrStudien,Forschung,zukommerziellenZweckenverwendetwerden.Pourl'etudeetlarechercheu