仿生制造技術(shù)

仿生制造技術(shù)神奇的仿生學(xué)

“魚翔淺底，鷹擊長空”，自然界形形色色的生物，都有著怎樣的奇異本領(lǐng)？它們的種種本領(lǐng)，給了人類哪些啟發(fā)？模仿這些本領(lǐng)，人類又可以創(chuàng)造出什么樣的奇跡呢？這里要給大家介紹的是一門新興科學(xué)——仿生學(xué)！生物的神奇“技能”蝴蝶身上的鱗片會隨陽光的照射方向自動變換角度而調(diào)節(jié)體溫。

螢火蟲可將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變成光能，且轉(zhuǎn)化效率達(dá)

100%，而普通電燈的發(fā)光效率只有6%。蝙蝠在飛行時發(fā)出超聲波，由反射回來的超聲波判斷出自己和障礙物間的距離，再依靠耳朵的定向作用，準(zhǔn)確確定障礙物的方位。

海蜇是預(yù)報風(fēng)暴最早、最準(zhǔn)確的“順風(fēng)耳”。蒼蠅的平衡棒在飛行時以一定的頻率進(jìn)行機械振動調(diào)節(jié)翅膀的運動方向，是保持身體平衡的導(dǎo)航儀?？蓯旱纳n蠅給我們的啟示？免疫力（活蠅蛆可接種于傷口之中，起殺菌清創(chuàng)，促進(jìn)愈合之作用。）平衡能力（飛行器的平衡）嗅覺（傳感器、捕蠅器）棘毛的作用（減粘）由于生物的種種神奇功能人們很早便開始關(guān)注“仿生學(xué)”據(jù)《韓非子》記載，魯班用竹木作鳥“成而飛之，三日不下”。

達(dá)芬奇——大約在公元1500年，受鳥翅啟發(fā)，畫了一系列的無法實現(xiàn)的飛行設(shè)備草圖，被認(rèn)為是現(xiàn)代仿生學(xué)之父。大約400年之后，奧托(OttoLilienthal)根據(jù)鸛的翅膀制造了滑翔機，并取得了“滑翔機之父”的稱號。

1960年在美國俄亥俄州召開第一次仿真學(xué)討論會，正式命名仿生學(xué)（Bionics）

2003年10月8日來自中、法、英、美等國的多位生命科學(xué)、材料科學(xué)、納米科學(xué)與技術(shù)、工程科學(xué)等領(lǐng)域的著名專家聚集上海，圍繞仿生結(jié)構(gòu)、仿生材料、仿生研究的方法等議題，對仿生學(xué)的發(fā)展前景展開了深入研討。

2004年12月11日~13日，在以“仿生學(xué)的科學(xué)意義與前沿”為主題的第220次香山科學(xué)會議就如何從仿真學(xué)入手，向一個極為重要的創(chuàng)新源泉——大自然“汲取靈感”進(jìn)行全面研討。何為仿生學(xué)？仿生學(xué)——模仿生物系統(tǒng)的原理以建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有生物系統(tǒng)特征或類似特征的科學(xué)。仿生學(xué)不是單純的模仿生物，更主要的在于它要把生物的卓越機能更巧妙更精煉地應(yīng)用到工程技術(shù)中去。但仿生設(shè)計的方法復(fù)制不是仿生學(xué)的研究目的，對生物系統(tǒng)工作原理的本質(zhì)認(rèn)識、理解和應(yīng)用是最終目標(biāo)。在這個過程中發(fā)散性地進(jìn)行類比、模擬和模型化是仿生學(xué)研究的主要方法，而數(shù)學(xué)模型是從生物原型到應(yīng)用模型的關(guān)鍵。但是對復(fù)雜生物系統(tǒng)的認(rèn)識往往是一個長期的研究過程，并依賴于先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的支持，需要多學(xué)科的交叉、合作，所以仿生學(xué)的研究是一個系統(tǒng)工程，存在相當(dāng)大的難度。仿生學(xué)的研究過程生物模型數(shù)學(xué)模型技術(shù)模型生物體技術(shù)裝置

提出模型，進(jìn)行模擬是仿生學(xué)的基本研究方法。在仿生學(xué)研究的過程中，模型是聯(lián)系生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)的橋梁。數(shù)學(xué)模型是都來源于生物模型，反過來又指導(dǎo)生物系統(tǒng)的研究。三者相輔相成進(jìn)而完成了仿生學(xué)的研究。仿生學(xué)研究的分支

力學(xué)仿生、分子仿生、能量仿生、信息和控制仿生等電子仿生、機械仿生、建筑仿生、化學(xué)仿生、人體的仿生、宇宙仿生等形態(tài)仿生、形式美感仿生、功能仿生、結(jié)構(gòu)仿生、機理仿生、色彩仿生、意象仿生仿生學(xué)研究的主要內(nèi)容：1.控制仿生學(xué)；6.其他……2.信息仿生學(xué)；3.力學(xué)仿生學(xué)；5.醫(yī)學(xué)仿生學(xué)；4.化學(xué)仿生學(xué)；搜索控制仿生學(xué)是研究所謂機體控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能原理，并用這些原理去改進(jìn)現(xiàn)有的或建造新型的自動控制系統(tǒng)。

中國第一條可用于實際應(yīng)用的仿生機器魚于2004年12月5日正式宣布研制成功。這臺外形酷似活魚的機器人曾出色地輔助考古專家對福建鄭成功古戰(zhàn)艦遺址進(jìn)行了水下探測.技術(shù)人員通過一個手掌大小的遙控器和一臺計算機，對身長1.23米，通體色澤亮黑，外形逼真的機器魚發(fā)號各種指令。水間的機器魚自由靈活地穿波逐浪，載沉載浮。如果不是頭部上方一個顯眼的白色圓頂GPS導(dǎo)航天線，水中的機器魚令人真假難辨.這條機器魚由動力推進(jìn)系統(tǒng)、圖像采集和圖像信號無線傳輸系統(tǒng)、計算機指揮控制平臺三部分組成，主要制造材料為玻璃鋼和纖維板。它的最高時速可達(dá)1.5米／秒，能夠在水下連續(xù)工作2至3小時。信息仿生學(xué)是研究生物機構(gòu)與外界環(huán)境、生物個體之間、生物體內(nèi)各部分間的信息接收、儲存、處理與利用的機理，以及將其移植于技術(shù)系統(tǒng)之中的方法，并最終制成類似于生物系統(tǒng)的計算系統(tǒng)和信息接收處理系統(tǒng)。蝙蝠晝伏夜出，在空中能陡然改變飛行方向，避開障礙物，又能捕食正在飛行中的昆蟲?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)它不是靠眼睛，而是靠嘴、喉和耳朵組成的回聲定位系統(tǒng),準(zhǔn)確確定障礙物的方向和位置。蝙蝠的這種回聲定位系統(tǒng)正是雷達(dá)的雛形,科學(xué)家據(jù)此設(shè)計出了現(xiàn)代的雷達(dá)。力學(xué)仿生學(xué)是研究和模擬生物機體外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的力學(xué)原理。力學(xué)仿生學(xué)在建筑中得到廣泛應(yīng)用。生物體在長期的進(jìn)化中形成了各種形態(tài)，具有了一定的強度，硬度和穩(wěn)定性。在對艾菲爾斜塔進(jìn)行仔細(xì)測量和研究后，發(fā)現(xiàn)它的每個構(gòu)件與人的小腿骨驚人的相似。與之相類似的還有藤蔓與懸索結(jié)構(gòu)，蛋殼與薄殼結(jié)構(gòu)，樹干竹筍與高聳建筑等等。艾菲爾斜塔與人的小腿骨驚人的相似龜殼的背甲呈拱形，跨度大，包括許多力學(xué)原理。雖然它只有2mm的厚度，但使用鐵錘敲砸也很難破壞它。建筑學(xué)家模仿它進(jìn)行了薄殼建筑設(shè)計。這類建筑有許多優(yōu)點：用料少，跨度大，堅固耐用。薄殼建筑也并非都是拱形，舉世聞名的悉尼歌劇院則像一組泊港的群帆因為蛋殼的外形能有效分散應(yīng)力，自然界中這種現(xiàn)象還有很多，烏龜殼硬也是這個道理，大型的體育館車站

等室內(nèi)空間大的建筑也多采用這樣的蛋殼形狀屋頂?；瘜W(xué)仿生學(xué)是研究和模擬生物體內(nèi)的各類化學(xué)反應(yīng)，包括酶學(xué)原理、選擇性生物膜和生物的能量轉(zhuǎn)換、生物發(fā)光、生物發(fā)電等。利用電化學(xué)預(yù)處理玻碳電極對熱變性

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NA的吸附特性，定量檢測熱變性

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NA，判斷

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NA的變性程度。利用吸附態(tài)單、雙鏈

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NA與電化學(xué)探針亞甲藍(lán)作用差異建立起長鏈

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NA序列檢測方法及對單、雙鏈的識別。將

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NA修飾在

I

TO電極表面，研制成測定藥物米非思銅傳感器。

醫(yī)學(xué)仿生學(xué)是研究人工臟器、生物醫(yī)學(xué)的圖象識別以及醫(yī)學(xué)信號的分析和處理。

蜂巢由一個個排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成，這些結(jié)構(gòu)與近代數(shù)學(xué)家精確計算出來的——菱形鈍角109°28’，銳角70°32’完全相同，是最節(jié)省材料的結(jié)構(gòu)，且容量大、極堅固，令許多專家贊嘆不止。人們仿其構(gòu)造用各種材料制成蜂巢式夾層結(jié)構(gòu)板，強度大、重量輕、不易傳導(dǎo)聲和熱，是建筑及制造航天飛機、宇宙飛船、人造衛(wèi)星等的理想材料。60°120°納米技術(shù)與分子生物學(xué)的結(jié)合將開創(chuàng)分子仿生學(xué)新領(lǐng)域。分子仿生學(xué)模仿細(xì)胞生命過程的各個環(huán)節(jié)，以分子水平上的生物學(xué)原理為參照原型，設(shè)計制造各種各樣的可對納米空間進(jìn)行操作的“功能分子器件”，即納米機器人。納米機器人的研制和開發(fā)將成為21世紀(jì)科學(xué)發(fā)展的一個重要方向，對醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)產(chǎn)生巨大影響。

飛機高速飛行時，機翼受氣流的沖擊常發(fā)生顫振，從而導(dǎo)致機翼斷裂、機毀人亡?？茖W(xué)家從蜻蜓翅膀上的黑色翅痣(一種較厚的角質(zhì)組織)，想到了配重，于是“照葫蘆畫瓢”，給飛機機翼上裝了配重，從此，飛機的此類事故大大減少。

定義：模仿生物的組織結(jié)構(gòu)或運行方式，制造仿生結(jié)構(gòu)或仿生系統(tǒng)（產(chǎn)品）的過程稱為仿生制造（BionicManufacturing）。原理：通過研究和模仿生物體的功能形成機理，設(shè)計和制造與生物模本具有類似特性的材料、結(jié)構(gòu)、器件和裝備，對生物運動執(zhí)行系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、致動系統(tǒng)以及特殊功能結(jié)構(gòu)等進(jìn)行功能復(fù)制。仿生制造技術(shù)仿生制造技術(shù)內(nèi)容自生長成形工藝生物成形制造仿生設(shè)計和仿生制造系統(tǒng)智能仿生機構(gòu)與系統(tǒng)仿生機構(gòu)與系統(tǒng)制造仿生機構(gòu)與系統(tǒng)制造是以工程仿生學(xué)理論為指導(dǎo)，在提取自然界生物優(yōu)良性能特征的基礎(chǔ)上，模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料和控制原理，設(shè)計制造具有生物特征的機構(gòu)或系統(tǒng)的過程。隨著科技、信息和經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們對智能化、人性化和集成化的產(chǎn)品需求迅速增加，尤其體現(xiàn)在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、養(yǎng)老、娛樂和社會服務(wù)領(lǐng)域，如仿生機械裝備功能部件、仿生智能肢—體輔助系統(tǒng)和仿生服務(wù)機器人等仿生機構(gòu)的分類仿生抓取機構(gòu)工業(yè)機器人用機械手

工業(yè)機器人用機械手醫(yī)療用機械手仿生移動機構(gòu)墻面移動機構(gòu)常規(guī)地形移動機構(gòu)小空間移動機構(gòu)仿生游動機構(gòu)仿生飛行機構(gòu)仿生飛行機構(gòu)仿生撲翼飛行器是一種模仿鳥類和昆蟲飛行，基于仿生學(xué)原理設(shè)計制造的新型飛行機器。該類飛行器若研制成功，那么與固定翼和旋翼飛行相比，它便具有獨特的優(yōu)點：如原地或小場地起飛，極好的飛行機動性和空中懸停性能以及飛行費用低廉，它將舉升、懸停和推進(jìn)功能集于一撲翼系統(tǒng)，可以用很小的能量進(jìn)行長距離飛行，因此更適合在長時間無能源補充及遠(yuǎn)距離條件下執(zhí)行任務(wù)撲翼飛行器研究情況中國西漢時代有人模仿鳥的飛行。達(dá)芬奇設(shè)計出了第一架撲翼飛行器的圖紙。19世紀(jì)中期，考夫曼、英國人哈爾格萊夫和德國人李林塔爾對撲翼機理論所作的研究及實踐成為撲翼飛行器發(fā)展史上重要的里程碑。20世紀(jì)初，俄羅斯科學(xué)家和設(shè)計師們在這一領(lǐng)域內(nèi)取得了重大認(rèn)識突破：僅靠人體自身肌肉的力量來驅(qū)動的撲翼飛行器是無法實現(xiàn)持續(xù)飛行的。20世紀(jì)中后期，人類歷經(jīng)艱辛才發(fā)明了撲翼滑翔飛行器和動力撲翼飛行器。此后隨著MEMS技術(shù)、空氣動力學(xué)和新型材料等的發(fā)展，如今的撲翼飛行器也越來越靈巧且逐漸小型化。機器蠅，未來的超級間諜

美國五角大樓對有望成為“微型間諜”的機器蠅極為重視，機器蠅可以幫助美軍完成偵察阿富汗山洞或是尋找伊拉克秘密武器等艱巨任務(wù)。而在未來戰(zhàn)爭中，機器蠅甚至可以飛到敵方總部?？傊?，機器蠅將完成過去“007”遠(yuǎn)遠(yuǎn)完成不了的任務(wù)，成為名副其實的“超級間諜”。在未來的機器蠅身上，將安裝許多傳感器和微型攝像機，因此他們能做的事情還有很多。比如可以用來發(fā)現(xiàn)森林火災(zāi)，在災(zāi)難中搜尋廢墟中的幸各種復(fù)雜條件下完成拍照、攝影、取樣等工作。奇妙的機器蠅撲翼飛行器研究情況中國西漢時代有人模仿鳥的飛行。達(dá)芬奇設(shè)計出了第一架撲翼飛行器的圖紙。19世紀(jì)中期，考夫曼、英國人哈爾格萊夫和德國人李林塔爾對撲翼機理論所作的研究及實踐成為撲翼飛行器發(fā)展史上重要的里程碑。20世紀(jì)初，俄羅斯科學(xué)家和設(shè)計師們在這一領(lǐng)域內(nèi)取得了重大認(rèn)識突破：僅靠人體自身肌肉的力量來驅(qū)動的撲翼飛行器是無法實現(xiàn)持續(xù)飛行的。20世紀(jì)中后期，人類歷經(jīng)艱辛才發(fā)明了撲翼滑翔飛行器和動力撲翼飛行器。此后隨著MEMS技術(shù)、空氣動力學(xué)和新型材料等的發(fā)展，如今的撲翼飛行器也越來越靈巧且逐漸小型化。自生長成形工藝自生長成形工藝，即在制造過程中模仿生物外形結(jié)構(gòu)的生長過程，使零件結(jié)構(gòu)最外層各處形狀隨其應(yīng)力值與理想狀態(tài)的差距作自適應(yīng)伸縮直至滿意狀態(tài)為止；又如，將組織工程材料與快速成形制造相結(jié)合，制造生長單元的框架，在生長單元內(nèi)部注入生長因子，使各生長單元并行生長，以解決與人體的相容性和與個體的適配性及快速生成的需求，實現(xiàn)人體器官的人工制造。世界上首例采用數(shù)字信息技術(shù)進(jìn)行的仿真下頜骨植入術(shù)日前在西安獲得成功。這是由西安交大國家級重點實驗室——激光快速成型中心與該校口腔醫(yī)學(xué)院協(xié)同攻關(guān)取得的技術(shù)成果。耳朵沒了，可以給你一只得像真的一樣的仿生人耳--國內(nèi)首例仿生人耳贗復(fù)體在上