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关键词:
仿生学,仿生机械学,仿生机器人,创新设计
Theexplorationofbionicprinciplesandinnovativedesign
Authors:
Huhao,theHenanInstituteofEngineering2012sessionof
ElectromechanicalIntegrationSpecialtyStudents.
Abstract
Intherapiddevelopmentofsciencetechnologytoday,moreandmoreinnovativedesignshaveappeared.Supportedbyscienceandtechnology,alsowithinnovativedesignideas,bionicprincipleadapttothedevelopmentrequestoftheage.Byintroducetheusage;
thispaperwilldiscusstherelationshipbetweenbionicprincipleanditsapplicationinmechanicalinnovationdesign.
Keywords:
Bionics,StudyofBionicsinMechanism,BionicRobot,InnovationalDesign.
目录
摘要……………………………………………………………………………………2
Abstract……………………………………………………………………………………………2
引言……………………………………………………………………………………3
1绪论……………………………………………………………………………………4
1.1课题来源……………………………………………………………………………………4
1.2课题背景……………………………………………………………………………………4
1.3课题目的……………………………………………………………………………………4
1.4论文的研究方法…………………………………………………………………………4
1.5论文的研究内容…………………………………………………………………………4
2仿生原理……………………………………………………………………………………5
2.1仿生学简介…………………………………………………………………………………5
2.2仿生学的由来………………………………………………………………………………5
2.3仿生学的现状和未来………………………………………………………………………6
2.4本章小结……………………………………………………………………………………6
3创新设计……………………………………………………………………………………7
3.1机械创新设计的研究对象及其原则………………………………………………………7
3.2机械创新设计的国内外研究现状…………………………………………………………7
3.3机械创新设计的方法………………………………………………………………………7
4仿生机械学……………………………………………………………………………………8
4.1仿生机械学的介绍…………………………………………………………………………8
4.2仿生机械设计的发展进程与设计方法……………………………………………………8
4.3仿生机械设计实例…………………………………………………………………………8
5总结……………………………………………………………………………………10
参考文献………………………………………………………………………………………11
引言:
仿生与创新是息息相关的,仿生原理与创新设计相结合取得的成果也是极其丰硕的。
仿生原理与机械创新设计的运用,主要体现在机械仿生上。
本文通过对仿生学、机械的创新设计及仿生机械学的研究、理解,描绘出仿生原理与创新设计在今后社会中的发展、运用。
1.绪论
1.1课题来源
机械工业出版社出版的《机械创新设计》第七章仿生原理与创新设计
1.2课题背景
1)通过研究并模仿自然界生物的结构、运动、力学等特性,然后以科学知识设计出模仿生物这些特性的新材料或者新装置越来越受社会各界的重视和欢迎。
而通过仿生学加以创新的设计研究出来的新成果,不但在能源的利用率和生态环境的保护上更在机器宜人化上超越了传统设计思路。
随着机械仿生学在仿生学中的快速发展,逐渐形成了专门研究仿生机械学的学科,它通过研究模拟生物系统的信息处理、运动机能以及系统控制,并通过机械工程方法论将其实用化,从而应用于医学、国防、电子、工业等相关领域,可产生巨大经济效益。
2)仿生原理与创新设计的相结合满足了现代社会发展的需要,适应了时代的发展,是今后科学界的热门话题。
1.3课题目的
为创新设计提供一个广阔的空间
1.4论文的研究方法
1)历史与逻辑相结合的方法
古人云:
“以铜为镜可以正衣冠,以人为镜可以明得失,以史为镜可以知兴替”,只有了解了历史,明确了历史才能在现今社会走的稳当,本论文在研究方法上同样如此。
即通过分析仿生原理与创新设计有关的历史资料,来充分佐证本文的各种观点。
2)理论与实践相结合的方法
实践是检验理论的最好方法,本文通过理论与别人的实践结果相结合的方法,对仿生原理上的大量想法加以证明。
1.5论文的研究内容
1)第二章介绍仿生原理
2)第三章介绍创新设计
3)第三章介绍仿生机械学
2.仿生原理
2.1仿生学简介
仿生学是研究生物系统的结构和性质,并以此为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学[1],是1960年由美国的J.E.Steele首先提出。
仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理,并将这些原理移植于工程技术之中,发明性能优越的仪器、装置和机器,创造新技术。
仿生学涉及面非常广泛,如生物力仿生、分子仿生(仿酶催化作用、生物膜选择性及通透性)、能量仿生(生物发光)、信息与控制仿生(传感器)等,但是仿生学的发展却非常缓慢,这是为什么呢?
由于生物系统的复杂性,搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期,而且解决实际问题需要多学科长时间的密切协作,这是限制仿生学发展速度的主要原因。
举个例子:
苍蝇是细菌的传播者,大家都非常讨厌它,但是苍蝇的楫翅却是“振动陀螺仪”。
这种仪器目前已经应用于火箭和高速飞机上,实现了自动驾驶,但是研究“振动陀螺仪”却及不容易,苍蝇很小,不容易捕捉,捕捉到还得让它在正常状态下来研究,那么小的苍蝇却要研究它更小的翅膀,当然不容易了,而且单一个体并不能说明问题,必须要研究多个苍蝇。
2.2仿生学的由来
自古以来,自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。
种类繁多的生物界经过长期的进化过程,使它们能适应环境的变化,从而得到生存和发展。
劳动创造了人类。
人类以自己直立的身躯、能劳动的双仿生学手、交流情感和思想的语言,在长期的生产实践中,促进了神经系统尤其是大脑获得了高度发展。
因此,人类无与伦比的能力和智慧远远超过生物界的所有类群。
人类通过劳动运用聪明的才智和灵巧的双手制造工具,从而在自然界里获得更大自由。
人类的智慧不仅仅停留在观察和认识生物界上,而且还运用人类所独有的思维和设计能力模仿生物,通过创造性的劳动增加自己的本领。
鱼儿在水中有自由来去的本领,人们就模仿鱼类的形体造船,以木桨仿鳍。
相传早在大禹时期,我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯,他们就在船尾上架置木桨。
通过反复的观察、模仿和实践,逐渐改成橹和舵,增加了船的动力,掌握了使船转弯的手段。
这样,即使在波涛滚滚的江河中,人们也能让船只航行自如。
鸟儿展翅可在空中自由飞翔。
据《韩非子》记载鲁班用竹木作鸟“成而飞之,三日不下”。
然而人们更希望仿制鸟儿的双翅使自己也飞翔在空中。
早在四百多年前,意大利人利奥那多•达•芬奇和他的助手对鸟类进行仔细的解剖,研究鸟的身体结构并认真观察鸟类的飞行。
设计和制造了一架扑翼机,这是世界上第一架人造飞行器。
以上这些模仿生物构造和功能的发明与尝试,可以认为是人类仿生学的先驱,也是仿生学的萌芽。
2.3仿生学的现状和未来
在生命、机械、材料和信息等科学快速发展的今天,仿生学的研究和应用在国内外都得到极大的关注和蓬勃的发展。
为迎接全球性竞争和挑战,我国科技专家和决策者在2003年召开了两届香山会议,第214届“飞行和游动生物力学和仿生应用”和第220届“仿生学的科学意义与前沿”[3]。
国内许多科研机构和大学都相继成立了仿生学研究所和研究室。
科学家们正带着自动控制、能量转换、信息处理、力学模式和材料构成等大量技术难题,到生物统中去寻找启迪。
机器人技术的发展很好地体现了仿生应用的理念。
早期的机器人主要是模拟人的重复性劳动,替代人完成重复的运动和力学行为,如汽车安装机器人。
这类在常规环境下工作的机器人已经成熟。
仿生机器人的研制始于上世纪90年代,只有十多年的历史,然而进展迅速,特别是美国、日本等发达国家的研究工作走在了世界前列,非常规环境下工作的仿生机器人已成为机器人技术领域的重要发展方向。
目前,四足或多足的仿生机械已适应各种作业环境,其中的机械狗可以负重在山地行走;
哈尔滨工程大学研发出有八只脚、二十四个自由度的多足机器人,可模仿神经网络系统遥控其爬行;
日本展出的女机人在皮肤、步态等方面已达到了乱真的程度;
东京工业大学广濑教授等研制的机器蛇从1992年的ACM-R1陆地型发展到2005年的ACM-R5水陆两栖型;
中科院沈阳自动化所研制的机器蛇也在向水陆两栖型运动发展;
蝠鲼胸鳍扑翼式的运动模式引起国内外专家的关注,日本有人在研制仿扑翼推进式飞行器;
北京航空航天大学仿蝠鲼的胸鳍,研究全柔性扑翼式机器人;
美国Stanford大学的科学家研究仿壁虎机器人,这也是我们在863和国家自然科学基金重点项目支持下正在研究的课题。
未来的机器人趋向微小型和多样化,将进一步采用仿生结构和中枢运动模式发生器制导系统,以适应各种环境条件下的作业。
2.4本章小结
仿生原理是模仿生物的结构和功能的基本原理,其运用于新技术设备的设计与制造使人早造技术系统具有类似生物系统特征[4]。
仿生学主要研究分很多种,但因为本文研究主要为机械仿生,故其他内容不多叙述。
3.创新设计
3.1机械创新设计的研究对象及其原则
所谓机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力,利用人类已有的相关科学技术成果(含理论、方法、技术原理等),进行创新构思,设计出具有新颖性、创造性及实用性的机构或机械产品(装置)的一种实践活动。
它包含两部分:
一是改进完善生产或生活中现有机械产品的技术性能、可靠性、经济性、适用性等;
二是创造设计出新机器、新产品,以满足新的生产或生活的需要[5]。
在机械设计中必须突出创新的原则,通过直觉、推理、组合等途径,探求创新的原理方案和结构,做到有所发明,有所创造,有所前进,创新是机械设计中的核心[6]。
3.2机械创新设计的国内外研究现状
工业发达的美国、德国等首推重视机械创新设计,他们已取得显著的成果并形成独特的设计体系和风格,从文献看,比较著名的机械创新设计,大多从具体的现有机械(构)着手进行创新,然后进行理论与方法的总结。
国内开展机械创新的研究大体分为二个方面,一方面在实际应用上独创设计了中国专利产品,象“梅花抓斗”、“三环减速器”、“轮胎成形鼓机构”,取得了较好的经济效益;
另一方面,已有学者开始对机械创新设计进行论述介绍,机械(构)创新设计的提法在机械学期刊上不难见到,其研究已列入国家自然科学基金发展战略研究课题[7]。
最近几年国际上智能技术应用于机械方案创新设计亦趋流行,国内专家也开始研制智能化的计算机辅助机构创新设计软件系统[8],主要针对杆机构的结构类型综合,扩大其设计空间并进行优化方案选择,提供了十分有益的途径。
对于给定基本回路数的基本运动链的计算机自动生成工作,杨廷力教授、曹惟庆教授[9]取得了较好的研究成果。
3.3机械创新设计的方法
1)智力合成法:
一种发挥集体智慧的方法。
通过集体讨论形式,发散和激励创新思维。
2)仿生类比法:
通过对自然界生物机能的分析类比,从事物的千差万别、不同程度的对应和相似之处的类比中得到创新,设计出新机械,这也是最常用的创新设计方法。
3)列举创新法:
是把问题展开列举,帮助思维进行构思飞方法。
按机构的特性,设计者的意愿,毛病的改进等进行列举,找出改进创新的方案。
4)移植技术法:
把一个领域内的先进技术移植到另一个领域中,或把一种产品内的先进技术应用到另一种产品中,从而设计出新产品的方法[10]。
4.仿生机械学
4.1仿生机械学的介绍
仿生机械学是模仿生物的形态、结构和控制原理,而设计制造功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械的学科。
从本质上看,仿生机械设计就是利用创新的理念与方法给人类的发明提供另一种发展模式,使人们向自然生命学习的理念,模拟自然界动物的生存方式。
由于能制造出在结构、功能、材料、控制、能耗等诸方面相对更加合理的机械系统,仿生机械学正越来越受到重视[11]。
4.2仿生机械设计的发展进程与设计方法
在人类文明远古时期,人们为了生存、适应环境,不得不向自然界的生物模仿学习各种生存技能,他们对周围环境以及各种自然现象进行仔细观察。
因此,人类很早就等的仿生学的应用,并进行仿生工作。
但是,长期以来,人类只局限于模仿和描述生物精妙的结构和神奇的功能,并未彻底的探求其内在原理以及本质,系统的仿生学理论知识体系也没有建立起来。
直到20世纪40年代,仿生学技术发展越来越受到人们的关注,同时人们在能源、航海、航天开发以及军火武器等方面的迫切需要,仿生学的发展理念和设计观念得到广大科学家的认同,美国等一些发达国家在仿生机械设计上投入也非常大,同时各个基础学科飞速发展,为近代仿生学的发展和建立提供了一系列的帮助,奠定了近代仿生学的基础。
终于在1960年的9月,第一届仿生学讨论会在美国召开,在这次会议上仿生学正式的确立为一门独立的学科,并在此后蓬勃发展过程中,形成了多门分支的学科。
从1960年起,在美国先后了四次仿生学学术讨论会,之后在其他各国也进行了多次学术会议,其中我国也在1975年召开了类似的学术会议。
仿生学这门新型学科得到飞速发展,并且取得可喜的成绩,直到现在还是一个研究热门[12]。
机械结构仿生设计的方法有原理仿生、结构仿生、外形仿生、信息仿生和拟人仿生等。
仿生设计也可分为结构仿生、功能仿生与过程仿生[13]。
4.3仿生机械设计实例
1)仿生机械的应用非常广泛,如医疗机器人,很多外科手术需要医生长时间的或在有限的时间内完成一系列复杂精确的操作,这些工作仿生机械手可以很好的完成。
仿生机械手的发展还可以为肢体残疾的病人带来福音,随着技术的的发展,有可能出现假肢可以模仿人手做绝大部分的操作,并且病人使用方便、灵活[14]。
2)地球上近一半的地面是传统的轮式或履带式车辆不能到达的,而多足动物却可以自如行走在这些地方。
多足步行机器人与采用轮子、履带等其他方式作为移动系统的机器人相比,可以越过不规则、松软的地形而机体保持稳定;
可以跨越障碍物、壕沟和楼梯;
可以全方位移动[15]。
以上只是仿生机械学应用的最普通的两个例子,更有仿生爬行机器人、仿生飞行机器人、仿生游动机器人等。
这些例子充分说明了大自然是人类的老师。
大自然这个老师通过它们对人们指导,让人们掌握玄妙的规律,并运用这些规律,使人们的生活过的越来越好。
5.总结
论文从三个方面探究了仿生原理与创新设计的关系。
在仿生原理上又通过仿生学的来源、发展,以及对未来仿生学的展望来介绍仿生原理,在机械创新设计上,通过探究创新设计的研究对象及其原则加上创新设计的探究方法和国内外的发展现状来描述创新设计,最后从仿生机械学将以上两方面综合起来,并通过实例探讨仿生原理与创新设计的关系。
中国哲学“道法自然”的本质就是仿生仿大自然。
向大自然和生物学习设计将成为信息时代人类的设计理念,创新设计必须师法自然。
在提倡源头创新的设计时代,应大力倡导和加强仿生设计研究和应用,仿生原理加创新设计将成为21世纪的热点和前沿,在各个领域得到广泛应用和发展。
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