先進(jìn)制造技術(shù)機(jī)械仿生制造

仿生制造技術(shù)課程名稱先進(jìn)制造技術(shù)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)專業(yè)班級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師完成日期目錄一、仿生技術(shù)的發(fā)展概述

二、仿生技術(shù)在機(jī)械制造的應(yīng)用三、機(jī)械仿生四、總結(jié)仿生制造概述隨著人們對(duì)生物體認(rèn)識(shí)的深入，借助于生物的特性與功能的研究，仿生設(shè)計(jì)也將會(huì)有更加廣闊的前景，通過研究、學(xué)習(xí)、模仿來復(fù)制和再造某些生物特性和功能，來改進(jìn)現(xiàn)有的或創(chuàng)造新的機(jī)械制造。將生物系統(tǒng)的優(yōu)異功能運(yùn)用于新技術(shù)設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造，或者使機(jī)械操作技術(shù)系統(tǒng)具有類似生物系統(tǒng)。同時(shí)也提高人類對(duì)自然的適應(yīng)和改造能力，產(chǎn)生巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。仿生技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用分析對(duì)機(jī)械制造的進(jìn)步具有重要意義。

一、仿生技術(shù)的發(fā)展概述

仿生技術(shù)是一項(xiàng)新的技術(shù)，主要目的是實(shí)現(xiàn)特定功能，它是根據(jù)生物體系的結(jié)構(gòu)性質(zhì)、能量轉(zhuǎn)換與信息傳遞過程，系統(tǒng)地運(yùn)用相互交叉和相互滲透的理論知識(shí)與技術(shù)手段，它涉及到信息科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、工程技術(shù)學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)甚至經(jīng)濟(jì)學(xué)等多學(xué)科，采用最廣泛地運(yùn)用類比、模擬和模型方法的模仿科學(xué)。20世紀(jì)仿生技術(shù)研究廣泛應(yīng)用在高科技領(lǐng)域，包括機(jī)械、航天航空等。仿生科學(xué)的突出成就是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展推動(dòng)下出現(xiàn)的各種各樣機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造和應(yīng)用，這是宏觀仿生技術(shù)指導(dǎo)下取得的成果。越來越多的學(xué)者開始研究仿生技術(shù)，涉及到機(jī)械仿生、能量仿生、化學(xué)仿生、信息與控制仿生和食品仿生等諸多領(lǐng)域的研究。機(jī)械仿生是由多種學(xué)科相互滲透、結(jié)合而成的一門邊緣學(xué)科。其主要研究領(lǐng)域有生物力學(xué)、控制體和機(jī)器人。研究課題包括擬人型機(jī)械手，步行機(jī)、假肢以及模仿鳥類人的各種機(jī)械。仿生技術(shù)在機(jī)械制造中得到了廣泛應(yīng)用，在機(jī)械制造過程中借助于仿生學(xué)設(shè)計(jì)原理，仿照生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)或機(jī)能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)制造用于特殊目的的“功能器件”，開發(fā)現(xiàn)代機(jī)械化仿生技術(shù)與仿生裝備研究意義是極其重大的。因此，在機(jī)械制造的應(yīng)用中展示出仿生技術(shù)在研究領(lǐng)域中巨大的潛力和無限的魅力。\t"/item/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"仿生學(xué)是研究\t"/item/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想及工作原理的科學(xué)。屬于\t"/item/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"生物科學(xué)與\t"/item/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"技術(shù)科學(xué)之間的\t"/item/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"邊緣學(xué)科。它涉及生物學(xué)、\t"/item/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"生物物理學(xué)、生物化學(xué)、物理學(xué)、\t"/item/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"控制論、\t"/item/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"工程學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域。仿生技術(shù)通過對(duì)各種生物系統(tǒng)所具有的\t"/item/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"功能原理和作用機(jī)理作為\t"/item/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"生物模型進(jìn)行研究，最后實(shí)現(xiàn)新的\t"/item/%E4%BB%BF%E7%94%9F%E6%8A%80%E6%9C%AF/_blank"技術(shù)設(shè)計(jì)并制造出更好的新型儀器、機(jī)械等。生物制造與仿生制造是機(jī)械領(lǐng)域與生物領(lǐng)域交叉產(chǎn)生的新領(lǐng)域。生物方式制造是利用生物手段的制造方法，已提出生物去除加工、生物約束成形、生物生長成形、生物連接成形、生物復(fù)制成形、生物自組織成形等加工成形方法。仿生制造是模擬生物形體與功能的結(jié)構(gòu)制造，包括仿生材料結(jié)構(gòu)、仿生表面結(jié)構(gòu)、仿生運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)制造。仿生制造的結(jié)構(gòu)往往比較復(fù)雜，利用增材快速原型和傳統(tǒng)機(jī)械制造方法效率通常較低，利用生物方式制造方法往往更加簡便和快捷。闡明生物成形方法在仿生微納復(fù)雜形體、結(jié)構(gòu)、功能界面制造上的優(yōu)勢，表明生物成形技術(shù)在節(jié)能、環(huán)保、微納等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。模仿生物的組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的制造系統(tǒng)與制造過程稱為“仿生制造”它通過模擬生物器官的自組織、自愈、自增長與自進(jìn)化等功能，以迅速響應(yīng)市場\o"需求"需求并保護(hù)自然環(huán)境。制造過程與生命過程有很強(qiáng)的相似性。生物體能夠通過諸如自我識(shí)別、自我發(fā)展、自我恢復(fù)和進(jìn)化等功能使自己適應(yīng)環(huán)境的變化來維持自己的生命并得以發(fā)展和完善。生物體的上述功能是通過傳遞兩種生物信息來實(shí)現(xiàn)的：一種為DNA類型信息,即基因信息,它是通過代與代的繼承和進(jìn)化而先天得到的;另一種是BN類型信息,是個(gè)體在后天通過學(xué)習(xí)獲得的信息。這兩種生物信息協(xié)調(diào)統(tǒng)一使生物體能夠適應(yīng)復(fù)雜的和動(dòng)態(tài)的生存環(huán)境。生物的細(xì)胞分裂、個(gè)體的發(fā)育和種群的繁殖,涉及遺傳信息的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄和解釋等一系列復(fù)雜的過程,這個(gè)過程的實(shí)質(zhì)在于按照生物的信息模型準(zhǔn)確無誤地復(fù)制出生物個(gè)體來。這與人類的制造過程中按數(shù)控程序加工零件或按產(chǎn)品模型制造產(chǎn)品非常相似。制造過程中的幾乎每一個(gè)要素或概念都可以在生命現(xiàn)象中找到它的對(duì)應(yīng)物。就制造系統(tǒng)而言,現(xiàn)在已越來越趨向于大規(guī)模、復(fù)雜化、動(dòng)態(tài)及高度非線性化。因此，在生命科學(xué)的\o"基礎(chǔ)研究"基礎(chǔ)研究成果中選取富含對(duì)工程技術(shù)有啟發(fā)作用的內(nèi)容，將這些研究成果同制造科學(xué)結(jié)合起來，建立新的\o"制造模式"制造模式和研究新的仿生加工方法，將為制造科學(xué)提供新的研究課題并豐富制造科學(xué)的內(nèi)涵。此外，進(jìn)行與仿生機(jī)械相關(guān)的生物力學(xué)原理研究，將昆蟲運(yùn)動(dòng)仿生研究與微系統(tǒng)的研究相結(jié)合，并開發(fā)出新型智能仿生機(jī)械和結(jié)構(gòu)，將在軍事、生物醫(yī)學(xué)工程和人工康復(fù)等方面有重要的應(yīng)用前景。研究仿生制造系統(tǒng)的自組織機(jī)制與方法，例如：基于充分\o"信息共享"信息共享的仿生設(shè)計(jì)原理，基于多自律單元協(xié)同的分布式控制和基于進(jìn)化機(jī)制的尋優(yōu)策略；研究仿生制造的概念體系及其基礎(chǔ)，例如：仿生空間的形式化描述及其信息映射關(guān)系，仿生系統(tǒng)及其演化過程的復(fù)雜度計(jì)量方法。機(jī)械仿生與仿生制造是機(jī)械科學(xué)與生命科學(xué)、\o"信息科學(xué)"信息科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的高度融合，其研究內(nèi)容包括生長成形工藝、仿生設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)、智能仿生機(jī)械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多屬前沿探索性的工作，具有鮮明的基礎(chǔ)研究的特點(diǎn)，如果抓住機(jī)遇研究下去，將可能產(chǎn)生革命性的突破。今后應(yīng)關(guān)注的研究領(lǐng)域有生物加工技術(shù)、仿生制造系統(tǒng)、基于\o"快速原型制造"快速原型制造技術(shù)的組織工程學(xué)，以及與生物工程相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)等。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(gè)體的適配性及快速生成的\o"需求"需求，實(shí)現(xiàn)人體器官的人工制造。仿生設(shè)計(jì)和仿生制造系統(tǒng)，即對(duì)先進(jìn)制造系統(tǒng)采用生物比喻的方法進(jìn)行研究，以解決先進(jìn)制造系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵技術(shù)問題。智能仿生機(jī)械。生物成形制造，如采用生物的方法制造微小復(fù)雜零件，開辟制造新工藝。仿生制造為人類制造開辟了一個(gè)新的廣闊領(lǐng)域。人們?cè)?仿生制造"中不僅是師法大自然，而且是開始學(xué)習(xí)與借鑒他們自身內(nèi)秉的組織方式與運(yùn)行模式。如果說制造過程的機(jī)械化、自動(dòng)化延伸了人類的體力，智能化延伸了人類的智力，那么，"仿生制造"則是延伸人類自身的組織結(jié)構(gòu)和進(jìn)化過程。21世紀(jì)將是生命科學(xué)的世紀(jì)，機(jī)械科學(xué)和生命科學(xué)的深度融合將產(chǎn)生全新概念的產(chǎn)品(如智能仿生結(jié)構(gòu))，開發(fā)出新工藝(如生長成形工藝)和開辟一系列的新產(chǎn)業(yè)，并為解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造過程和系統(tǒng)中一系列難題提供新的解決方法。這是一個(gè)極富創(chuàng)新和挑戰(zhàn)的前沿領(lǐng)域。

地球上的生物在漫長的進(jìn)化中所積累的優(yōu)良品性為解決人類制造活動(dòng)中的各種難題提供了范例和指南。從生命現(xiàn)象中學(xué)習(xí)組織與運(yùn)行復(fù)雜系統(tǒng)的方法和技巧，是今后解決目前制造業(yè)所面臨許多難題的一條有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自組織、自愈合、自增長與自進(jìn)化等功能結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的一種制造系統(tǒng)與制造過程。如果說制造過程的機(jī)械化、自動(dòng)化延伸了人類的體力，智能化延伸了人類的智力，那么，"仿生制造"則可以說延伸了人類自身的組織結(jié)構(gòu)和進(jìn)化過程。

仿生制造所涉及的科學(xué)問題是生物的"自組織"機(jī)制及其在制造系統(tǒng)中的應(yīng)用問題。所謂"自組織"是指一個(gè)系統(tǒng)在其內(nèi)在機(jī)制的驅(qū)動(dòng)下，在組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式上不斷自我完善、從而提高對(duì)于環(huán)境適應(yīng)能力的過程。仿生制造的"自組織"機(jī)制為自下而上的產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)、制造工藝規(guī)程的自動(dòng)生成、生產(chǎn)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重組以及產(chǎn)品和制造系統(tǒng)的自動(dòng)趨優(yōu)提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)現(xiàn)條件。

仿生制造屬于制造科學(xué)和生命科學(xué)的"遠(yuǎn)緣雜交"，它將對(duì)21世紀(jì)的制造業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。

仿生制造的研究內(nèi)容目前有兩個(gè)方面：研究生命現(xiàn)象的一般規(guī)律和模型，例如人工生命、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)、生物的信息處理技巧、生物智能、生物型的組織結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式以及生物的進(jìn)化和趨優(yōu)機(jī)制等。研究仿生制造系統(tǒng)的自組織機(jī)制與方法，例如：基于充分信息共享的仿生設(shè)計(jì)原理，基于多自律單元協(xié)同的分布式控制和基于進(jìn)化機(jī)制的尋優(yōu)策略；研究仿生制造的概念體系及其基礎(chǔ)，例如：仿生空間的形式化描述及其信息映射關(guān)系，仿生系統(tǒng)及其演化過程的復(fù)雜度計(jì)量方法。

機(jī)械仿生與仿生制造是機(jī)械科學(xué)與生命科學(xué)、信息科學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科的高度融合，其研究內(nèi)容包括生長成形工藝、仿生設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)、智能仿生機(jī)械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多屬前沿探索性的工作，具有鮮明的基礎(chǔ)研究的特點(diǎn)，如果抓住機(jī)遇研究下去，將可能產(chǎn)生革命性的突破。今后應(yīng)關(guān)注的研究領(lǐng)域有生物加工技術(shù)、仿生制造系統(tǒng)、基于快速原型制造技術(shù)的組織工程學(xué)，以及與生物工程相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)等。二、仿生技術(shù)在機(jī)械制造的應(yīng)用

仿生技術(shù)在機(jī)械制造中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在外形仿生技術(shù)、結(jié)構(gòu)仿生技術(shù)、功能仿生技術(shù)的應(yīng)用，下面逐個(gè)進(jìn)行闡述。

1、外形仿生技術(shù)的應(yīng)用。外形仿生技術(shù)是研究和模擬生物機(jī)體外部。目能我國外形仿生技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的研究與開發(fā)水平己處于國際領(lǐng)先水平，尤其是農(nóng)業(yè)機(jī)械制造方面。我國著名農(nóng)機(jī)專家陳秉聰院士和我國首位仿生技術(shù)領(lǐng)域院士任露泉等多位學(xué)者共同努力下，模擬蛻螂頭前部的外形結(jié)構(gòu)、泥鰍蠕動(dòng)行走方式和生物彈性等生物外形特征研制出仿生推土機(jī)、仿生鏟斗、仿生犁等仿生農(nóng)機(jī)具。隨著人類社會(huì)的進(jìn)步，仿生機(jī)械已經(jīng)進(jìn)入人類各種生活和和工作中。根據(jù)手的外形功能，將杯裝飲料機(jī)的機(jī)械手設(shè)計(jì)成關(guān)節(jié)型多指手機(jī)構(gòu)，采用雙曲柄機(jī)構(gòu)保證機(jī)械手靈活和可靠，在性能上滿足實(shí)際應(yīng)用要求。在機(jī)械制造中，外形仿生技術(shù)的應(yīng)用，提高了機(jī)械的運(yùn)用效率。

2、結(jié)構(gòu)仿生技術(shù)的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)仿生是通過研究生物肌體的構(gòu)造，然后建立一部分類似生物的機(jī)械設(shè)備，使功能上于生物結(jié)構(gòu)相似。由于自然界中生物體表組織經(jīng)過千百萬年的進(jìn)化，依靠了生物體自身生長機(jī)制與生存環(huán)境長期作用，使其相成了非常獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能。從生物體表組織獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能獲得結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)理念的啟發(fā)，根據(jù)生物體的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能原理，研究新機(jī)械制造以改造現(xiàn)有的自動(dòng)控制系統(tǒng)。研究者運(yùn)用結(jié)構(gòu)特征為機(jī)械仿生制造提供了最佳的包括宏觀和微觀的結(jié)構(gòu)原形。例如，蜂巢六角柱狀結(jié)構(gòu)是一種經(jīng)濟(jì)省料的形體，飛行器擬蜂巢夾層設(shè)計(jì)，既增加結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，又節(jié)省材料、減輕重量。仿蜂巢復(fù)合紙板具有特別用處，吸音、隔熱、防潮效果好，它能夠代替木板作高檔貴重物品或易碎商品的包裝，立面抗壓而重量輕。結(jié)構(gòu)仿生模仿生物特殊的結(jié)構(gòu)，是機(jī)械制造得到良好的設(shè)計(jì)和發(fā)展。

3、功能仿生技術(shù)應(yīng)用。功能仿生通過神經(jīng)系統(tǒng)和感覺器官的功能仿生設(shè)計(jì)制造出機(jī)械工具，使人造的機(jī)械具有或能夠部分實(shí)現(xiàn)如感知、運(yùn)動(dòng)、操作、思維等高級(jí)動(dòng)物豐富的功能。為了研制的六腳機(jī)器人彌補(bǔ)輪式拖拉機(jī)山路不便行走的缺陷，研究者以螃蟹為生物模型設(shè)計(jì)出了一款具備螃蟹運(yùn)動(dòng)的靈活、穩(wěn)定和高效率特性的機(jī)器人。這款功能仿生機(jī)器人能穩(wěn)定、迅速的到達(dá)目標(biāo)區(qū)域，也是以基因工程、細(xì)胞工程等為標(biāo)志可輕松的越過障礙和裂縫。此外，仿生精確機(jī)械化工具和高度自動(dòng)化技術(shù)將獲得突破性進(jìn)展。有學(xué)者就提出了仿生鉆頭的想法，設(shè)計(jì)一種仿生鉆頭，希望能夠解決鉆探工作的一些問題，能夠幫助到鉆探工作者解決鉆頭泥包問題。在運(yùn)用仿生技術(shù)中，仿造穿山甲鱗片的鉆頭體表面，加上仿造穿山甲爪趾的切削齒，這樣的機(jī)械設(shè)計(jì)可以減粘降阻脫附，在泥質(zhì)巖中鉆進(jìn)時(shí)可以有效地防止鉆頭泥包現(xiàn)象及提高機(jī)械鉆速。我們還能根據(jù)人體的特點(diǎn)在機(jī)械制造中設(shè)計(jì)獨(dú)特的機(jī)器，比如說上肢結(jié)構(gòu)原理，提出一種上肢仿生機(jī)構(gòu)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，為制造出靈巧方便的上肢仿生機(jī)構(gòu)提供了理論依據(jù)。

三、機(jī)械仿生當(dāng)前形勢，機(jī)械仿生設(shè)計(jì)無疑正向著多元化發(fā)展，而且也逐步從傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)走向了新型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。目前，機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)已然建立起了全面的仿生體系，通過對(duì)生物科學(xué)的有益吸收，主要實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)方而的仿生設(shè)計(jì):1.功能特性仿生在自然界的長期發(fā)展演變中，生物為了更好適應(yīng)周圍環(huán)境的改變，逐漸形成了自身獨(dú)有的功能特性。而在機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中，這一點(diǎn)往往能為各方面的工作指引一個(gè)新的方向，并使之有效抓住技術(shù)創(chuàng)新的突破口?，F(xiàn)今已有的設(shè)計(jì)實(shí)例中，不僅包括生物特殊外形的仿生、還包括生理特性的一系列應(yīng)用，顯然這些方面技術(shù)創(chuàng)新的研究都取得了相應(yīng)的成果，功能特性的仿生也使得機(jī)械設(shè)計(jì)不再拘泥于傳統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)，而更多擁有了其靈活h}與實(shí)效性。2.運(yùn)動(dòng)特征仿生械設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)體系的規(guī)劃往往是重點(diǎn)以及難點(diǎn)，同樣，在機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中，生物運(yùn)動(dòng)特征的仿生也必不可少。對(duì)于這些生物與生俱來的特點(diǎn)，通過將其板塊化、細(xì)節(jié)化，便能從中找出與實(shí)際生產(chǎn)工作的良好結(jié)合點(diǎn)，使得相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計(jì)更貼合自然，因而應(yīng)用水平也就隨之提高。目前的運(yùn)動(dòng)特征仿生中，對(duì)生物基本運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等都進(jìn)行了全面的研究，而實(shí)際生活中的一些相關(guān)機(jī)械設(shè)備也為生產(chǎn)工作帶來了極大的便利3.組織結(jié)構(gòu)仿生這方面的仿生是結(jié)合生物科學(xué)而進(jìn)行的深層應(yīng)用，也從微觀角度上實(shí)現(xiàn)了人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。在相關(guān)的機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中，其通常在材料生產(chǎn)方面收效較為顯著，因此而推出的一系列仿生材料也良好地適應(yīng)了高強(qiáng)度、高效率的性能需求，為生產(chǎn)發(fā)展帶來了極大的經(jīng)濟(jì)效益。而通過對(duì)生物內(nèi)部組織機(jī)制一些必要性聯(lián)系的分析，機(jī)械微組裝、分級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等也都有了新的發(fā)展方向。4.信息控制仿生隨著信息化時(shí)代的到來，人們對(duì)于信息的傳遞與控制要求也越來越高，而在這一方面，生物在不斷進(jìn)化過程所擁有的一些能力同樣可以借鑒。具體地，在機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中，信息管理設(shè)備往往能通過生物的一些信息獲取方式、反饋系統(tǒng)以及自主控制能力等得到全新的發(fā)展空問，不僅生產(chǎn)質(zhì)量得以有效保證，而且實(shí)際效率也隨之大大提高。5.機(jī)械仿生設(shè)計(jì)主要研究方向仿生機(jī)械學(xué)是以力學(xué)或機(jī)械學(xué)作為基礎(chǔ)的，綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及工程學(xué)的一門邊緣學(xué)科，它既把工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)，又把醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于工程技術(shù)。它包含著對(duì)生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對(duì)生物的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會(huì)的要求付之實(shí)用化。機(jī)械仿生理論與機(jī)理研究機(jī)械仿生設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)范疇更寬、更廣，從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品開發(fā)要實(shí)現(xiàn)與工程仿生學(xué)，包括生命科學(xué)、生物科學(xué)等在內(nèi)的多層次、全方位上的滲透，通過對(duì)生物原形機(jī)理、機(jī)構(gòu)的研究，創(chuàng)造和完善仿生機(jī)械設(shè)計(jì)的全新理論體系，從而為新型仿生機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。在該領(lǐng)域，我國已經(jīng)開展了以工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械為典型的地而機(jī)械仿生脫附減阻研究，引起國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。包括生物非光滑脫附減阻、生物體表潤濕性、生物柔性和生物電與生物潤滑等內(nèi)容，以及與之相對(duì)應(yīng)的仿生非光滑脫附減阻、仿生脫附減阻材料、仿生柔性脫附和仿生電滲原理等方而基礎(chǔ)性機(jī)理研究，目前形成了比較完善的的生物脫附與機(jī)械仿生研究理論體系與方法體系，并且在此基礎(chǔ)上逐步進(jìn)行規(guī)范和升級(jí)。6.計(jì)算機(jī)輔助仿生設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)訊CAD)技術(shù)的吃速發(fā)展使機(jī)械形狀、結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的快速演化、變異與再生成為可能，可以加快機(jī)械產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計(jì)進(jìn)程，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。主要包括:優(yōu)化設(shè)計(jì)造型、逆向工程與三維建模、動(dòng)態(tài)模擬與工程仿真、仿生型構(gòu)形系統(tǒng)等。根據(jù)土壤動(dòng)物柔性非光滑的特征規(guī)律和仿生類比結(jié)果，采用數(shù)值優(yōu)化為仿生柔性非光滑而的尺寸設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，根據(jù)布爾運(yùn)算理論，采用體素拼合造型技術(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)復(fù)合柔性進(jìn)行建模，構(gòu)造出鏈戮圖3a)、布戮圖3b)仿生柔性非光滑表而，具有良好的減粘降阻作用。根據(jù)單個(gè)牛蹄角表而，利用直接特征曲線生成曲而法重構(gòu)牛蹄角的三維幾何模緞圖，為逆向工程技術(shù)應(yīng)用到工程仿生領(lǐng)域定量研究動(dòng)物步行足三維兒何特征及松軟地而仿生步行技術(shù)的發(fā)展提供了一定的基礎(chǔ)[13]。根據(jù)單個(gè)穿山甲鱗片建立數(shù)學(xué)模型，并把多個(gè)鱗片按一定分布規(guī)律排列，通過調(diào)整參數(shù)可以很好的模擬不同鱗片形狀的非光滑體淑圖，為仿生推土板設(shè)計(jì)提供優(yōu)化數(shù)據(jù)。7.機(jī)械仿生控制與系統(tǒng)集成典型控制系統(tǒng)山中央處理系統(tǒng)集中處理各傳感器采集的各種信號(hào)，再山中央處理系統(tǒng)給各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出不同的行動(dòng)指令。但是，在動(dòng)物體中還有與之平行的另一個(gè)非神經(jīng)反饋—生物前饋控制機(jī)制，或稱之為機(jī)械超前反饋。例如，肌肉骨骼系統(tǒng)在抵抗外力時(shí)能根據(jù)其變形情況迅速進(jìn)行調(diào)整，這種調(diào)整能在最快的神經(jīng)反射之前就完成。這種前饋能減少神經(jīng)系統(tǒng)造成的不穩(wěn)定性，保證了對(duì)全系統(tǒng)的控制質(zhì)量。在復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)控制中，如果能引入機(jī)械前饋的機(jī)制，對(duì)于減少中央處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)、簡化控制系統(tǒng)、提高系統(tǒng)的控制速度與質(zhì)量都具有重人的意義。8.仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)仿生機(jī)器人包括仿生物和仿人兩類，前者模仿各種生物，如蛇、螃蟹、蜘蛛、蜜蜂等的功能，后者模仿人的肌體構(gòu)造或器官功能，如仿人于、于臂、步態(tài)等功能[IS]。仿生物機(jī)器人尤其是小型機(jī)器人在災(zāi)難事故中，可以很好地完成攀巖、滅火、鉆洞、浮水等人類難以完成或者對(duì)救援人員有極人傷害的救助活動(dòng)。仿人機(jī)器人能搬桌子、抬東西，可以幫助人類尤其是老年人進(jìn)行重體力的生活必要?jiǎng)趧?dòng)。一些能唱歌、會(huì)跳舞的人形和動(dòng)物形狀機(jī)器人在帶給人們快樂的同時(shí)，也激發(fā)了人類對(duì)科學(xué)的濃厚興趣。仿生機(jī)器人根據(jù)不同的需要設(shè)計(jì)特殊的生物功能，目前由于社會(huì)需要還不充分，難免被人們視為“不實(shí)用”，但是這種在機(jī)器人上體現(xiàn)的技術(shù)可以為其他領(lǐng)域做好技術(shù)儲(chǔ)備。所以，仿生機(jī)器人必將是超出人類一般需求之前探索的一門真正的學(xué)科。9.材料仿生設(shè)計(jì)仿生材料有著傳統(tǒng)材料所不及的優(yōu)良特性，例如生物活性組織的仿生。骨骼，肌體和器官的自修復(fù)自組織自適應(yīng)自生長和自進(jìn)化的研究等。目前醫(yī)學(xué)上采用的人工材料人工骨骼有主要還是陶瓷，磷酸鹽材料，硫酸鈣材料等，雖然他們的生物相容性較好，但是這些傳統(tǒng)材料存在的主要的問題是這些異化材料不能很好的適應(yīng)人體，移填后在人體內(nèi)降解速度也很慢，更談不上誘導(dǎo)骨骼再生，使康復(fù)工程也很大的局限，小孩子的局限更為明顯。醫(yī)學(xué)上，生長因子，活體細(xì)胞的培養(yǎng)技術(shù)已較為成熟，不過培養(yǎng)的速度相當(dāng)慢，無法滿足醫(yī)療康復(fù)對(duì)活體組織的要求，迫切期待技術(shù)的革新，于是快速成型制造人工骨骼和器官變得相當(dāng)重要。發(fā)展趨勢仿生材料學(xué)綜合了化學(xué)、材料學(xué)、生物學(xué)、信息學(xué)及能源學(xué)等多門學(xué)科與級(jí)數(shù)，立足于天然生物的獨(dú)特結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性能，制備出優(yōu)于傳統(tǒng)材料的新型材料。目前，仿生材料的研究無論在結(jié)構(gòu)材料方面，還是功能材料方面，都取得了一定的成果。人們通過生物礦化研究發(fā)現(xiàn)有機(jī)分子可以改變無機(jī)晶體的生長形貌和結(jié)構(gòu)，為新材料的設(shè)計(jì)和制造提