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仿生机械发展综述先进制造技术作业

仿生机械发展综述

摘要：仿生机械是通过研究和探讨生物机制，模仿生物的形态、

结构和控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征

的机械。目前仿生机械设计已广泛应用于传感器、新材料等领域，取

得了很大进展。本文首先阐述了仿生机械的形成历史及研究动向，然

后分别从抓取功能、移动功能、飞行功能、游动功能及其它功能的角

度，对仿生机械学的发展状况做出综述，最后给出了仿生机械现象的

简表。

一、仿生机械简介：

仿生机械是通过研究和探讨生物机制，模仿生物的形态、结构和

控制原理设计制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。

研究仿生机械的学科称为仿生机械学，它是 20 世纪 60 年代末期由生

物学、生物力学、医学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗

透、结合而形成的一门边缘学科。仿生机械研究的主要领域有生物力

学、控制体和机器人。把生物系统中可能应用的优越结构和物理学的

特性结合使用，人类就可能得到在某些性能上比自然界形成的体系更

为完善的仿生机械。

二、仿生机械的历史

模仿生物形态结构创造机械的技术有悠久的历史。

15 世纪意大利的列奥纳多·达芬奇认为人类可以模仿鸟类飞行 ,并

绘制了扑翼机图。

到 19 世纪,各种自然科学有了较大的发展,人们利用空气动力学原

理,制成了几种不同类型的单翼机和双翼滑翔机。

1903 年，美国的 W.莱特和 O.莱特发明了飞机。然而，在很长一

段时间内，人们对于生物与机器之间到底有什么共同之处还缺乏认识，

因而只限于形体上的模仿。

直到 20 世纪中叶，由于原子能利用、航天、海洋开发和军事技术

的需要，迫切要求机械装置应具有适应性和高度的可靠性。而以往的

年的变化，往往已形成最佳结构，如人体骨骼系统具有最少材料、最

大强度的构造形态，可以通过最优论的观点来学习模拟建造工程结构

系统。

（二）生物流体力学。主要涉及生物的循环系统，关于血液动力

学等的研究已有很长的历史，但仍有许许多多的问题尚未解决，特别

是因为它的研究与心血管疾病关系十分密切，已成为一门倍受关注的

学科。

（三）生物运动学。生物的运动十分复杂，因为它与骨骼和肌肉

的力学现象、感觉反馈及中枢控制牵连在一起。

虽然各种生物的运动或人体各种器官的运动测定与分析都是重要

的基础研究，但在仿生机械学中，目前特别重视人体上肢运动及步行

姿态的测定与分析，因为人体上肢运动机能非常复杂，而下肢运动分

析对动力学研究十分典型。这对康复工程的研究也有很大的帮助。

（四）生物运动能量学。生物的形态是最优的，同样，节约能量

消耗量也是生物的基本原理。从运动能量消耗最优性的特点对生物体

的运动形态、结构和功能等进行分析、研究，特别是对有关能量的传

递与变换的研究，是很有意义的。

（五）康复工程学。包括如动力假肢、电动轮椅、病残者用环境

控制系统等。它涉及许多学科和技术，比如对于动力假肢，只有在解

决了材料、能源、控制方式、信号反馈与精密机械等各种问题之后才

能完成，而且这些装置还要作为一种人——机系统进行评价、试用，

走向实用化的道路是非常艰难和曲折的。

（六）机器人的工程学。是把生物学的知识应用于工程领域的典

型范例，其目的一是省力；二是在宇宙、海洋、原子能生产、灾害现

场等异常环境中帮助和代替人类进行作业。机器人不仅要有移动功能

的人造手足，而且还要有感觉反馈功能及人工智能。目前研究热点为

人造手、步行机械、三维物体的声音识别等。

四、仿生机械的各功能角度的发展状况。

（一）仿生抓取机械

目前仿生机械在抓取功能方面的研究集中于仿人形机械手 ,主要因

为人手(含手臂)共有 27 个自由度,不但能精确定位还能做出复杂精细的

动作,这些都是传统机械很难做到的。它们可分为工业机器人用机械手、

科研智能机器人用机械手和医疗用机械手。

1）工业机器人用机械手。

20 世纪 50 年代末,美国在机械手和操作机的基础上,采用伺服机构

和自动控制等技术,研制出有通用性的独立的工业用自动操作装置,并将

其称为工业机器人;自第一台正式工业机器人成功投入使用以来,各工业

发达国家都开始重视研制和应用工业机器人。许多单调、频繁和重复

的长时间作业,或是危险、恶劣环境下的作业 ,均是由工业机器人 (手)来

完成的,例如冲压、压力铸造、热处理、焊接、涂装、塑料制品成形、

机械加工和简单装配等工序,以及在原子能工业等部门中,搬运对人体有

害物料。在这方面,日本一直处于领先地位,具有代表的如川崎重工的工

业机器人(手)。

2）科研智能机器人用机械手。

人类对太空和海洋进行探索、研究和利用的要求越来越迫切。在

海洋和太空的环境非常恶劣,需要利用机器人替代人去完成大量的工作,

能实现精确操作的仿生机械手可以大大扩大机器人的工作任务范围和

任务精度。最具代表性的当属月球车上的仿生机械手 ,不仅可以承担探

测、拍照等任务,还可以进行样本采集、分析等。

3）医疗用机械手。

医疗机器人是一个新兴的、多学科交叉的研究领域 ,已经成为国际

机器人领域的一个前沿研究热点。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。可以预见,在不久的未来,

仿生机械手可以在医生的监控或操作下,按照即定的方案,高精度地、高

可靠地实施手术,并在规定的时限内完成。仿生机械手的发展意力可以

为肢体残疾的病人带来福音。仿生机械手最早就是用于人的假肢 ,随着

技术的发展,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。

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