仿生机械 bionic machine

模仿生物的形态、结构、信息处理、运动机能和控制原理而制造的功能更集中、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。

它是在20世纪和年代末期由生物学、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。

1.简史

远在有文字记载的历史以前，人类就为生存而模仿动物的行为。古人用树木仿照鱼的体型做成能载人的船，又用两叶浆放在船的两侧，以模仿鱼的胸鳍，用橹放在船尾代替鱼尾的摆动。

舟

在中国的三国时代，有一种“木牛流马”的步行机构，可模仿动物行走。11世纪，西汉人在京都长安进行了一次滑翔飞行表演，“取大鸟翮为两翼，头与身皆是毛”，结果“飞数百步”。15世纪，意大利的达·芬奇设计了一种像人一样大小的“扑翼机”。

进入19世纪，自然科学和工程学有了较大的发展，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，美国的莱特兄弟发明了飞机。

然而，在很长一段时间，人们对生物和机器之间如何建立联系认识并不深，因而只限于形体上的模仿。直到20世纪中叶，随着近代生物学的发展，人们发现，生物在能量转换、控制调节、信息处理、辨别方位、导航和探测方面有着以往技术不可比拟的长处。

1948年，N.维纳发表了《控制论》，高度概括地提出了机器和生物体中的控制和通信的理论，奠定了机器和生物体可以类比的理论基础。此后经过各国科学家的不懈努力，在20世纪70年代初，形成了仿生机械学，使仿生机械获得快速的发展。

飞机

进入21世纪后，随着计算机技术、信息技术、生物技术和电力电子技术的发展，使仿生机械的发展进入了一个崭新的发展阶段。

仿生机械学的研究内容十分广泛，其分类体系尚未完全确定，习惯上包括生物材料力学和机械力学、生物流体力学、生物运动学、生物运动能量学、康复工程学和机器人工程学等。

生物材料力学和机械力学是以骨或软组织为对象，通过模型试验方法测定其应力和变形特性，求出分布规律。生物流体力学主要研究生物体的循环系统。生物运动学研究生物体的运动特性和规律，重点是人体上肢运动及步行姿态的测定和分析。生物运动能量学从运动能量消耗最优性观点对生物体的运动形态、结构和功能等进行分析研究。康复工程学研究内容有动力假肢、电动轮椅、病残者用环境控制系统等。

夜视仪

机器人工程学是把生物学的知识应用于工程领域和人们日常生活的典型实践，目的是实现工业中的省力化以及在宇宙、海洋、原子能生产和灾害等异常环境中帮助人类进行作业，将人们从简单重复、烦琐和危险的工作中解放出来，使人们的生活更加舒适。

2.分类

仿生机械应用范围很宽，典型的仿生机械有：仿生仪器、仿生武器、人体仿生机械和机器人。

2.1.仿生仪器

指人们通过对一些生物原型大量的观察分析和研究，从中探索了它们可供模仿和借鉴的原理而发明的貝有某种特殊功能的仪器。

人们根据对夜行性动物原理的研究，发明了微光夜视仪、红外夜视仪、热成像仪等仪器。微光夜视仪是根据夜行动物眼睛的屈光系统设计的。由两部分组成，一是起聚焦成像作用的光学透镜；二是像的增强器，它将收集到的微弱光信号经光电阴极转变为电信号后，经二极放大，约放大几万倍，最后成像在荧光屏上。

热成像仪

微光夜视技术普遍应用于地球地质勘测，地形测绘、矿藏资源调查、农作物估产、病虫害的预报、森林火灾的监察和洪水报警等。

美国在20世纪80年代末期根据夜行动物夜视能力研制出了红外夜视镜。外观类似于防风眼镜，只要戴上它就能在黑暗中看到物体，是狙击手和侦察兵的好帮手。

此外，还有灵敏的生物检测器等。

2.2.仿生武器

根据生物器官的启示，人类发明了形形色色的仿生武器。现在的导弹中，就有不少是从动物的某些特异功能受到启发而制成的仿生导弹。

如飞鱼可以跃出水面8～10米以约20米每秒的速度滑翔150～200米，甚至有时贴着海面作长距离超低空飞行，飞鱼导弹是受飞鱼的启示而发明的一种空对舰导弹。现代海战中，导弹飞行过高很容易被敌军雷达发现，法国模仿飞鱼的飞行，研制了一种超低空飞行的空对舰导弹。

导弹

由响尾蛇颊窝对温热变化感受的灵敏度非常惊人——不仅能感受到周围气温0.003摄氏度的变化，而且还能判断发出热量动物体的位置，得到启示，模仿蛇类颊窝的构造制造了响尾蛇导弹。这种导弹对热度极端敏感，有红外线自动跟踪制导系统，发射后能寻找追踪喷气机尾部喷管及飞枧机身辐射的红外线，直到击中目标为止。

智能导弹是利用人工智能一一图像识别技术，模拟人的大脑机能制造出来的导弹，它把从视觉传感器得到的图像，同贮存在数据库中的已知目标图像进行比较、识别出敌我并选定攻击目标。

2.3.人体仿生机械

美国的肾病专家默雷尔制造了一种特殊的容器——人工肾，它挽救了数以百万计的生命。人工肾的移植成功推动了人造器官的迅速发展，人工心脏、人工心脏瓣膜、人工肌腱、人工肾、人工胰腺、人造血液等人工器官相继问世，现在一半以上的人体器官可以用人工器官来代替。

人工肾

20世纪70年代以来，模拟肾小球过滤功能制成了超滤型人工肾，它利用微孔膜，在压力梯度的作用下，不但可以有效地把血里面的尿素氮等中小分子量的毒物滤出，而且还能排除和积蓄过多的水分，对于尿毒症患者大为适用。

人造胰腺模仿胰腺功能，能连续不断地监测血液中的葡萄糖并可以提供相应数量的胰岛素。这种人造胰腺可以植入人体内或像手表一样佩戴在手臂上。

利用电子技术的假手在人手动作时，首先由神经细胞把信号传给必要的肌肉，在肌肉内即产生电位，即“肌电”，利用肌电就可以驱动假手。此外，还有智能轮椅等。

2.4.机器人

中国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类：工业机器人和特种机器人。

工业机器人

①工业机器人。面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。是一种能自动控制、可重复编程、多功能、多自由度的操作，能搬运材料、工件或操持工具，用以完成各种作业。

制造业中代替人完成具有大批量、高质量要求的工作，如汽车制造、摩托车制造、舰船制造、家电产品、化工等行业自动化生产线的点焊、弧焊、喷漆、切割、装配及物流系统的搬运、包装、码垛等作业的机器人。中国先后研制了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装、码垛等各种用途的工业机器人，并已经投入了应用。

②特种机器人。用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人。包括水下机器人、服务机器人、太空探索机器人、娱乐机器人、军用机器人和农业机器人等。

水下机器人又称为水下潜水器，分为无人型和载人型。从控制方式上，分为遥控、半自治和自治型。水下机器人是典型的军民两用技术，不仅可以用于海洋资源的勘探和开发，而且在海战中也有不可替代的作用。为了争夺制海权，各国都在开发各种用途的水下机器人，如探雷、扫雷、侦查、攻击型机器人等。

服务机器人是一种半自主或全自主工作的机器人，它能完成有益于人类健康的服务工作。服务机器人的应用范围很广，主要从事维护保养、修理、运输、清洁、保安、救援、监护等工作。

3.发展趋势

仿生机械领域已经取得了丰富成果，并应用到人们生活、生产的许多方面。但和经过大自然亿万年的精雕细刻的生命体相比，这仅仅是个开始。

从蒸汽机发明到今天、机器的能量利用、转换及控制的问题基本得到了解决，但和实现机器的高度自动化和适应内外环境变化的要求，还相差甚远。这要求赋予机器人“人工智能”，实现对信息的有效利用、转换和控制。在这一点上，经过大自然锤炼的生物体以独特的方式，十分完美地进行着自动控制过程。

在控制论和信息论的基础上，配合以各学科的共同努力，把生物体的信息加工、信息储存和提取等优异机理逐步移入技术系统中，圆满地解决技术，系统中的此类问题，创造出具有“人工智能”的机器人，根本改变人类社会的面貌，并有可能引发新一轮的工业革命。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第6册，中国大百科全书出版社，2009年

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