仿生与机械工程的未来
【摘要】 机械工程的不断前进离不开仿生研究,所以说仿生研究与机械工程息息相关。利用大自然的生物体的奇特功效和功能用于机械工程,班固人类减轻负担。本文主要是引出新时代的机械工程与仿生之间的关系,介绍仿生机械学的发展现状,包括仿生机械抓取、仿生移动机械、仿生承力机械;以及仿生机械学存在的问题和发展趋势,最后得出结论。
【关键词】 仿生机械工程未来
1 引言
新时代的机械工程与传统的机械工程不同,它是机电一体化的一门新的学科。首先机械自身拥有的性能决定机械工程发展的内因,微电子技术促进机械工程的发展属于外因;现在科学技术的飞速发展主要是仿照了生物外形、结构和功能的设计来改进机械工程的,因为机械设备本身的结构、状态、控制、消耗的合理性是基础,合理性就需要合理的判断,那就是大自然的生物界。虽然每一项的机械设计都极力与大自然的生物体相匹配,但是在很多情况下,人造的机械工程还是逊于生物体。为了能更好的将大自然的生物体的神奇特性和功能赋予到我们能够利用的机械工程,使自然界能够更高效、更有规律的进行,就需要仿生的产生。
2 仿生机械学的发展现状
仿生机械学的研究领域主要包括生物力学、控制体和机器人。下面分别介绍这几个仿生机械的发展现状:
2.1 仿生机械抓取
仿生机械抓取功能就是研究放仿人形机械手。人手活动非常灵敏,因此在仿生人形机械手的时候设计了27个自由度,这样不仅能精确定位,还能让它做出复杂又精细的动作,这给医学的健康工程和假肢技术等提供了便利。
仿人形机械手分为六个部分,分别为:(1)工业机器人用机械手。采用的是伺服机和自动控制技术,研发出实用性强的自动操作装置,帮助人类完成许多琐碎的、机械的、耗时的和危险性高、环境恶劣的作业;(2)科研智能机器人用机械手。主要用于太空和海洋的探测、拍照,对试样的采集和分析。随着科学技术的不断前进,科研对机器人的精度要求越来越高,仿生机械学就不断的改良自己的机械;(3)医疗用机械手。主要目的是补偿人缺失的功能,例如将器械直接安装到人体上或者是设在体外,形成独立的系统;(4)军事用机械手。主要用于战争时的排雷、反恐袭击,目前实验的军事机械手功能逐渐转向一些独特的作用,例如可以实现对别国的卫星进行干扰甚至打击,将其卫星捕获;(5)家庭用机械手。家用机器人受到许多技术的限制,致使反应不灵敏,所以一些类似端杯子的活还不能做,但是2011年初,美国哈弗和耶鲁大学的研究员螳螂腿部结构的启发,对家用机器人进行了一番改造之后,新设计出来的机械手可以自动调节并抓住各种形状的物体,提高了它的灵敏性和精确性。
2.2 仿生移动机械
随着科研的不断前进,传统轮式移动的机械已经不能满足人类的需求,因此研究员就根据在特殊的环境的生物移动方式进行深入研究和拓展。
主要研究了六种移动机构,分别为:(1)仿生轮式移动机构。传统的轮式就够具有速度快的特征,但是在复杂环境下,稳定性不好,从而影响运动的速度。利用仿生机械学的机理,模仿一个跟生物一样的膝关节,使之在转动时即使遇到不平衡的地形也可以有足够的稳定性和速度;(2)仿生足式移动机构。足式移动机构是运用最广泛的陆地运动,模仿起来也比较复杂。传统的步式机构自由度多、控制复杂、运动缓慢、运动障碍物时无能为力。而新型的步式机构模仿的是螳螂的腿部结构,从而制造出具有八条腿的机器人,使得其速度和稳定性都有所提高,打破了传统步式结构的记录;(3)仿生履带式移动机构。所谓仿生履带式移动机构就是在继承了传统的履带式移动机构的基础上,装备了两对对鳍状肢,使其无论是在跨越障碍,跨越鸿沟、攀爬方面都有了明显的优势;(4)仿生蠕动式移动机构。例如仿生蛇的蠕动,就是将移动的机构的一部分由带有轮子的模块串成,另一部分有强度大的连状构成,通过运动之间的扭转实现运动;(5)游动式移动机构。当陆地的资源不足以满足人类的需求的时候,海洋就成了人类垂涎的地方,而采用传统的螺旋桨移动机械在前进的过程中会产生侧向的涡流,降低了前进速度,浪费能量。因此模拟海洋生物强的降低阻力的外形和灵敏的游动方式至关重要,也称为未来游动式移动机构发展的趋势;(6)飞行式移动机构。它是基于模拟鸟类或昆虫飞行的原理设计出来的,也就是通过扑翼就能实现举升、悬停和前进。
2.3 仿生承力机械
以上都是讲仿生学运用到机械的结构设计中,但是生物的某种特定功能、机理、特定静态承力结构也显得很重要,这就是仿生承力机械。
3 仿生机械学存在的问题和发展趋势
尽管仿生机械学已经得到了人类的重视,但是在不断的探索和研究中扔发现许多问题,表现如下:(1)技术水平的限制。经过几亿年的进化,生物已经形成了很复杂且特殊的功能,而目前,人类却对这种功能袖手旁观,因为缺乏必要的技术手段。因此很难对生物体进行细致、深入、系统的研究,这就影响的仿生的水平。(2)仿生机械学是一门边缘学科。它涉及了生物学、机械工程、电子技术等很多学科的交叉、渗透。因此大大的增加了仿生机械工程学的学习困难度,也很难协调的运用它。(3)仿生研究的方向问题。目前很多研究员是将仿生看成是一种了解生物体奥妙之后运用的学科,其实学习仿生学,更应该从本质上去了解生物体的结构、功能之间的关系和产生的实用性系统或装置,只有突破它,才能更好的运用带人类中,为人类服务。
仿生机械学的研究和运用在科学技术领域上虽然仅仅迈出了一小部分,但是随着人类对其他学科的不断深入研究,以及目前生物技术的高速发展,都会直接的或间接的促进仿生机械学的发展,使其拥有更为广阔的发展前景。
4 结语
仿生机械学都是基于大自然的研究,所有的机械工程设计的灵感都是来自大自然中的生物体。因此,人类不能盲目的利用大自然,应该走出一条自己创新的路,不要老跟在别人后面,科学技术力量才会更加壮大。未来的仿生与机械工程都会向着更精密,更稳定的方向发展。
参考文献:
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