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发布时间:2021-01-25 09:28:13

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作者:罗庆生 罗霄 编著

出版社:北京理工大学出版社

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我的机器人——仿生机器人的设计与制作

我的机器人——仿生机器人的设计与制作试读:

版权信息书名:我的机器人——仿生机器人的设计与制作作者:罗庆生 罗霄[编著]排版:咪奥出版社:北京理工大学出版社出版时间:2016-01-31ISBN:9787568217248本书由北京理工大学出版社有限责任公司授权北京当当科文电子商务有限公司制作与发行。— · 版权所有 侵权必究 · —序言FOREWORD

机器人是一种自动执行工作、完成预期使命的机器装置。它既可以接受人类临场的指挥,又可以运行预先编排的程序,还可以根据以人工智能技术制定的原则纲领自主行动。其任务是协助或取代人类在恶劣、危险、有害的环境或条件下从事单调、复杂、艰苦的各项工作。机器人技术作为20世纪人类伟大发明的产物,从20世纪60年代初问世以来,经历50多年的发展,现已取得突飞猛进的发展和持续创新的进步,已经成为当代最具活力、最有前途的高新技术之一。

2015年11月20日,在“致2015世界机器人大会贺信”中国家主席习近平同志指出:在人类发展进程中,诞生了大量具有里程碑意义的创新成果。巴比伦的计时漏壶、古希腊的自动机、中国的指南车等,就是古代人类创造的自动装置中的精妙之作。这些创造发明,源于丰富多彩的生产生活实践,体现了人类创造生活、利用自然的执着追求和非凡智慧。他还指出:当前,世界正处在新科技革命和产业革命的交汇点上。科学技术在广泛交叉和深度融合中不断创新,特别是以信息、生命、纳米、材料等科技为基础的系统集成创新,以前所未有的力量驱动着经济社会发展。随着信息化、工业化不断融合,以机器人科技为代表的智能产业蓬勃兴起,成为现时代科技创新的一个重要标志。中国将机器人和智能制造纳入了国家科技创新的优先重点领域,我们愿加强同各国科技界、产业界的合作,推动机器人科技研发和产业化进程,使机器人科技及其产品更好地为推动发展、造福人民服务。

2014年6月9日,习近平主席出席中国科学院第十七次院士大会、中国工程院第十二次院士大会,就科技创新,尤其是“机器人革命”发表讲话。他表示,科技是国家强盛之基,创新是民族进步之魂。自古以来,科学技术就以一种不可逆转、不可抗拒的力量推动着人类社会向前发展。从某种意义上说,科技实力决定着世界政治经济力量对比的变化,也决定着各国各民族的前途命运。而机器人技术领域的创新则是新一轮科技革命和产业变革的产物,将成为各国科技创新赛场上的“亮点”。习近平主席还说,“我看了一份材料,说‘机器人革命’有望成为‘第三次工业革命’的一个切入点和重要增长点,将影响全球制造业格局,而且我国将成为全球最大的机器人市场。国际机器人联合会预测,‘机器人革命’将创造数万亿美元的市场。”他表示,国际上有舆论认为,机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”,其研发、制造、应用是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。机器人主要制造商和国家纷纷加紧布局,抢占技术和市场制高点,我国将成为机器人的最大市场。习主席强调,我国不仅要把机器人水平提高上去,而且要尽可能多地占领市场。“这样的新技术新领域还很多,我们要审时度势、全盘考虑、抓紧谋划、扎实推进。”

正如习主席所说,科技创新就像撬动地球的杠杆,总能创造出令人意想不到的奇迹。当前机器人技术获得了井喷式的发展,是世界各国抢滩未来经济科技发展的重要时机,中国必须紧紧抓住并牢牢把握这一机遇,在创新的道路上迎头赶上、奋起直追、力争超越。

随着2016年的到来,我们已经迈过了21世纪里超过七分之一的历程。回顾过去,展望未来,我们心潮澎湃、浮想联翩。20世纪,人类取得了辉煌的成就,从量子理论和相对论的创立,脱氧核糖核酸双螺旋结构的发现,到原子能的和平利用,人类基因组图谱的绘制,世界科技发生了深刻的变革,并给世界科技和人类生活带来蓬勃前进的动力。尤其是机器人技术,尽管其问世的时间还不太长,但其在改变人类工作方式、提高企业生产效率、丰富人们日常生活、增强国家经济实力等方面表现出来的强劲势头不可阻挡。以工业机器人为例,其在经历了诞生—成长—成熟期后,已成为制造业中不可或缺的核心装备。目前,世界上有近百万台工业机器人正与工人师傅并肩战斗在各条战线上。而特种机器人作为机器人家族中的后起之秀,由于其功能多样、用途广泛而大有后来居上之势,各种仿人形机器人、资源勘测机器人、星球探险机器人、军用机器人、农业机器人、服务机器人、医疗机器人、娱乐机器人纷纷面世,并以飞快的速度和高超的技能向实用化迈进。

北京理工大学“特种机器人技术创新中心”是一支由中国著名机器人专家、教育部创新教学方法指导委员会委员、北京市教学名师、博士研究生导师罗庆生教授率领的科研团队,目前拥有博士生导师、教授、高工、博士等高素质成员30余人。团队多年来一直从事特种机器人的技术创新、产品研发、教育推广、市场普及等工作,在科学研究、技术创新、产品开发、成果转化、人才培养方面卓有建树。近年来,团队整合了全校多个相关学科的技术、人才和信息优势,成为一支在国内影响力很大、知名度很高的攻关力量强大、研发经验丰富、各色人才汇集、满足市场需求的高新科技研发实体,并与一些企业建立起良好的产学研协作关系,推动着特种机器人技术及产品的不断进步。团队主要成员具有突出的科技攻关实力,在特种机器人涉及的各个研究领域有着深厚的学术造诣和丰富的实践经验,尤其在机器人结构设计技术、机器人运动学与动力学分析技术、机器人伺服控制技术、机器人多传感器与信息融合技术以及机器人群组网络通信技术方面有着多年的工作积累和科研经验。历年来,在承担国家“863”、“973”和一些省部级纵向课题研究过程中,团队成员更是大大提升了自身的理论水平和技术能力。

在带领北京理工大学特种机器人技术创新团队承担高新科技项目攻关的同时,罗庆生教授将教书育人、科研育人、创新育人作为自己责无旁贷的任务,辛勤工作在本科生教育第一线,并坚持不懈地探索创新型人才培养新模式,尤其是结合我国大学教育和中学教育的具体情况,以机器人技术为抓手,深入探索创新人才的培养模式,努力构建创新人才的培养体系。为使培养出来的学生成为创新型、复合型、通才型的人才,罗庆生教授在课堂教学中不断深化并发掘学生的创新潜力、激发学生的创新思维,始终将指导学生开展课外科技创新活动作为自己的份内工作,探索并实施了书本内外结合、课堂内外结合、校园内外结合、理论实际结合、继承创新结合、动脑动手结合的新型教学模式,并把这一模式贯彻到指导大学生、中学生开展课外科技创新活动中去。从课堂教学到指导学生课外科技创新,罗庆生教授深受同学们好评,于2010年与2014年两度获得北京理工大学“我爱我师”称号,并在2014年由北理工上万名师生参与的投票中获选为“感动北理,激励你我”先进模范称号。

在指导各创新团队开展课外科技创新活动的过程中,罗庆生教授始终坚持“大学生课外科技创新、毕业设计课题、实验室科研项目”三位一体的结合方式,提出了“以高带低、以硕带本”创新实践理论。创新团队中吸纳了来自全校范围中不同专业、不同年级的学生开展课外科技创新活动,以指导教师所在实验室、各学院大学生科技创新协会和基础教育学院创新基地为硬件,以创新团队中研究生成员和高年级本科生成员的研究经验、实验技能等为软件,软硬结合,为学生创新能力的培养提供全方位支持。在开展科技创新活动过程中,团队指导教师和管理团队群策群力、因势利导,帮助学生端正“做人、做事、做学问”的态度,帮助学生树立“创新增智、创新成才”的信心,敢于、善于面对创新实践过程中的各种困难,引导团队成员将浓厚的学习兴趣转化为生机勃勃的创造力。多年来,罗庆生教授所指导的学生课外科创团队获得20余项全国大学生科技竞赛最高奖,罗庆生教授成为全国大学生科技创新活动中最有影响力和知名度的指导教师之一。2012年10月,其指导本科生创新团队研制成功的新型节肢机器人,作为教育部、科技部联合推荐的全国高校唯一入选作品精彩亮相“科学发展成就辉煌”大型图片实物展,向党的“十八大”成功召开献礼,轰动全国,极大地鼓舞了全校师生。2014年10月,其指导的两件学生科创作品“基于人体工学的穿戴式增力套装”和“大角度矢量推进式水下多用途机器人”在第七届全国大学生创新创业年会上大放异彩,在学生代表评选的“我最喜爱的项目”与参会专家评选的“最佳创意项目”中均名列前茅,在两项投票中斩获“我最喜爱的项目”十佳第一名、第二名,同时获得“最佳创意项目”十佳第一名、第三名。2015年9月,其指导的学生科创作品“飞天灵蛛机器人”在第八届全国大学生创新创业年会上再创辉煌,在学生代表评选的“我最喜爱的项目”与参会专家评选的“最佳创意项目”中再度名列前茅,这是北京理工大学连续八年在全国大学生创新创业年会中获得“十佳”项目称号,也在全国高校大学生科技创新活动中树立了一面旗帜,一面为培养创新型人才不懈努力的旗帜。

今天,机器人虽已广泛进入各行各业,开始大显身手,但人们,尤其是青少年们,常常还会对机器人存在神秘感,一些影视大片关于机器人的种种描述会使人们感到困惑,机器人是敌是友?这些困惑会引导人们发问:什么是机器人?机器人的基础知识有哪些?机器人的基本组成部分又有哪些?机器人的基本组成部分如何构成有机的整体?普通人能否设计或制作属于自己的机器人?

我们说机器人的出现与发展是社会进步和经济发展的必然结果,机器人是为了提高社会的生产水平和人类的生活质量而应运而生的,让机器人替人们去干那些人们不愿干或干不了、干不好的工作。在现实生活中,有些工作会对人体造成很大的伤害,如汽车制造厂里面的喷漆、焊接作业等;有些工作会对人们提出很高的要求,如生产流水线上的精密装配、重物搬运等;有些工作环境让人无法身临,如火山探险、深海探密、空间探索等;有些工作条件让人无所适从,如毒气弥漫、废水横流、辐射泄漏等;这些场合都是机器人大显身手的地方。以机器人代人,将人从繁重的体力劳动和辛苦的脑力劳动中解放出来已经成为一种不可逆转的趋势。我们——北京理工大学特种机器人技术创新团队的责任就是加快这一趋势的到来与实现。

本书是为解答人们,尤其是青少年们关于机器人的困惑而写的。本书由第1章小型仿生机器人的基本概念、第2章让你的机器人善运动——驱动系统、第3章让你的机器人会思考——控制系统、第4章让你的机器人有能量——电源系统、第5章让你的机器人能感知——传感系统、第6章让你的机器人懂沟通——通信系统、第7章制作你的小型仿生机器人、第8章小型仿生六足机器人的设计与制作、第9章小型仿生四足机器人的设计与制作、第10章小型仿人双足机器人的制作与装配、第11章小型仿生机器人的调试与编程,以及参考文献等章节组成。通过本书的系统讲述,能够让毫无专业背景的学习者逐步了解机器人的基础学科知识,掌握机器人的基本设计方法,熟悉机器人的基本制作技能,学会机器人的基本组装过程,最重要的一点就是能够让学习者亲手制作属于自己的小型仿生机器人,并通过创新编程方式,让机器人能运动、会跳舞,还可参加创意演出,甚至搏击比赛,体验操控机器人的乐趣。

原中国工程院院长宋健同志曾经指出:“机器人学的进步和应用是20世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义上的自动化。”机器人技术综合了多专业、多学科、多领域的发展成果,代表了当代高新技术的发展前沿,它在人类生活应用领域的不断扩大正引起国际上重新认识机器人技术的作用。“工欲善其事,必先利其器”。人类在认识自然、创新实践的过程中,不断创造出各种各样为人类服务的工具。作为20世纪自动化领域的重大成就,机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。世间万物,人是最宝贵的,人力资源是第一资源,这是任何其他物质不能替代的。我们的责任在于让机器人帮助人类把人力资源的优势尽量发挥。我们完全有理由相信,像其他许多科学技术的发明发现一样,机器人应该也一定能够成为人类的好助手、好朋友,让机器人技术帮助广大青少年真正成为创新型人才吧!

本书由罗庆生、罗霄担任主编著;葛卓、黄祥斌担任副编著;吴帆、张述玉、朱立松、徐峰、高博、赵明、刘广新、赵嘉珩、赵锐、王雪慧等人参与了本书部分内容的研究与撰写工作。

在本书研究与写作过程中,得到了北京理工大学相关部门的热情帮助,还得到了许多同仁的无私支持。值本书即将付印出版之际,谨向所有关心、帮助、支持过我们的领导、专家、同事、朋友表示衷心的感谢!编著者第1章小型仿生机器人的基本概念1.1 生物的本领1.1.1 不同凡响的探测能力

自然界中的各种生物通过物竞天择和长期进化,已对外界环境产生了极强的适应性,在能量转换、传感探测、运动控制、姿态调节、信息处理和方位辨别等方面还表现出了高度的合理性,已日益成为人类提升科学研究水平、开发先进技术装备的参照物和借鉴物。

当人们放眼周围的自然界时,常常会被生物们不同凡响的探测能力所震惊和倾倒。例如,研究人员发现鲨鱼在搜寻猎物时,其传感器官会采用一种新颖的热探测形式[1],[2]。这种热探测形式之所以新颖,就在于它与一般哺乳动物采用的热探测形式不同。哺乳动物通常会利用冷敏感离子通道来将其身体周围的温度信息转换成能够被热传感神经细胞接收的电信号。但鲨鱼则有所不同,其头部前方生有敏感的“电传感器”,每个“电传感器”由一束传感细胞和神经纤维组成,它们均位于充满胶体的小管中,而小管的开口通过一个小孔通向鲨鱼身体表面。当鲨鱼身体周围的温度发生微小变化时,鲨鱼头部“电传感器”的细胞外胶体会发生明显的电压变化,这样,温度信息便在无需冷敏感离子通道的情况下被转换成电信号,这种响应快捷、高效,可帮助鲨鱼迅速找到可能提供丰富食物的热锋信息。1.1.2 别具一格的伪装能力

自然界中的许多生物往往都有着自己独特的生存绝技,伪装术就是其中之一[3]。漫长的进化和变异过程,为众多生物赢得了天生“伪装大师”的美称。生物们利用其自身结构和生理特性来“隐真示假”,与人类在军事斗争中采用的伪装术是异曲同工、殊途同归。

追根溯源,人类战争史以及由此产生的军事伪装术仅有数千年的历史,而形形色色的生物伪装术则伴随着物竞天择与适者生存的自然规律不断演化,有着与生物生命史一样久远的发展历程。尤其是隐身、拟态、干扰等生物伪装术花样繁多。

按照伪装方式的不同,生物伪装术大致可以分为隐身、拟态和干扰三类[4]-[6]。1. 隐身伪装术

所谓隐身,其实就是“隐真”(见图1-1),有些生物会以外部自然环境为隐身基准,通过改变自身色调色彩,达到隐蔽自我、迷惑天敌或捕食猎物的目的。例如,生活在丛林里的变色龙就是通过采用掩护色,把自己的肤色调整得与四周环境的颜色一致,以避免被猎物发现,从而有利于自己隐蔽前进和发起攻击。生物隐身伪装术可谓是人类军事隐身伪装术的灵感源泉,为人类军事隐身伪装术的发展提供了宝贵的参考与借鉴[7]。图1-1 隐身伪装术2. 拟态伪装术

所谓拟态伪装,其实就是“示假”(见图1-2)。在动物世界里,竹节虫的拟态伪装术可谓炉火纯青,完全能够以假乱真。当竹节虫趴在植物上时,其自身体形与植物形状十分吻合,能够装扮成被模仿的植物,或枝或叶,极其相似;同时,竹节虫还能根据光线、湿度和温度的差异来改变体色,让自身完全融入周围的环境中,使鸟类、蜥蜴、蜘蛛等天敌难以发现其存在。图1-2 拟态伪装术3. 干扰伪装术

如果说隐身和拟态伪装还属于被动伪装范畴,那么乌贼施放烟幕避敌则是生物采用主动干扰方法实施伪装以求生存的典范(见图1-3)。解剖实验表明,乌贼体内有一个专门用来存储黑色液体的“墨囊”,当乌贼遇到侵害时,就会从“墨囊”中喷出与自己形态相似的黑色浓液,悬浮在水中。当敌害碰到时,浓液会“爆炸”,并在周围形成一层浓黑的烟幕。图1-3 干扰伪装术

对生物伪装的研究以及由此而衍生的生物伪装技术,大大提高了人类军事伪装术的效能。与传统的伪装方法相比,生物伪装术主要有以下四个方面的优点[8]:(1)取材简单

自然界中的生物在进行合成代谢时,大都以随处可得的物质(如空气、水、植物和矿物质等)为原料,以阳光等为能源,不仅原料成本低,而且取之不尽、用之不竭。(2)安全可靠

抛开眼花缭乱的表征,生物伪装的实质就是生物化学反应,这类反应大多是在酶的催化作用下进行的,要求输入的能量少,反应条件缓和,工艺和设备简单,操作安全性好。(3)活性强劲

生物分子通常具有复杂的精细结构,这种结构往往会赋予生物分子特殊的活性,即所谓的“生物特异功能”,例如准确、敏感的感知能力,高效、迅速的搜索能力,牢固、可靠的黏结能力等。(4)结构紧凑

生物系统中的信息码、功能模块、制造组装单元都是在分子水平上以完美方式自组装起来的,其结构比具有类似功能的人造光学或机械系统紧凑得多。

有关研究表明,当真假目标的数量达到一定比例时,成功的“隐真”和“示假”相当于增加了10倍的兵力;当真假目标各被揭露50%时,相当于增加了40%的兵力;当真目标完全暴露而假目标未被识破时,相当于增加了67%的兵力。由此可见,伪装在军事上的作用非同一般。生物在伪装上的招数,无疑为现代军事伪装开拓了新的研究思路,具有广阔的应用前景(见图1-4)。图1-4 伪装在军事方面的应用1.1.3 出类拔萃的通信能力

世界上没有一种动物能够真正单独地生活。动物之间相互联系有着自己独特的方式。例如,蚂蚁在集体生活时,靠特殊的“化学语言”保持联系[9]。这种特殊的“化学语言”其实就是激素,它是由蚂蚁某一器官或组织分泌到体外的一种化学物质。蚂蚁在寻找食物时,会将这种激素散布在来回的路上,同伴们根据留下的气味,就知道去哪里觅食。一同前去的蚂蚁都散发出这种气味,使来往的道路成为“气味长廊”,成群的蚂蚁沿着这条长廊搬运食物,忙碌不息(见图1-5)。蚂蚁还能利用气味辨别谁是同族,谁是异族。如果蚂蚁误入异族巢穴而被发现,其命运就非常可悲了。图1-5 蚂蚁集体觅食

猩猩靠声音互相联系。当一只猩猩看到树上结有果实时,它会大声呼啸,告知同伴前来分享;当猩猩遇到敌害时,它也会发出号叫,恳请同伴前来救援。

昆虫的鸣叫是为了吸引异性同类,或是对其他动物进行警告。蝉的腹部生有气室,气室的一边是鼓膜,气室中空气的流动使鼓膜发生振动而吱吱作响。蝗虫用后腿摩擦翅膀发出响声,蟋蟀则用双翅相互擦击发出叫声。

许多时候,动物接收信息靠的是眼睛,而比较容易被眼睛接收的是色彩和动作。雄孔雀开屏时展现绚丽多彩的羽毛,就是将缤纷的色彩作为信息引起雌孔雀的注意,同时也是对其他雄孔雀发出警告。

蜜蜂以婀娜多姿的舞姿为信号,与同伴进行联系。奥地利生物学家弗里茨经过细心的研究,发现蜜蜂舞蹈的秘密。蜜蜂的舞蹈主要有“圆舞”和“镰舞”两种形式。当工蜂外出回巢后,常做一种有规律的飞舞。如果工蜂跳“圆舞”,就是告诉同伴蜜源与蜂房相距不远,约在100 m;如果工蜂跳“镰舞”,就是告诉同伴蜜源与蜂房相距较远。路程越远,工蜂跳的圈数就越多,频率也越快。1.2 生物的启迪1.2.1 发人深省的对比1. 片流膜的发明[10]

马克思·克雷默博士倚靠在轮船甲板的栏杆上,尽管大西洋的景色壮美无比,但却没有引起他的丝毫兴趣,唯有那群逐浪嬉戏的海豚始终牵引着他的视线。克雷默博士是一位学有专长、造诣深厚的德国科学家。第二次世界大战以前,他在德国航空研究中心领导着抗湍流的研究。这次,他应聘到美国海军某研究所工作。连日来,他一直注意着大西洋上的海豚,眼前这群游速达每小时50 km的活泼海豚,伴随着轮船快速游行已有两个多小时,但看上去它们的动作依然是那样的潇洒自如、刚劲有力,没有丝毫倦意。克雷默博士对此产生了绝大的兴趣。由于从事抗湍流研究工作已有多年,他非常清楚与空中飞行物要经受气流产生的湍流的阻力一样,在水中运动的物体同样也会经受水中湍流的强劲阻力。他不禁奇怪海豚是怎样抗击湍流而高速游动的,虽然海豚具有非常完美的流线型外形,头部和尾部狭尖而中间部分宽厚,耳壳和后肢都已退化消失,身长与厚度的比例十分合理,浑身光滑少毛,这些特点对海豚减小水中湍流阻力十分有利。然而,有人做过试验,航速为每小时50 km的轮船若拖着一只与海豚身形相同、大小相仿的物体在海上航行,需要增加2.6匹马力[1]。而眼前的海豚按其身躯大小来估计,本身是不可能产生那么大的驱动力的。海豚能在比空气密度大800倍的水中轻松地追随高速航行的轮船,必定有其奥妙之处。是不是海豚能以最小的动力来最大限度地把湍流变成片流呢?如果这个问题能搞清楚,那么对抗湍流的研究一定会有所帮助。

1956年,克雷默博士终于得到了梦寐以求的海豚皮样张,立即对它进行了仔细研究。这张海豚皮厚度约为1.55 mm,富有弹性和疏水性。经过切片,在显微镜下观察,可见其组织结构与其他脊椎动物的皮肤一样,也是由表皮、真皮和由胶质纤维与弹性纤维交错的结缔组织组成的。但与众不同的是,海豚的真皮层上面有许多小乳突,根据各部位比较,这些小乳突在额部和尾部特别发达。这些小乳在突对抗湍流时有什么作用呢?克雷默博士决心弄个明白。通过研究,他认为这些小乳突形成了很多微小的管道系统,在运动中能经受很大的压力,含有胶质纤维和弹力纤维交错的结缔组织,中间充满了脂肪,增加了海豚皮肤的弹性,皮肤的弹性和疏水性在很大程度上消除了水流由片流变成湍流的振动,并能使水分子集结成环状结构在海豚体表上滚动。众所周知,滚动摩擦的阻力是最小的,从而把水阻力大大地减小了,再加上海豚皮下肌肉能做波浪式运动,使富有弹性的皮肤在水的压力下灵活地变形,使其和水流的运动相一致,进而有效地抑制水流高速流经皮肤时产生的漩涡,这样海豚即便在高速运动时,也能把水阻力降低到最小限度。

据此,克雷默博士开始研制人造海豚皮。1960年,他在美国橡胶公司工作期间,用橡胶仿造海豚皮肤的结构研制出一种名叫“片流膜”的人造海豚皮(见图1-6)。这种片流膜由三层组成:表层、底层和中间层。表层和底层都是光滑的薄层,当中的一层设置了许多容易弯曲的小突片,形成一种微细的管道系统,其内充满了富有弹性的液体,使片流膜具有弹性。后来克雷默博士将片流膜装配在潜水装置上进行试验,结果使湍流减少了50%。此后,美国军方将这种片流膜安装在潜水艇的表面,取得了很好的效果,大大提高了潜水艇的航行速度。以后人们又将这种片流膜安装在输送石油的管道内壁上,同样显著提高了石油输送的效率。图1-6 海豚皮与人造海豚皮2. 青蛙眼和电子眼

电子蛙眼是电子眼的一种,其前部实际上就是一个摄像头,成像之后通过光缆传输到电脑设备显示和保存,它的探测范围呈扇状且能转动,这与蛙类的眼睛(见图1-7)类似。图1-7 蛙眼

科学家根据蛙眼的原理和结构发明了电子蛙眼。现代战争中,敌方可能发射导弹来攻击我方目标,这时我方可以发射反导弹截击对方来袭导弹,但敌方为了迷惑我方,又可能发射假导弹来扰乱我方的视线。在战场上,敌人的飞机、坦克、舰艇发射的真假导弹都处于快速运动之中,要克敌制胜,就必须及时把敌方真假导弹区别开来。如果我方能将电子蛙眼和雷达相配合,就可以像蛙眼一样,敏锐、迅速地跟踪飞行中的真目标。

青蛙捕虫的本领十分高强,当有小虫从它眼前飞过时,青蛙便一跃而起,以迅雷不及掩耳之势将小虫捕获。但令人惊异的是,青蛙那双凸起的眼睛,对静止的东西却往往视而不见,即使有它最喜爱的苍蝇待在眼前,也不会引起它的注意。这种现象引起了科学家们的浓厚兴趣,对蛙眼的结构进行了仔细研究,发现蛙眼里面有四种神经细胞,也就是四种“检测器”。它们的形状、大小和树状突分支各不相同,每种细胞接受范围的大小和轴突传导信号的速度也各不相同。第一种神经细胞叫反差检测器,它能感觉运动目标暗色前后缘;第二种神经细胞叫运动凸边检测器,它对有轮廓的暗颜色目标的凸边产生反应;第三种神经细胞叫边缘检测器,它对静止和运动物体的边缘感觉最灵敏;第四种神经细胞叫变暗检测器,只要光的强度减弱了,它就能立刻反应。蛙眼在这四种神经细胞的作用下,能把一个复杂图像分解成几种容易辨别的特征,然后传送到青蛙大脑的视觉中心,经过综合,就能看到原来的完整图像。

科学家们还对青蛙进行了特殊的实验研究。原来,蛙眼视网膜的神经细胞分成五类,一类只对颜色起反应,另外四类只对运动目标的某个特征起反应,并能把分解出的特征信号输送到青蛙大脑的视觉中枢——视顶盖。视顶盖上有四层神经细胞,第一层对运动目标的反差起反应;第二层能把目标的凸边抽取出来;第三层只看见目标的四周边缘;第四层则只管目标暗前缘的明暗变化。这四层特征就好像在四张透明纸上所画的不同图画,叠在一起,就是一个完整的图像。因此,在迅速飞动的各种形状的小动物里,青蛙可立即识别出它最喜欢吃的苍蝇和飞蛾,而对其他飞动着的东西和静止不动的景物都毫无反应。科学家们根据蛙眼的视觉原理,已研制成功了一种电子蛙眼(见图1-8)。这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样,准确无误地识别出特定形状的物体。把电子蛙眼装入雷达系统后,雷达抗干扰能力大大提高。这种雷达系统能够快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等,特别是能够区别真假导弹,防止敌方以假乱真,破坏我方的作战计划。图1-8 电子蛙眼1.2.2 生物形态的妙用1. 从猫胡子谈起[11]

养猫和爱猫的人都会觉得猫是一种温顺、可爱的小宠物。它们确实如此。但它们却属于一个特殊的动物科——猫科,这个科的成员还包括凶猛的狮子、老虎、豹子等。不管猫的生活地区、体形、外表有多大差异,猫都有一个共同之处,那就是它们的身体条件非常适合捕猎,它们都是技能高超的捕猎能手。猫有着锐利的眼睛、锋利的牙齿、带钩的尖爪、柔软的脚垫,猫的视觉、听觉、嗅觉十分敏锐,甚至连猫嘴边的胡子都能帮助它敏捷地捕食。

猫的胡子根部生有极细的神经,触及物体时猫就能及时感觉到,所以猫的胡子是一个特殊的感觉器官。它伸展的面积与猫的身体一样宽,这就能使猫在黑暗、狭窄的通道中探测路径,摸清自己的身体是否可以通过。胡子能帮助猫在暗中感觉周围情况,当猫的眼睛或耳朵都用不上时,胡子就能帮上大忙。平时走路、奔跑,猫也要靠着胡子感知周围的物体。特别是在捕鼠时,胡子可帮助猫探测鼠洞的宽度和深度,当胡子扫过老鼠的身体时,猫便能察觉老鼠所在,从而帮助捕鼠。因此,胡子既是猫的“探测器”,又是猫的“计量仪”,可为猫提供很多方便。

许多其他动物,特别是啮齿类动物,也有着触觉灵敏的胡子。鼹鼠除了在鼻子周围有一圈完整的胡子之外,末端还有一串称之为爱默氏器的细微神经末梢。这些神经末梢的排列十分致密,可以与触须一起共同来识别洞穴中的空气碰到障碍物而产生的气流的方向和压缩波的方向。如果夜晚鼹鼠要出洞,就以触须来试探洞穴外面的空气情况。星鼻鼹鼠的鼻尖周围有排列成星形的22个很小的裸露的肉质附属物,这是一种特异的超灵敏触觉器官,事实上,这种器官还有味觉机能,它可帮助星鼻鼹鼠探测沼泽、湖底和小河深处的食物。2. 从蜘蛛丝谈起

很多人认为,蜘蛛只是用丝来织网捕食。其实,再也没有别的动物像蜘蛛那样妙用蜘蛛丝了。蜘蛛用纤细的蜘蛛丝来织造住所、卵袋、套索、救生索、钟形潜水器以及众所周知的蛛网(见图1-9)。实际上,蜘蛛不是昆虫,而属于“蛛形动物”类。和昆虫不同,蜘蛛有八条腿,多数有八只眼,身体只有两节,无翼。蜘蛛在各种气候条件下都能生存。它们能在地上行走,能在树上攀缘,能在水面游荡,甚至还能在水中生活。图1-9 形形色色的蜘蛛网

蜘蛛在位于其腹内的一些腺体中造丝。蜘蛛的腹部末端生有吐丝器官,这些器官内有许多小孔,蜘蛛丝就从这些小孔中压出。蜘蛛丝出来时是液体,一接触到空气就变成固体。蜘蛛能够制造出许多不同类型的蜘蛛丝。其中,具有黏性的蜘蛛丝用来织网,以捕捉猎物;不具有黏性且较粗的蜘蛛丝用作蛛网的辐条;还有一种不同的蜘蛛丝则用来编织卵袋。蜘蛛所编织的蛛网有许多不同的类型,如“轮状网”是人们最为常见的一种;“皿网”的形状像漏斗或拱顶。活板门蛛则在网的顶端编织一个眼睑状的洞,用来捕捉猎物。还有的蜘蛛用蜘蛛丝编织成钟形潜水器,可使自己完全置于水中。

蜘蛛丝虽然十分纤细,但其强度和韧性相当惊人,一旦猎物被蜘蛛丝缠住,要想全身而退是难上加难。科学家们发现,蜘蛛丝是由大约17种氨基酸构成的蛋白质纤维,具有超强的韧性和抗断裂机能,同时还具有质轻、抗紫外线与生物可分解等特点,其优异的物理性质是一般纤维、天然纤维甚至是合成纤维所无法比拟的。在物理性质方面,蜘蛛丝的密度在1.34左右,与羊毛和蚕丝等蛋白质纤维相近。除了外观闪亮有光泽外,蜘蛛丝还具有耐热等特性。蚕丝在140℃便会产生黄化现象,而蜘蛛丝在200℃以下时则表现出优良的热稳定性,超过300℃时才会出现黄化现象。在力学性质方面,蜘蛛网圆周丝的初始模量虽比高强力芳香族聚酰氨纤维的略低,但明显高于Nylon6,且圆周丝在蜘蛛丝中并不是强度最高的一种。需要指出的是,高强力芳香族聚酰氨纤维的断裂伸长率只有2.5%~3%,而蜘蛛丝的断裂伸长率为36%~50%,因此具有吸收庞大能量的特性。蜘蛛丝的耐低温特性也十分优异。据测试,蜘蛛丝在-40℃时仍具有弹性,只是在更低温度下才会变硬。此外,蜘蛛丝几乎全部都是由蛋白质组成的,故有生物分解与回收等优点,不会对环境造成污染,符合可持续发展的要求。

由于蜘蛛丝性能优异,所以人类很早就对其展开了研究和利用[12]。在第一次世界大战期间,蜘蛛丝曾被用作望远镜和枪炮所附光学瞄准装置中的十字准线,但那时人们对其结构和性能还知之甚少。到了20世纪90年代,人们对蜘蛛丝蛋白基因组成、结构形态、力学性能等有了深入研究,为人造蜘蛛丝的商业化生产创造了条件。

天然蜘蛛丝主要来源于蛛网,产量很低,而且蜘蛛具有同类相食的天性,无法像家蚕一样高密度养殖,故想获得大量的天然蜘蛛丝十分困难。随着现代生物工程技术的发展,用基因工程的方法人工合成蜘蛛丝蛋白将会获得新的突破,人类通过工业化途径获取大量人工蜘蛛丝纤维的梦想一定会实现。3. 从生物电谈起

在一次国际自动控制技术学术会议上,当一个15岁的无手男孩用假手在黑板上用粉笔流利地写出“向会议的参加者致敬”的字样时,大厅里顿时响起了雷鸣般的掌声。人们兴奋不已、赞叹不绝,不断地向这种新颖控制技术的发明者表示热烈的祝贺。

发明者是怎样使假手能像真手一样工作的呢?其中生物电起到了关键作用。

早在18世纪末叶,科学家们对生物机体内的生物电流就已经有所认识[13]。因为生物体内不同的生命活动,如人体心脏的跳动、肌肉的收缩、大脑的思维等,都能产生相应的生物电,因而人们可以借助生物电来诊断各种疾病。

生物电的应用十分广泛,应用生物电来控制假手的运动就是其中之一[14],[15]。众所周知,人类双手的一切动作都是大脑发出的一种指令(即电信号)经过成千上万条神经纤维,传递给手中相应部位的肌肉引起的对应反应。如果人们把大脑指令传到肌肉中的生物电引出来,并把这个微弱的信号加以放大,这种电信号就可以直接去操纵由机械零件和电气元件组成的假手了。

国外曾经生产出一种机电假手,从肩膀到肘关节,使用了5只油压马达,手掌及手指的动作则利用两台电动马达驱动相应部件来完成。手臂在发出动作之前,利用上半身的各肌肉电流作为假手活动的指令,即在人体背脊及胸口安放相应的电极,用微型信号机来处理那里产生的电流信息,上述7台马达就能根据假手主人想做的动作进行运转。这种假手的动作与真手所能完成的动作大致相同,由于主要部分采用了硬铝及塑料,故其质量还不到2.63 kg。据报道,这种假手已能够做诸如转动肩膀、手臂和掌,以及弯曲关节等27种动作。它能为因交通及工伤事故而被齐肩截断手臂的残疾人解决生活和工作上的许多不便。

苏格兰一家假肢制造公司最近推出一种每根手指都装有电动机的人造手,该人造手具有多种抓取模式。普通的人造手像镊子那样用拇指、食指和中指夹东西,形象僵硬,而且十分不便。这种新型人造手则模仿了人手的抓取动作,即5根手指以适应物体形状的方式进行抓握。该公司的营销主管菲尔·纽曼说,这样不仅必需的抓取力更小,而且手掌的运动也具有了自然美感。

这种新型的人造手由两个肌电传感器控制。传感器安装在手臂残端,记录屈肌或伸肌绷紧时皮肤产生的电流。假肢使用者能以这种方式发出让人造手张开或攥紧的信号。因每根手指都可接收指令单独运动,这种新型人造手可做许多种动作。例如使用者可以伸出食指来操纵键盘。研究者认为这种新型人造手更加适合残疾人日常生活使用。

人造假手的出现不仅为残疾人带来福音,而且由于生物电经过放大之后,可以用导线或无线电波传送到非常遥远的地方去,这对扩大人类的生产领域、提升人类的工作能力将会产生巨大的影响。

生物电的研究对农业生产也具有巨大的意义。向日葵的花朵能随着太阳的东升西落而运动,含羞草的叶子一经扰动就会闭合起来,这些现象都是生物电在起作用的缘故。

植物中的生物电究竟是怎样产生的呢?有人曾做过如下的实验:在空气中,将一个电极放在一株植物的叶子上,另一个电极放在植物的基部,结果发现两个电极之间能产生30 mV左右的电位差。当将同样的一株植物放在密封的真空中时,由于植物在真空中被迫停止生命活动,所以植物基部和叶片之间的电压也就消失了。这个实验有力地证明,生物的生命活动是产生生物电的根源。1.3 仿生学的基本概念1.3.1 什么是机器人

按照一般辞典所述,所谓机器人,是指“能够代替人类做事的自动装置或具有人类形态的机器”。人们一般可将机器人简单定义如下:机器人是具有能够识别目标物体和使其运行的功能,并且按程序执行操作的自动机器。

目前流传着一个关于“机器人”名字起源的小故事,据说“机器人”这个术语来自捷克语中的“Robota”一词,即劳动的意思。“机器人”最早出现在1920年捷克斯洛伐克作家恰佩克发表的科幻剧《Rossum’s Universal Robots(罗萨姆的万能机器人)》中,它是小说中一群没有思想和情感的人造人中的主人公。机器人初期出现在小说中时,是反抗人类和给人们带来灾害的“坏蛋”,而现在机器人却是帮助人们做事、服务人类生活的不可或缺的“伙伴”。

1912年,美国科幻巨匠阿西莫夫提出了“机器人三定律”[16],这三条“定律”(Law)是所有机器人必须遵守的:

①机器人不得伤害人类,或袖手旁观坐视人类受到伤害;

②除非违背第一定律,机器人必须服从人类的命令;

③在不违背第一和第二定律的情况下,机器人必须保护自己。

虽然这只是科幻作家们在小说里描述的“信条”,但后来却正式成为机器人发展过程中科研人员必须遵守的研发原则。

自机器人诞生之日起,人们就不断尝试说明到底什么是机器人。随着科技的发展,机器人所涵盖的内容越来越丰富,定义也不断充实和创新。

现在,国际上对机器人的概念已经逐渐趋于一致,即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器[17]。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义,即“机器人是一种可编程和多功能的操作机,或是为了执行不同的任务而具有可用电脑改变和可编程动作的专门系统”。

参考各国、各标准化组织的定义,人们可以认为:机器人是一种由计算机控制的可以编程的自动化机械电子装置,它能感知环境,识别对象,理解指示,执行命令,有记忆和学习功能,具有情感和逻辑判断思维,能自身进化,能按照操作程序来完成任务。

经过多年的发展,机器人目前已经成为多种类、多功能的庞大家族,大到身高体壮,能够力举千钧;小到纤细无比,能够进入血管;上到翱翔太空,九天揽月;下到潜入深海,五洋捉鳖;它既可在工业生产中兢兢业业高质量地完成任务,也可走入寻常百姓家温情款款地端茶递水。

从应用环境考虑,机器人的大家族可以分为工业机器人和特种机器人两大类[18],[19]。工业机器人(见图1-10)是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人;特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人,包括探测机器人(见图1-11)、服务机器人(见图1-12)、水下机器人(见图1-13)、娱乐机器人(见图1-14)、军用机器人(见图1-15)、机器人化机器(见图116)等。图1-10 工业机器人(a)工业搬运机器人;(b)工业送料机人图1-11 探测机器人(a)航天探测机器人;(b)星际探险机人图1-12 服务机器人(a)家政机器人;(b)扫地机器人图1-13 水下机器人(a)深海探测机器人;(b)海洋探险机器人图1-14 娱乐机器人(a)nao娱乐机器人;(b)sony娱乐机器人图1-15 军用机器人(a)运输机器人;(b)作战机器人图1-16 机器人化机器(a)工业灵巧手;(b)机器人生产线1.3.2 什么是仿生学

仿生学(bionics)一词最早是在1958年由美国人斯蒂尔(Jack Ellwood Steele)采用拉丁文“bios”(生命方式)和词尾“nic”(具有……性质的)组合而成的[20]。

仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为,为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学,是一门由生命科学、物质科学、数学、力学、信息科学、工程技术以及系统科学等学科交叉而成的新兴学科。仿生学为科学技术创新提供了新思路、新理论、新原理和新方法。

今天,人们已越来越清醒地认识到:生物具有的功能比迄今任何人工制造的机械装备或技术系统都优越得多,仿生学就是要有效地应用生物功能并在工程上加以实现的一门学科,仿生学的研究和应用将打破生物和机器的界限,将各种不同的系统沟通起来。

仿生学的研究范围主要包括形态仿生、结构仿生、力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。下面将主要对前两种仿生形式做重点阐述,余者只做一般性介绍。1. 形态仿生(1)生物形态与形态仿生

在仿生学领域,所谓形态,是指生物体外部的形状[21]。所谓形态学,是指研究生物体外部形状、内部构造及其变化的科学。所谓形态仿生,是指模仿、参照、借鉴生物体的外部形状或内部构造来设计、制造人工系统、装置、器具、物品等。形态仿生的关键在于要能将生物体外部形状或内部构造的精髓及特征巧妙应用在人工系统、装置、器具、物品中,使之“青出于蓝而胜于蓝”。

对于各种模仿、借鉴或参照生物体的外部形状或内部构造而制造出的人工系统、装置、器具、物品来说,仿生形态是这些人造物体机能形态的一种形式。实际上,仿生形态既有物体一般形态的组织结构和功能要素,同时又区别于物体的一般形态,它来自设计师对生物形态或结构的模仿与借鉴,是受自然界生物形态及结构启示的结果,是人类智慧与生物特征结合的产物。长期以来,人类生活在奇妙莫测的自然界中,与周围的生物比邻而居,这些生物千奇百怪的形态、匪夷所思的构造、各具特色的本领,自始至终吸引着人们去想象和模仿,并引导着人类制作工具、营造居所、改善生活、建设文明。例如,我国古代著名工匠鲁班,从茅草锯齿状的叶缘中得到启迪,制作出锯子。无独有偶,古希腊的发明家从鱼类梳子状的脊骨中受到启发,也制作出了锯子。

大自然和人类社会是物质的世界,也是形态的世界(见图1-17)。事物总是在不断地变化,形态也总是在不断地演变。自然界中万事万物的形态是自然竞争和淘汰的结果。这种竞争和淘汰永无终结。自然界不停地为人们提供着新的形态,启迪着人类的智慧,引导人类在形态仿生上迈出创新的步伐。图1-17 生物的形态

现代社会文明的主体是人和人所制造的机器。人类发明机器的目的是用机器代替人来完成繁重、复杂、艰苦、危险的体力劳动。但是机器能在多大程度上代替人类劳动,尤其是人类的智力劳动?会不会因机器的大量使用而给人类造成新的问题?这些问题应该引起当今世界的重视。大量机器的使用使工作岗位出现了前所未有的短缺。人类已经在这种现代文明所导致的生态失调状况下开始反思并力求寻找新的出路。建立人与自然、人与机器的和谐关系,重塑科技价值和人类地位,在人与机器、生态自然与人造自然之间建立共生共荣的结构,从人造形态的束缚中解脱出来,转向从自然界生物形态中借鉴设计形态,是当代生态设计的一种新策略和新理念。

首先,形态仿生的宜人性可使人与机器形态更加亲近。自然界中生物的进化、物种的繁衍,都是在不断变化的生存环境中以一种合乎逻辑与自然规律的方式进行着调整和适应。这都是因为生物机体的构造具备了生长和变异的条件,它随时可以抛弃旧功能,适应新功能。人工形态与空间环境的固定化功能模式抑制了人类同自然相似的自我调整与适应关系。因此,设计要根据人的自然和社会属性,在生态设计的灵活性和适应性上最大限度地满足个性需求。

其次,形态仿生蕴含着生命的活力。生物机体的形态结构为了维护自身、抵抗变异,形成了力量的扩张感,使人感受到一种强烈的生命活力,唤起人们珍爱生活的潜在意识,在这种美好和谐的氛围下,人与自然融合、亲近,消除了对立心理,使人们感到幸福与满足。

最后,形态仿生的奇异性丰富了造型设计的形式语言。自然界中无数生物丰富的形体结构、多维的变化层面、巧妙的色彩装饰和变幻的图形组织以及它们的生存方式、肢体语言、声音特征、平衡能力为人工形态设计提供了新的设计方式和造美法则。生物体中体现出来的与人沟通的感性特征将会给设计师们新的启示。

人类对自然界中的广大生物进行形态研究和模拟设计源远流长、历史悠久,但是作为一门独立的学科却是20世纪中叶的事情。1958年,美国人J·E·斯蒂尔首创了仿生学,其宗旨就是借鉴自然界中广大生物在诸多方面表现出来的优良特性,研究如何制造具有生物特征的人工系统。在某种意义上人们可以认为:模仿是仿生学的基础,借鉴是仿生学的方法,移植是仿生学的手段,妙用是仿声学的灵魂。例如,枫树的果实借助其翅状轮廓线外形从树上旋转下落,在风的作用下可以飘飞得很远。受此启发,人们发明了陀螺飞翼式玩具,而这又是目前人类广泛使用的螺旋桨的雏形。

现代飞行器的仿生原型是在天空中自由翱翔的飞鸟(见图1-18)[22]。鸟的外形可减小飞行阻力,提高飞行效率,飞机的外形则是人们对鸟进行形态仿生设计的结果(见图1-19)。鸟的翅膀是鸟用以飞行的基本工具,可分为四种类型:起飞速度高的鸟类,其翅膀多为半月形,如雉类、啄木鸟和其他一些习惯于在较小飞行空间活动的鸟类。这些鸟的翅膀在羽毛之间还留有一些小的空间,使它们能够减轻重量,便于快速行动,但这种翅膀不适合长时间飞行。褐雨燕、雨燕和猛禽类的翅膀较长、较窄、较尖,正羽之间没有空隙。这种比较厚实的翅膀可向后倒转,类似于飞机的两翼,可以高速飞行。其他两种翅膀是“滑翔翅”和“升腾翅”,外形类似,但功能不同。滑翔翅以海鸟为代表,如海鸥等,其翅膀较长、较窄、较平,羽毛间没有空隙。在滑翔飞行期间,鸟不用扇动翅膀,而是随着气流滑翔,这样可以使翅膀得到休息。滑翔时,鸟会下落得越来越低,直到必须开始振动翅膀停留在空中为止。在其他时间,滑翔翅鸟类则可在热空气流上高高飞翔几个小时。升腾翅结构以老鹰、鹤和秃鹫为代表。与滑翔翅不同的是,升腾翅羽毛之间留有较宽的空间,且较短,这样可以产生空气气流的变化。羽毛较宽,使鸟能承运猎物。此外,这些羽毛还有助于增加翅膀上侧空气流动的速度。当鸟将其羽毛的顶尖向上卷起的时候,可以使飞行增加力量,而不需要拍打翅膀。这样,鸟就可以利用其周围的气流来升腾而毫不费力。升腾翅鸟类还有比较宽阔的飞行羽毛,这样可以大大增加翅膀的面积,可以在热空气流上更轻松地翱翔。图1-18 振翅欲飞图1-19 人造雄鹰

鸟的翅膀外面覆盖着硬羽(见图1-20),其形状由羽毛的分布决定。随着羽毛向下拍动,鸟的翅膀下方的空气就形成一种推动力,称为阻力,并且由于飞行羽毛羽片的大小不同,羽片两边的阻力也有所不同。翅膀的功能主要是产生上升力和推动力。比较而言,飞机的双翼只能产生上升力(见图1-21),其飞行所需的推动力来自发动机的推进力。图1-20 鸟的翅膀图1-21 飞机机翼截面受力图

鸟的骨头属于中空结构,使身体重量得以减轻,适宜在空中飞行。飞机为了减轻机身重量,采用高强度铝合金、ABS工程塑料等轻型材料。虽然现代化的飞机飞得比鸟高、比鸟快、比鸟远,但说到耗能水平、灵活程度和适应场合,鸟类仍然遥遥领先,人类在飞行技术方面还得大力开展仿生研究[23],[24]。

形态仿生设计是人们模仿、借鉴、参照自然界中广大生物外部形态或内部结构而设计人工系统、装置、器具、物品的一种充满智慧和创意的活动,这种活动应当充满创新性、合理性和适用性。因为对生物外部形态或内部结构的简单模仿和机械照搬是不能得到理想设计结果的。

人们经过认真思考、仔细对比,合理选择将要模仿的生物形态,确定可资借鉴和参考的形态特征展开研究,从功能入手,从形态着眼,经过对生物形态精髓的模仿,从而创造出功能更优良、形态更丰富的人工系统。

实际上,人类造物的许多信息都来自大自然的形态仿生和模拟创造(见图1-22)。尤其是在当今的信息时代里,人们对产品设计的要求不同于以往。人们不但关注产品功能的先进与完备,而且关注产品形态的清新与淳朴,尤其提倡产品的形态仿生设计,让产品的形态设计回归自然,赋予产品形态以生命的象征是人类在精神需求方面所达到的一种新境界。图1-22 具有形态仿生特点的人造物

德国著名设计大师路易吉·科拉尼曾说:“设计的基础应来自诞生于大自然的、生命所呈现的真理之中。”这句话完完整整地道出了自然界蕴含着无尽设计宝藏的天机。对于当代设计师们来说,形态仿生设计与创新的基本条件一是能够正确认识生物形态的功能特点、把握生物形态的本质特征,勇于开拓创新思维,善于开展创新设计;二是具有扎实的生物学基础知识,掌握形态仿生设计的基本方法,乐于从自然界、人类社会的原生状况中寻找仿生对象,启发自我的设计灵感,并在设计实践中不断加以改进与完善[25],[26]。

在很多情况下,由于受传统思维和习惯思维的局限,人们思维的触角常常会伸展不开,触及不到事物的本源上去。从设计创新的角度分析,自然界广大生物的形态虽是人们进行形态仿生的源泉,但它不应该成为人们开展形态仿生设计的僵化参照物。所谓形态仿生,仿的应该是生物机能的精髓,因此,形态仿生设计应该是在创新思维指导下,使形态与功能实现完美结合。

科学研究表明,自然界的众多生物具有许多人类不具备的感官特征。例如,水母能感受到次声波而准确地预知风暴;蝙蝠能感受到超声波;鹰眼能从3 000 m高空敏锐地发现地面运动着的猎物;蛙眼能迅速判断目标的位置、运动方向和速度,并能选择最好的攻击姿势和时间。大自然的奥秘不胜枚举。每当人们发现一种生物奥秘,就为仿生设计提供了新的素材,也就为人类发展带来了新的可能。从这个意义上讲,自然界丰富的生物形态是人们创新设计取之不尽的宝贵题材。

自然界中万事万物的外部形态或内部结构都是生命本能地适应生长、进化环境的结果,这种结果对于当今的设计师来说是无比宝贵的财富,设计师们应当充分利用这些财富。那么,在形态仿生及其创新设计活动中,人们究竟应当怎么做呢?以下思路可能会对人们有所助益。

思路一:建立相关的生物功能-形态模型,研究生物形态的功能作用,从生物原型上找到对应的物理原理,通过对生物功能-形态模型的正确感知,形成对生物形态的感性认识。从功能出发,研究生物形态的结构特点,在感性认识的基础上,除去无关因素,建立精简的生物功能-形态分析模型。在此基础上,再对照原型进行定性分析,用模型来模拟生物的结构原理。

思路二:从相关生物的结构形态出发,研究其具体的尺寸、形状、比例、机能等特性。用理论模型的方法,对生物体进行定量分析,探索并掌握其在运动学、结构学、形态学方面的特点。

思路三:形态仿生直接模仿生物的局部优异机能,并加以利用。如模仿海豚皮制作的潜水艇外壳减小了前进阻力;船舶采用鱼尾形推进器可在低速下取得较大推力。应当注意的是,在形态仿生的研究和应用中很少模仿生物形态的细节,而是通过对生物形态本质特征的把握,吸取其精髓,模仿其精华。

形态仿生及其创新设计包含了非常鲜明的生态设计观念。著名科学家科克尼曾说:“在几乎所有的设计中,大自然都赋予了人类最强有力的信息。”形态仿生及其创新设计对探索现代生态设计规律无疑是一种有益的尝试和实践。(2)生物形态与工程结构[27]

经过自然界亿万年的演变,生物在进化过程中其形态逐步向最优化方向发展。在形形色色的生物种类中,有许多生物的外部形态或内部结构精妙至极,且高度符合力学原理。人们可以从静力学的角度出发,来观察一下生物形态或结构的奥秘之处,并感受其对工程结构设计的指导作用[28]。

自然界中有许多参天大树(见图1-23),其挺拔的树干不但支撑着树木本身的重量,而且还能抵抗风暴和地震的侵袭。这除了得益于其粗大的树干外,庞大根系的支持也是大树巍然屹立的重要原因。一些巨大的建筑物便模仿大树的形态来进行设计(见图1-24),把高楼大厦建立在牢固可靠的地基上。图1-23 参天大树图1-24 摩天大厦

鸟类和禽类的卵担负着传递基因、延续种族的重要任务,亿万年的进化使卵多呈球形或椭球形。这种形状的外壳既可使卵在相对较小的体形下有相对较大的内部空间,同时还可使卵能够抵抗外界的巨大压力。例如,人们用手握住一枚鸡蛋,即使用力捏握,也很难把蛋弄破。这是因为鸡蛋的拱形外壳与鸡蛋内瓤表面的弹性膜一起构成了预应力结构,这种结构在工程上有个专门的术语——薄壳结构。自然界中的薄壳结构具有不同形状的弯曲表面,不仅外形美观,而且承压能力极强,因而始终是建筑师们悉心揣摩的对象。建筑师们模仿蛋壳设计出了许多精妙的薄壳结构,并将这些薄壳结构运用在许多大型建筑物中,取得了令人惊叹的效果(见图1-25)。图1-25 具有薄壳结构外形的大型建筑物(a)中国国家大剧院;(b)日本东京巨蛋(3)生物形态与运动机构

现代的各种人造交通工具,无论是天上飞的飞机,还是地面跑的汽车,或是水里游的轮船,对其运动场合和运行条件都有着一定要求。若运动场合或运行条件不合适,那么它们就无法正常工作。一辆在高速公路上捷如奔马的汽车,如果陷入泥泞之中,则将寸步难行;一艘在汪洋大海中宛若游龙的轮船,如果驶入浅滩之中,则将无法自拔;一架在万里长空中翻腾似鹰的飞机,如果没有跑道起飞,则将趴在地面望空兴叹。但自然界中有许多生物,在长期的进化和生存过程中,其运动器官和身体形态都进化得特别合理,有着令人惊奇的运动能力。

昆虫是动物界中的跳跃能手,许多昆虫的跳跃方式十分奇特,跳跃本领也十分高强。如果按相对于自身体长来考察,叩头虫(见图1-26)的跳跃本事在动物界中名列前茅。在无须助跑的情况下,其跳跃高度可达体长的几十倍。叩头虫之所以如此善跳,其奥秘就在于叩头虫的前胸和腹部之间的连接处具有相当发达的肌肉,特殊的关节构造能够让其前胸向身体背部方向摆动。由于叩头虫在受到惊吓或逃避天敌时会以假死来欺骗敌人,将脚往内缩而掉落到地面,此时就可以利用关节肌肉的收缩,以弹跳的方式迅速逃离现场。

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