国内外仿生技术的研究进展与发展趋势

国内外仿生技术的研究进展与发展趋势摘要：生物经过进化已经很好的适应特定的环境，人类通过向它们学习可以解决特定的问题。本文阐述了近些年来仿生学在多个领域的研究进展：通过观察分析某些动物的特定部位的结构，设计出了更加耐用，阻力更小的刀具，无痛注射的针头，水下游动机器人等；通过分析生物体的某些方面的特定功能，设计出了更加有效的中药提取技术，可以帮助盲人通过假眼辨别实物和帮助残疾人获得触觉感知的设备等；通过观察某些生物表皮材料的某些功能，设计出了超疏水太阳能电池表面。对比近些年对仿生技术的研究进展总结了未来仿生技术的发展趋势：专业化，广泛化，智能化，科学化。关键词：仿生技术,仿生现状,应用领域,发展趋势中图分类号：文献标识码：文章编号：0引言地球上的生物从无到有，从简单到复杂，经过上亿年的演变进化早已适应了地球上各种各样的环境。人类要改造特定自然环境，就必须要向早已适应相应自然环境的生物学习。仿生学是模仿生物的科学，把生物学和其他学科像机械，建筑，医疗等结合起来的一门综合性的边缘科学[1]。目前国内外研究仿生的方向大致分为：结构仿生，功能仿生，材料仿生，控制仿生等[2]。自上世纪60年代初仿生学诞生以来仿生学在军事，工业，农业等领域得到广泛的应用[3]。但是到了上世纪后期却出现了停滞现象，主观原因是由于各种现代技术的出现，人类开始对自身的能力出现一种满足感，逐渐忘记了那些比我们更能适应地球环境的生命。客观原因是当时的技术能力还是有很大的局限性，人们虽然能观察到生物体的神奇功能却缺少必要的手段去观察和破译生物适应环境的奥秘[4]。到了21世纪人们开始使用高速相机技术，核磁共振技术，传感器技术，等技术去观测分析生物体运作方式，仿生技术再次引起了人们的重视。1992年机械工业部批准在吉林大学建立地面机械仿生技术部门开放研究实验室，该实验室在2000年经教育部批准成为国内唯一一个从事仿生研的国家重点实验室[5]。我国在2003年10月举办的香山究科学会议，其中就包含“飞行和游动的生物力学与仿生技术”这样一个议题[6]。仿生技术应用于建筑行业给了设计师创作的灵感。经过亿万年的自然选择所模仿对象的承受载荷的能力非常强，在这些生物的启发下建筑师们可以设计出美观耐用的建筑[7]。通过研究不同生物的生物特性分析其原理收稿日期：xxx修订日期：xxx基金项目：国家自然科学基金作者简介：※通信作者：将其应用于应用于机械设计领域从而提高工程技术设备的整体性能[8]。鸟类与昆虫极其灵活的飞行本领是对非定常涡流的充分利用，小型飞行生物的雷诺数低也就是升力系数很低，它获得升力不服从环流理论其升力来源于非定常涡流，在这方面人造飞行器还有很多要向它们学习[9]。传统的纺织行业技术已经非常成熟将仿生学应用于纺织行业为其提供了发展的新思路[10]。1国内外仿生技术的研究进展1.1国内仿生技术的研究进展我国的仿生学研究工作始于1964年前后。1975年12月前后中国科学院在北京主持召开了我国第1次仿生学座谈会。1977年的“全国自然科学学科规划会议”正式、全面地制定了我国的仿生学研究规划。自此，仿生学已普遍引起了国内许多学科和部门的关注，并陆续开展了研究工作[11]。1.1.1仿生技术在刀具方面的应用2008年吉林大学地面仿生技术教育部重点实验室的王京春，陈丽莉等人进行了仿生注射器针头减阻试验研究。观察发现蚊子叮咬生物体时生物体很难感觉到疼痛，其重要原因是其上颚表面具有锯齿状非光滑形态。通过激光刻花机加工出凹形仿生针头和自行设计制造的简易车床加工出波纹型和锯齿形仿生针头，然后进行正交实验发现具有波纹形仿生结构形态的注射针头减阻力最佳，当深度为0.05mm，间距为0.75mm，宽度为0.1mm时减阻率为44.5%[12]。2011年宁波大学机械工程与力学学院的董亮提出了运用仿生学结合激光强化的方法进行高速钢车刀强化的新方法。通过摩擦磨损实验发现仿生非光滑表面的磨损性能优于光滑表面。非光滑表面通过激光融凝处理，改变磨粒运动方式，形成油膜与减少接触表面积等方式减少磨损。通过仿生非光滑表面刀具的正交模拟试验发现非光滑表面形态各因素对磨损影响的大小排列依次是行间距，凹坑直径，列间距[13]。2010年吉林大学生物与农业工程学院的汲文峰以鼹鼠爪趾为仿生原型，综合运用农机具设计方法及仿生技术，进行了旋耕-碎茬通过刀片和旋耕-碎茬仿生刀片的设计及试验研究。利用逆行工程和快速成型技术，制作出鼹鼠爪趾实体模型通过试验表明鼹鼠爪趾由于具有特殊的几何结构，相对于对比模型水平阻力减小了12.8%。将鼹鼠爪趾几何结构应用于旋耕-碎茬通用刀片正切面设计，设计出9种旋耕-碎茬仿生刀片。通过在室内土槽进行试验发现最优结构为刀片优化结构参数组合为：单刀作业幅宽60mm正切刃滑切角7°弯折半径20mm弯折角67°。而其仿生结构最优为：正切面均布3个朝内圆弧，形成缺口，且圆弧中心角为60︒。旋耕-碎茬仿生刀片较旋耕-碎茬刀片旋耕时扭矩降低3.91%，碎茬时降低1.62%[14]。2007年吉林大学生物与农业工程学院沈明将蜣螂前胸背板的凹坑形态应用在印刷造纸行业的切刀刀片上研究表明，凹坑形仿生单元体参数对切刀耐磨性的影响顺序依次为凹坑行间距、凹坑列间距、排列方式和凹坑直径，并找出了最优的组合为：凹坑直径为300μm，凹坑列间距为300μm，凹坑行间距为600μm，凹坑的排列方式为凹坑的列与行的夹角为120︒。使仿生切刀的寿命比普通切刀提高20倍。仿生切刀能减少切花，提高切纸质量，保证裁切品尺寸的精度和切削稳定性[15]。1.1.2仿生技术在中药有效成分提取方向的应用提取中药有效成分的方法很多其中一种就是半仿生法即模拟口服药物在胃肠道的转运过程，采用选定PH的酸性水和碱性水依次连续提取[16]。2007年陈丛瑾等人研究了香椿叶总黄酮的半仿生提取的最佳工艺条件。用正交试验法对香椿叶中总黄酮的半仿生法提取工艺进行了优选,得到的半仿生法提取的最佳工艺条件为:分别以pH2盐酸溶液和pH7.5、pH8.5的氯化氨氨水的缓冲溶液作为提取液，料液比为1.12，在80℃每次提取1h,提取3次;在此条件下,黄酮提取量为10.3417mg/g香椿叶[17]。1.1.3仿生技术在汽车领域的应用2009年南京林业大学汽车与交通工程学院的周良等研究了仿生原理在汽车减震装置中的应用，发现由于鸟禽脖颈由圆柱状骨骼串联而成当鸟禽通过脚上下调节身体高度时无论调节速度多快只要移动距离不超过脖颈总长，鸡总能通过弯曲或者伸长脖颈，使鸡头高度位置基本保持不变。提出了实现该功能的大致的机构模型，并提出运用电控技术主动减振，可以主动，平顺，迅速调节车轮与车身的相对距离[18]。1.1.4仿生技术在机器人领域的应用2006年西北工业大学机电学院的葛文杰等提出了仿袋鼠跳跃机器人机构模型及运动学研究的方法。提出了一种单腿四杆跳跃机构的分析模型，通过建立对机器人着地与腾空两个阶段的运动学方程给出了其质心运动表达式，采用matlab编程结合实例对机器人进行了运动仿真运算，证明了这一仿生机构模型的可行性和仿生机构运动研究方法的有效性[19]。2004哈尔滨工程大学的陈巍，苏玉民等阐述了一种正在研究的一种仿生水下机器人的研究的进展。哈尔滨工程大学研制的“仿生-1号”是以蓝鳍金枪鱼为模本。分析蓝鳍金枪鱼的游动特点对机器人进行布置结构，动力和传感器，进行实验结果表明仿生水下机器人在尾鳍摆动频率为1.33Hz时航速已达1.2米每秒。初步研究结果表明鱼类推进效率比螺旋浆高15%到20%[20]。1.1.5仿生技术在材料领域的应用荷叶等植物叶面的超疏水现象为我们在不同基底上制备仿生超疏水性能表面提供了实践基础[21]。2013年华中科技大学的徐国强在研究太阳能电池低反射超疏水表面时在超疏水性能方面进行了固体表面的湿润性表征分析，接触角理论分析，讨论了Wenzel和Cassie-Baxter两种接触角模式发现硅纳米线表面为多空隙结构接近于Cassie-Baxter理论模型。采用湿法腐蚀工艺制备了硅纳米线，通过浓度为5.0mol/L的HF与浓度为0.02mol/L的AgNO3混合刻蚀液进行刻蚀，在刻蚀60min后发现平均反射率低于2%硅片表面同时表现出良好的超疏水性[22]。1.2国外仿生技术的研究进展1.2.1人的肢体仿生美国，日本，印度等国在人体仿生方面已经做出了比较深入的研究，美国研究了一种仿人类膝关节肌电控制装置帮助截肢者用假肢后可以正常行走[23]。日本研发出比羽毛还轻比保鲜膜还薄的岂今为止世界上最轻最薄的柔性电路再加上一些传感器制成电子皮肤，应用于机器人上可以让机器人拥有与人相似的触感，也可以用于人体来检查身体或者肌肉的一些细微的变化，他们还研制了一种仿生手可以提供自然的触觉功能，展示了一种触觉传感器的感知能力[24-25]。印度对两个自由度的手肘进行了研究将肌电信号将肌电信号进行分类使仿生手执行时接收正确的肌电信号[26]。1.2.2人眼仿生美国，欧洲在视觉方向特别是视觉识别方向做了相关的研究。他们设计一种仿生眼镜提出了一种改进算法来检测和增强人行横道的色彩识别[27]。一种可以用来避障的仿生眼，现在所植入的电刺激装置图像分辨率很低在此基础上提出了一种仿生视觉处理系统提高了辨识能力[28]。一种基于植入假体视觉为25X25二进制光幻系统，把这种光幻系统进行优化提高它的辨识和被人接受的能力[29]。1.2.3其他动物仿生2008年日本中央大学的HzyatoOmori等研究了一种由柔性单元组成的可以蠕动爬行转向的仿蚯蚓机器人。通过对蚯蚓的构造和运动方式进行分析设计出一种由柔性单元组成的机器人，可以在一个弯曲的管内移动这种机器人不仅适用于救援而且可以用于内窥查探[30]。2007年英国AlexEllery等利用树蜂产卵器的形状和结构特点：一侧是切削齿，通过往复运动钻削树木；另一侧是口袋状齿形，通过往复运动将钻削产生的树屑带出树洞，设计出一种太空仿生钻头具有质量低、驱动功率低、钻进效率高的特点[31]。2014年德国MatthiasRolf和JochenJ.Steil研制了一种学习与传统的反馈控制系统相结合的象鼻仿生机器手，通过反馈系统使其能不断的适应变化的环境迅速作出反应完成使用者所期待它能完成的动作[32]。2009年日本科学家Osaka等模仿蚊子开发的注射针头对人的神经刺激小，使人感觉不到疼痛，由于碎片遗留在人体内会造成多种疾病，而高分子材料的韧性好脆性差基于此,他们考虑用聚乳酸材料来制造针头[33]。2国内外仿生技术的发展趋势近些年来随着技术手段的不断进步以前难以理解的生物活动现象得到了很好的展示和解释，更加便利于人们进入深层次的研究。仿生技术也由浅层次向深层次发展，表现为专业化即根据各种生物各自的特点，研制出更多种类的能适应特定自然环境的特种仿生机器人[34]；广泛化，即涉及领域更广，就现在所知就已经涉及到医疗，机械设计，机器人，飞行器，纺织，制药等领域，随着仿生技术的继续深化和拓展应用这种技术将被应用于各行各业；更加智能化，智能化应用于机器人或者机器手上可以使用计算机编程与感应器的反馈作用让机器具有学习的能力，并且还出现了智能材料，智能材料具备感知，处理和驱动三个要点[35]；更加科学化，如吉林大学任露泉等从1990年提出土壤动物减粘脱土规律初步分析[36]经过国内外很多专家学者应用科学手段，和理论知识弄清楚了土壤动物非光滑表面阻力小的原因，这为这方面仿生的应用奠定了基础[37]。3.总结与展望近些年来国内外仿生技术都得到了广泛的应用和发展，国内以吉林大学等为代表在刀具仿生方向做了大量的研究，其他高校和一些研究机构则在材料和仿形等方向做了相关的研究。国外的一些研究机构在某些生物的结构仿生方面做了大量研究，智能化及人体感知能力方向的仿生也得到了相当程度的发展。国内仿生技术与国外相比在某些方面如：非光滑表面减阻等研究较为深入，其他方面都还不够深入，国内很多研究是在较为成熟的仿生技术上的应用，发现了一些有价值的仿生对象如：鸟禽颈部在减震方面的应用，但却没有进