先进制造技术机械仿生制造.doc

. 仿生制造技术课程名称 先进制造技术 学生姓名 学 号 专业班级 机械设计制造及其自动化指导教师 完成日期 目录一、仿生技术的发展概述二、仿生技术在机械制造的应用三、机械仿生四、总结仿生制造概述随着人们对生物体认识的深入，借助于生物的特性与功能的研究，仿生设计也将会有更加广阔的前景，通过研究、学习、模仿来复制和再造某些生物特性和功能，来改进现有的或创造新的机械制造。将生物系统的优异功能运用于新技术设备的设计与制造，或者使机械操作技术系统具有类似生物系统。同时也提高人类对自然的适应和改造能力，产生巨大的社会经济效益。仿生技术在机械制造中的应用分析对机械制造的进步具有重要意义。一、仿生技术的发展概述仿生技术是一项新的技术，主要目的是实现特定功能，它是根据生物体系的结构性质、能量转换与信息传递过程，系统地运用相互交叉和相互渗透的理论知识与技术手段，它涉及到信息科学、物质科学、生命科学、工程技术学、系统科学甚至经济学等多学科，采用最广泛地运用类比、模拟和模型方法的模仿科学。20世纪仿生技术研究广泛应用在高科技领域，包括机械、航天航空等。仿生科学的突出成就是计算机技术发展推动下出现的各种各样机器人的设计制造和应用，这是宏观仿生技术指导下取得的成果。越来越多的学者开始研究仿生技术，涉及到机械仿生、能量仿生、化学仿生、信息与控制仿生和食品仿生等诸多领域的研究。机械仿生是由多种学科相互渗透、结合而成的一门边缘学科。其主要研究领域有生物力学、控制体和机器人。研究课题包括拟人型机械手，步行机、假肢以及模仿鸟类人的各种机械。仿生技术在机械制造中得到了广泛应用，在机械制造过程中借助于仿生学设计原理，仿照生物的形态结构或机能特点，设计制造用于特殊目的的“功能器件”，开发现代机械化仿生技术与仿生装备研究意义是极其重大的。因此，在机械制造的应用中展示出仿生技术在研究领域中巨大的潜力和无限的魅力。仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。属于生物科学与技术科学之间的边缘学科。它涉及生物学、生物物理学、生物化学、物理学、控制论、工程学等学科领域。仿生技术通过对各种生物系统所具有的功能原理和作用机理作为生物模型进行研究，最后实现新的技术设计并制造出更好的新型仪器、机械等。生物制造与仿生制造是机械领域与生物领域交叉产生的新领域。生物方式制造是利用生物手段的制造方法，已提出生物去除加工、生物约束成形、生物生长成形、生物连接成形、生物复制成形、生物自组织成形等加工成形方法。仿生制造是模拟生物形体与功能的结构制造，包括仿生材料结构、仿生表面结构、仿生运动结构等结构制造。仿生制造的结构往往比较复杂，利用增材快速原型和传统机械制造方法效率通常较低，利用生物方式制造方法往往更加简便和快捷。阐明生物成形方法在仿生微纳复杂形体、结构、功能界面制造上的优势，表明生物成形技术在节能、环保、微纳等领域具有广阔的应用前景。模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统与制造过程称为“仿生制造”它通过模拟生物器官的自组织、自愈、自增长与自进化等功能，以迅速响应市场需求并保护自然环境。制造过程与生命过程有很强的相似性。生物体能够通过诸如自我识别、自我发展、自我恢复和进化等功能使自己适应环境的变化来维持自己的生命并得以发展和完善。生物体的上述功能是通过传递两种生物信息来实现的：一种为DNA类型信息,即基因信息,它是通过代与代的继承和进化而先天得到的;另一种是BN类型信 息,是个体在后天通过学习获得的信息。这两种生物信息协调统一使生物体能够适应复杂的和动态的生存环境。生物的细胞分裂、个体的发育和种群的繁殖,涉及遗传信息的复制、转录和解释等一系列复杂的过程,这个过程的实质在于按照生物的信息模型准确无误地复制出生物个体来。这与人类的制造过程中按数控程序加工零件或按产品模型制造产品非常相似。制造过程中的几乎每一个要素或概念都可以在生命现象中找到它的对应物。就制造系统而言,现在已越来越趋向于大规模、复杂化、动态及高度非线性化。因此，在生命科学的基础研究成果中选取富含对工程技术有启发作用的内容，将这些 研究成果同制造科学结合起来，建立新的制造模式和研究新的仿生加工方法，将为制造科学提供新的研究课题并丰富制造科学的内涵。此外，进行与仿生机械相关的生物力学原理研究，将昆虫运动仿生研究与微系统的研究相结合，并开发出新型智能仿生机械和结构，将在军事、生物医学工程和人工康复等方面有重要的应用前景。研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形 制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础等。自生长成形工艺，即在制造过程中模仿生物外形结构的生长过程，使零件结构最外层各处形状随其应力值与理想状态的差距作自适应伸缩直至满意状态为止；又如，将组织工程材料与快速成形制造相结合，制造生长单元的框架，在生长单元内部注入生长因子，使各生长单元并行生长，以解决与人体的相容性和与个体的适配 性及快速生成的需求，实现人体器官的人工制造。仿生设计和仿生制造系统，即对先进制造系统采用生物比喻的方法进行研究，以解决先进制造系统中的一些关键技术问题。智能仿生机械。生物成形制造，如采用生物的方法制造微小复杂零件，开辟制造新工艺。仿生制造为人类制造开辟了一个新的广阔领域。人们在仿生制造中不仅是师法大自然，而且是开始学习与借鉴他们自身内秉的组织方式与运行模式。如果说制造 过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，仿生制造则是延伸人类自身的组织结构和进化过程。21世纪将是生命科学的世纪，机械科学和生命科学的深度融合将产生全新概念的产品(如智能仿生结构)，开发出新工艺(如生长成形工艺)和开辟一系列的新产业，并为解决产品设计、制造过程和系统中一系列难题提供新的解决方法。这是一个极富创新和挑战的前沿领域。地球上的生物在漫长的进化中所积累的优良品性为解决人类制造活动中的各种难题提供了范例和指南。从生命现象中学习组织与运行复杂系统的方法和技巧，是今后解决目前制造业所面临许多难题的一条有效出路。仿生制造指的是模仿生物器官的自组织、自愈合、自增长与自进化等功能结构和运行模式的一种制造系统与制造过程。如果说制造过程的机械化、自动化延伸了人类的体力，智能化延伸了人类的智力，那么，仿生制造则可以说延伸了人类自身的组织结构和进化过程。仿生制造所涉及的科学问题是生物的自组织机制及其在制造系统中的应用问题。所谓自组织是指一个系统在其内在机制的驱动下，在组织结构和运行模式上不断自我完善、从而提高对于环境适应能力的过程。仿生制造的自组织机制为自下而上的产品并行设计、制造工艺规程的自动生成、生产系统的动态重组以及产品和制造系统的自动趋优提供了理论基础和实现条件。仿生制造属于制造科学和生命科学的远缘杂交，它将对21世纪的制造业产生巨大的影响。仿生制造的研究内容目前有两个方面：研究生命现象的一般规律和模型，例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等。研究仿生制造系统的自组织机制与方法，例如：基于充分信息共享的仿生设计原理，基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略；研究仿生制造的概念体系及其基础，例如：仿生空间的形式化描述及其信息映射关系，仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合，其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作，具有鲜明的基础研究的特点，如果抓住机遇研究下去，将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学，以及与生物工程相关的关键技术基础等。二、仿生技术在机械制造的应用仿生技术在机械制造中的应用主要体现在外形仿生技术、结构仿生技术、功能仿生技术的应用，下面逐个进行阐述。1、外形仿生技术的应用。外形仿生技术是研究和模拟生物机体外部。目能我国外形仿生技术在机械制造领域的研究与开发水平己处于国际领先水平，尤其是农业机械制造方面。我国著名农机专家陈秉聪院士和我国首位仿生技术领域院士任露泉等多位学者共同努力下，模拟蜕螂头前部的外形结构、泥鳅蠕动行走方式和生物弹性等生物外形特征研制出仿生推土机、仿生铲斗、仿生犁等仿生农机具。随着人类社会的进步， 仿生机械已经进入人类各种生活和和工作中。根据手的外形功能， 将杯装饮料机的机械手设计成关节型多指手机构，采用双曲柄机构保证机械手灵活和可靠， 在性能上满足实际应用要求。在机械制造中，外形仿生技术的应用，提高了机械的运用效率。2、结构仿生技术的应用。结构仿生是通过研究生物肌体的构造，然后建立一部分类似生物的机械设备，使功能上于生物结构相似。由于自然界中生物体表组织经过千百万年的进化，依靠了生物体自身生长机制与生存环境长期作用，使其相成了非常独特的结构和性能。从生物体表组织独特的结构和性能获得结构仿生设计理念的启发，根据生物体的控制系统的结构与功能原理，研究新机械制造以改造现有的自动控制系统。研究者运用结构特征为机械仿生制造提供了最佳的包括宏观和微观的结构原形。例如，蜂巢六角柱状结构是一种经济省料的形体， 飞行器拟蜂巢夹层设计， 既增加结构强度， 又节省材料、 减轻重量。仿蜂巢复合纸板具有特别用处，吸音、 隔热、 防潮效果好，它能够代替木板作高档贵重物品或易碎商品的包装，立面抗压而重量轻。结构仿生模仿生物特殊的结构，是机械制造得到良好的设计和发展。3、功能仿生技术应用。功能仿生通过神经系统和感觉器官的功能仿生设计制造出机械工具，使人造的机械具有或能够部分实现如感知、运动、操作、思维等高级动物丰富的功能。为了研制的六脚机器人弥补轮式拖拉机山路不便行走的缺陷，研究者以螃蟹为生物模型设计出了一款具备螃蟹运动的灵活、稳定和高效率特性的机器人。这款功能仿生机器人能稳定、迅速的到达目标区域，也是以基因工程、细胞工程等为标志可轻松的越过障碍和裂缝。此外，仿生精确机械化工具和高度自动化技术将获得突破性进展。有学者就提出了仿生钻头的想法，设计一种仿生钻头，希望能够解决钻探工作的一些问题，能够帮助到钻探工作者解决钻头泥包问题。在运用仿生技术中，仿造穿山甲鳞片的钻头体表面，加上仿造穿山甲爪趾的切削齿，这样的机械设计可以减粘降阻脱附，在泥质岩中钻进时可以有效地防止钻头泥包现象及提高机械钻速。我们还能根据人体的特点在机械制造中设计独特的机器，比如说上肢结构原理，提出一种上肢仿生机构，进行优化设计和运动学分析，为制造出灵巧方便的上肢仿生机构提供了理论依据。 三、机械仿生当前形势，机械仿生设计无疑正向着多元化发展，而且也逐步从传统的基础设计走向了新型的创新设计。目前，机械设计行业已然建立起了全面的仿生体系，通过对生物科学的有益吸收，主要实现了以下几个方而的仿生设计: 1.功能特性仿生 在自然界的长期发展演变中，生物为了更好适应周围环境 的改变，逐渐形成了自身独有的功能特性。而在机械仿生设计 中，这一点往往能为各方面的工作指引一个新的方向，并使之有 效抓住技术创新的突破口。现今已有的设计实例中，不仅包括生 物特殊外形的仿生、还包括生理特性的一系列应用，显然这些方 面技术创新的研究都取得了相应的成果，功能特性的仿生也使 得机械设计不再拘泥于传统的模型设计，而更多拥有了其灵活 h与实效性。 2.运动特征仿生 械设计中，运动体系的规划往往是重点以及难点，同样，在机械仿生设计中，生物运动特征的仿生也必不可少。对于这些 生物与生俱来的特点，通过将其板块化、细节化，便能从中找出 与实际生产工作的良好结合点，使得相应的机械设计更贴合自 然，因而应用水平也就随之提高。目前的运动特征仿生中，对生 物基本运动方式、运动系统的调节等都进行了全面的研究，而实 际生活中的一些相关机械设备也为生产工作带来了极大的便 利 3.组织结构仿生 这方面的仿生是结合生物科学而进行的深层应用，也从微 观角度上实现了人与自然的协调发展。在相关的机械仿生设计 中，其通常在材料生产方面收效较为显著，因此而推出的一系列 仿生材料也良好地适应了高强度、高效率的性能需求，为生产发 展带来了极大的经济效益。而通过对生物内部组织机制一些必 要性联系的分析，机械微组装、分级结构设计等也都有了新的发展方向。4.信息控制仿生 随着信息化时代的到来，人们对于信息的传递与控制要求 也越来越高，而在这一方面，生物在不断进化过程所拥有的一些 能力同样可以借鉴。具体地，在机械仿生设计中，信息管理设备 往往能通过生物的一些信息获取方式、反馈系统以及自主控制 能力等得到全新的发展空问，不仅生产质量得以有效保证，而且实际效率也随之大大提高。5.机械仿生设计主要研究方向 仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。它包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。 机械仿生理论与机理研究 机械仿生设计比传统机械设计范畴更宽、更广，从概念设 计到产品开发要实现与工程仿生学，包括生命科学、生物科学 等在内的多层次、全方位上的渗透，通过对生物原形机理、机 构的研究，创造和完善仿生机械设计的全新理论体系，从而为 新型仿生机械产品的开发与生产打下基础。 在该领域，我国已经开展了以工程机械和农业机械为典 型的地而机械仿生脱附减阻研究，引起国内外同行的广泛关 注。包括生物非光滑脱附减阻、生物体表润湿性、生物柔性和 生物电与生物润滑等内容，以及与之相对应的仿生非光滑脱 附减阻、仿生脱附减阻材料、仿生柔性脱附和仿生电渗原理等 方而基础性机理研究，目前形成了比较完善的的生物脱附与 机械仿生研究理论体系与方法体系，并且在此基础上逐步 进行规范和升级。 6.计算机辅助仿生设计 计算机辅助设讯CAD)技术的吃速发展使机械形状、结构 和机构的快速演化、变异与再生成为可能，可以加快机械产品 的标准化和系列化设计进程，缩短新产品的开发周期。主要包 括:优化设计造型、逆向工程与三维建模、动态模拟与 工程仿真、仿生型构形系统等。 根据土壤动物柔性非光滑的特征规律和仿生类比结果，采用数值优化为仿生柔性非光滑而的尺寸设计提供了依据， 根据布尔运算理论，采用体素拼合造型技术，对转动和 移动复合柔性进行建模，构造出链戮图3a)、布戮图3b)仿 生柔性非光滑表而，具有良好的减粘降阻作用。根据单个牛 蹄角表而，利用直接特征曲线生成曲而法重构牛蹄角的三维几何模缎图，为逆向工程技术应用到工程仿生领域定量研究动物步行足三维儿何特征及松软地而仿生步行技术的发 展提供了一定的基础13。根据单个穿山甲鳞片建立数学模型，并把多个鳞片按一定分布规律排列，通过调整参数可以很好 的模拟不同鳞片形状的非光滑体淑图，为仿生推土板设计提供优化数据。7.机械仿生控制与系统集成 典型控制系统山中央处理系统集中处理各传感器采集的 各种信号，再山中央处理系统给各执行机构发出不同的行动 指令。但是，在动物体中还有与之平行的另一个非神经反 馈生物前馈控制机制，或称之为机械超前反馈。例如，肌 肉骨骼系统在抵抗外力时能根据其变形情况迅速进行调整， 这种调整能在最快的神经反射之前就完成。这种前馈能减少 神经系统造成的不稳定性，保证了对全系统的控制质量。在复 杂的机械系统控制中，如果能引入机械前馈的机制，对于减少 中央处理系统的负担、简化控制系统、提高系统的控制速度与 质量都具有重人的意义。8.仿生机器人设计 仿生机器人包括仿生物和仿人两类，前者模仿各种生物， 如蛇、螃蟹、蜘蛛、蜜蜂等的功能，后者模仿人的肌体构造或器 官功能，如仿人于、于臂、步态等功能IS。仿生物机器人尤其是 小型机器人在灾难事故中，可以很好地完成攀岩、灭火、钻洞、 浮水等人类难以完成或者对救援人员有极人伤害的救助活 动。仿人机器人能搬桌子、抬东西，可以帮助人类尤其是老年人进行重体力的生活必要劳动。一些能唱歌、会跳舞的人形和 动物形状机器人在带给人们快乐的同时，也激发了人类对科 学的浓厚兴趣。 仿生机器人根据不同的需要设计特殊的生物功能，目前由于社会需要还不充分，难免被人们视为“不实用”，但是这种在机器人上体现的技术可以为其他领域做好技术储备。所以，仿生机器人必将是超出人类一般需求之前探索的一门真正的学科。 9.材料仿生设计仿生材料有着传统材料所不及的优良特性，例如生物活性组织的仿生。骨骼，肌体和器官的自修复自组织自适应自生长和自进化的研究等。目前医学上采用的人工材料人工骨骼有主要还是陶瓷，磷酸盐材料，硫酸钙材料等，虽然他们的生物相容性较好，但是这些传统材料存在的主要的问题是这些异化材料不能很好的适应人体，移填后在人体内降解速度也很慢，更 谈不上诱导骨骼再生，使康复工程也很大的局限，小孩子的局限更为明显。医学上，生长因子，活体细胞的培养技术已较为成熟，不过培养的速度相当慢，无法满足医疗康复对活体组织的要求，迫切期待技术的革新，于是快速成型制造人工骨骼和器官变得相当重要。 发展趋势仿生材料学综合了化学、材料学、生物学、信息学及能源学等多门学科与级数，立足于天然生物的独特结构和优越的性能，制备出优于传统材料的新型材料。目前，仿生材料的研究无论在结构材料方面，还是功能材料方面，都取得了一定的成果。人们通过生物矿化研究发现有机分子可以改变无机晶体的生长形貌和结构，为新材料的设计和制造提供了理论依据，纳米级功能性生物材料的制备也成