仿生学导论论文

五种新型仿生学设计一、类鲨鱼腮型百叶窗在高层建筑通风上的应用随着科技的发展，人们物质生活水平和精神文明程度的提高，对建筑装饰、环境艺术的要求越来越高。建筑不再是单纯的砌墙物体，而是艺术与建筑物的结合。现代建筑装饰不仅对新建筑要求造型美观，功能齐全，对旧的建筑也要求通过装饰后，旧貌变新颜，这就给从事建筑装饰行业的人们带来了新的压力，同时也带来新的生机。在进行外墙装饰工程时，针对如何解决建筑外墙上不协调的排风洞口，不美观的大小风机等问题，我们可以设计鲨鱼腮型百叶窗，将其巧妙地运用在外墙装饰中，解决外墙不美观的问题，也同时解决了室外空调风机外露积灰，室外排气扇难看的问题；给业主带来了好的环境，产生了节能效应。图一：鲨鱼腮大家知道，无论是老建筑，还是新建筑，只要外墙面上有不同规格的空调或换气扇悬挂在上面，上面的灰尘和污垢就会给建筑带来瑕疵。为了掩饰这些疵点，使用百叶窗是一种比较好的方法，它可以收到一石二鸟的效果。一方面，美化了建筑物，另一方面，可以更好地保护空调、排气扇等设备。在百叶窗材料的选取上，可从服从装饰的整体需要出发，使用木制品、塑料制品、铝制品等。在式样的选取上，有以下几种式样可供参考。方形百叶窗：在众多的方形吊顶或外墙板块组合中，方形非常协调，在一个大面积的外墙上，有节奏、有艺术性地点缀几个方形点，有时会出现画龙点睛的效果。长方形百叶窗：多数按大面积布局的模数来分割，如安排恰到好处，有线条美的效果，它在现代建筑中用得最多。通长条形百叶窗：百叶窗在外墙中形成线条美，有规律性，当窗户开启时，外墙出现了点，加上通长条百叶窗的出现，点线面的相互结合较完美。方格叶片组合型百叶窗：有纵横叶片形成方格，看上去不以为是百叶窗，而是一个装饰品，效果很好。圆形百叶窗：出现在圆的系列里协调统一，出现在方形结构中，同样很漂亮。因为他体现了“方中有圆，圆中有方”，能给建筑带来艺术美。由于百叶窗的出现，将不同规格的洞口、换气扇、大小室外风机的洞口都隐藏在背后，其功能不受影响，对外部环境又是一种美化。然而不同于低层建筑的是，高层建筑的通风需要考虑一个风阻的问题，在风

量较大的区域，尤其是东南沿海地区。台风十分频繁，在保持建筑外墙美观的同时也应适当的考虑减小通风百叶窗的风阻。鲨鱼腮型百叶窗是一个很好的造型选择，因为这种造型在超跑汽车通风散热结构上已经得到了实际应用。应用在高层建筑通风上将是一种很好的选择。二、毛毛虫型胎教音乐专用MP3播放器胎教的作用已被越来越多的人所认可，这种新鲜的教育方式正越来越多地被人们接受。事实已证明，胎教不是要宝宝绝顶聪明，也不是给宝宝施加压力。经过音乐胎教和语言胎教之后出生的宝宝对音乐更加敏感，对语言更加有天赋。胎教虽然不是神话，但的确又非常神奇。随着现代医学不断发展，越来越多的研究表明，胎宝宝在母体内不仅仅是个单纯的营养索取者，随着他（她）逐渐“长大”，他（她）的感觉器官和神经系统无时无刻不在接收来自母体内外的信息。他（她）能感知母亲的心跳，甚至还能“体察”母亲的情绪和精神活动。母亲和胎儿之间的种种奇妙的联系最终构成了胎教实现的基础。经观察受过胎教的孩子具有以下特点：1、 不爱哭。虽然婴儿在饥饿、尿湿和身体不适时也会啼哭，但得到满足之后啼哭便会停止。还由于受过胎教的婴儿感音能力较好，每当听到母亲的脚步声、说话声就会停止啼哭。孩子比较容易养成正常的生活规律。如在睡前播放胎教音乐或母亲哼唱催眠曲婴儿就能很快入睡，满月后就能养成白天醒、晚上睡的习惯。2、 能较早与人交往。婴儿出生2〜3天就会用小嘴张合与大人“对话”，20天左右就会逗笑，2个多月就能认识父母，3个多月就能听懂自己的名字。3、 较早学会发音。受过胎教的婴儿2个月时会发几个元音，4个月会发几个辅音，5〜6个月发出的声音能表达一定的意思。4、 较早地理解语言。受过胎教的婴儿4个半月时能认出第一件东西，6〜7个月时能辨认手、嘴、水果、奶瓶等。这样的婴儿能较早理解“不”的意思，早期学会服从“不”的孩子更懂事、更听话。他还会较早学会用姿势表示语言，会做“欢迎”、“再见”、“谢谢”等动作，也能较早理解别人的表情，所以，显得特别聪明可爱。5、 较早学会说话。经过胎教和早教的孩子9〜10个月时，就会有目的地叫爸爸妈妈，如果出生后不继续给以发音和认物训练，胎教的影响在6〜7个月时就会消失。受过胎教和早教的孩子在20个月左右便能背诵整首儿歌，并且也能背数。受过胎教的孩子入学后成绩都比较优秀。鉴于胎教音乐有促进婴儿的感觉神经和大脑皮层中枢的更快发展，进而加快脑部成长的作用。播放胎教音乐这种简便易行的方法正越来越受到广大孕妇群体

的喜爱。但是音乐胎教要使用安全有效的播放设备。由于胎儿耳蜗发育不完全，某些对于成年人无害的声音也可能伤害到胎儿幼小的耳朵。现有的研究结果一致认为，给胎儿听到音乐强度最好不要超过60分贝，频率不要超过2000Hz。可以设计一款毛毛虫型胎教音乐专用MP3播放器，具体造型如图三：图三：毛毛虫型胎教音乐专用MP®放■示意图造型如此可爱的胎教音乐播放器，一来有利于平衡孕妇因为怀孕早已烦躁不已的心情。二来兼顾胎教音乐播放的功能。相信一定会有很好的市场。总而言之，胎教这门既古老而又年轻的学科，已引起众多医学界人士的兴趣与关注，并致力于探索和研究。我们相信，随着人生的第一教育——胎教的广泛普及，并借助于先进的胎教辅助设备，优生的目的最终定能达到。三、乌龟背部结构在大跨度室内建筑的应用一位成年人（体重约75kg）单脚踩在一只体积不到1200平方厘米的乌龟的背部,另一只脚离地，乌龟壳承载着整个人的重力，却无任何损伤。体积如此小、厚度也很薄（约2〜5mm）的乌龟壳，却能够承受一个成年人的体重。为何面积如此小的乌龟壳却可以承受如此大的压力呢？经查阅资料表明，乌龟壳这种特殊的结构之所以具有很强的承受压力的能力，除了乌龟壳质地坚硬、结构紧密，骨质密度非常的大（一种胶状物质），使其不易破裂，以及龟背在受力时，龟身会紧缩成一团，从而提高了其承受重力的抵抗力之外。也与它特殊的几何形状有很大关系。由于其形状是拱形的，类似于石拱桥似的，所以有很大的承重能力。而且龟壳上有很多花纹，把龟壳划成好多块，能分散某一点的承受力，因此龟壳具有相当强的承载力。通过对乌龟壳标本的观察，发现乌龟壳分为背甲和腹甲两部分，整个壳体都是薄壳状。背部呈拱形结构，跨度很大,脊椎骨、胸骨、肋骨与背部的壳衍生、融合在一起，壳的4个角处分别有成一定角度的支撑结构。大跨度室内建筑的设计一直是建设设计上的难题，其面临的主要问题就是屋顶部壳体的承重设计。分析研究表明，乌龟壳体模型与其它壳体模型相比具有的明显优势主要是：（1）有加强筋的外扩拱形模型比无加强筋外扩拱形模型，更适合于承受在拱形面顶部小部分面积上施加的压力，有加强筋的外扩拱形模型既可减小根部应力,还可以降低壳体大部分区域的应力水平，同时在保证结构强度的条件下，达到了增大内腔容积的目的。（2）通过对乌龟壳近似模型的计算分析说明，乌龟壳之所以能承受很大压载，

与底部四角支撑(相当于加强筋)的作用是分不开的。建筑顶部壳体的承重方式很接近于龟壳的支撑方式，同时乌龟壳的特殊承力结构,在承力、增大内部容积、减轻材料质量方面的功能，正是大跨度室内建筑设计所追求的。因此依据于以上分析，我们在大跨度建筑设计的时候，先在矩形四个顶点上分别设计四个坚固结实的承重柱，再在承重柱的上面铺上乌龟壳式结构的顶棚，一定可以取得既美观又结实耐用的良好效果。四、基于中枢模式发生器的蛇形机器人仿生学的范围很广，譬如雷达是对蝙蝠超声测距能力的模仿，而机翼使用的防震措施则借鉴了蜻蜓翅膀的结构。仿生机器人运动学是仿生学的一个很重要的发展。人类在智慧上超出动物很多，但在特定环境的适应上就要比动物差很多。虽然人发明了很多的技术弥补了这一不足，但明显可以看到，舰船的灵活性比不上鱼类，飞机的灵活性比不上鸟类甚至昆虫，车辆的地形适应性比不上四条腿的动物。仿生运动的研究可以弥补我们这方面的不足，对社会产生大的经济效益。蛇形机器人的研究可以满足一些行业的需求。蛇形机器人由于其天生的多关节、多自由度，多冗余自由度，可以有多种运动模式，可以满足在复杂环境中搜救、侦查、排除爆炸物等反恐任务；航空航天领域可用其作为行星表面探测器，轨道卫星的柔性手臂；工业上则可应用于多冗余度柔性机械手臂，管道机器人等方面。近几年来，特别是2000年以来，蛇形仿生机器人正在成为全世界新的研究热点。其理由有二：首先，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，而由于其自身的典型性，蛇形机器人是仿生领域的热点研究方向；其次，运动机理特殊的蛇形机器人有广阔的应用情景，例如战场上的扫雷，爆破，空间站的柔性机械手臂，通过能力很强的行星地表探测器等；且其模块化结构和高冗余度非常适应于条件非常恶劣而又要求高可靠性的战场、外层空间等环境。国内也已经有单位开展这方面的研究，例如国防科大与中科院沈阳自动化所。德国研究者BernhardKlaassen和KarlLPaap认为研究基于蛇类生物的多节、多自由度机器人的关键是机器人的自主控制，以及一定结构下机器人体态变化过程中的有效控制问题。日本东京大学的LucJAMMES、YasumasaKYODO等人也有类似研究的报导。显然，这些研究仅仅是对一种运动原理的模拟，没有考虑环境因素，而且由于运动支承轮的存在，此种机器人系统很难适应障碍物众多、凸凹不平的自然环境。为此，日本Ibraki大学的学者进一步研究了蛇类生物的运动机理，利用串联杆系和行波运动，通过相应的结构及电机驱动，研制成仿蛇机器人系统样机，对其运动原理、结构特性、控制算法、数学模型进行了详细论证，试图开发其在上述环境中的应用。Ibraki大学系统工程系的ShugenMA进一步研究了生物蛇行进过程中的肌肉特点，比较了已有的仿蛇机器人运动模型，最后从驱动力、运动效率的角度出发，得出了所谓仿蛇机器人的最佳运动波形、并将进一步开展实际机器人系统的机械构成、实现方面的研究和探讨。由于生物蛇鳞片和关节的数目相当庞大，蛇类生物可以近似看作是一种“没有关节、柔性的”运动体。英国Heriot-Watt大学的G.Robinson和J.B.C.Davies基于生物蛇高度灵活性和机动性，进一步提出了连续机器人的设计思想，并通过不同形式和结构的液压驱动“人工筋”研制出不包含刚性联接和扭转关节的的机器蛇系统，该系统有较好的环境适应性，但也带来了体态控制困难、结构复杂和难以微型化的问题。这些问题只能在液压驱动技术得到发展后逐步解决。综上所述，基本可以认定，现阶段以及近未来，大多数蛇形机器人仍然是基于杆系结构模型。在仿生机器人领域，目前大部分研究者专注于实现更高的运动效率，得到更加接近生物的运动，这无疑是仿生机器人的研究方向之一，但是很难指望在一种机械而固定的控制方式下能够得到真正具有生物特性的运动，这方面的研究所作的也只能是根据已知环境来尽可能模拟生物运动，尽可能提高运动效率。但是这样似乎很难超越“非确定性环境适应性”这一门槛，目前已经有一部分研究者正在积极研究自适应运动控制理论，大部分研究者总的原则是试图建立一个普适的运动学模型和一个普适的决策理论，这个运动学模型应该是一个时变的数学模型，包括环境与本身的关系，能够描述时间、环境、自身状况对运动的影响，包含一组针对环境的传感与决策特征值（即决策控制层所需要的）。作为一种典型的控制模式，基于CPG（中枢模式发生器）原理的机器人系统设计利用一个包含多个互抑制神经元的振荡器作为运动模式发生器，利用连接权重矩阵来描述多个振荡器的相位关系，调节运动模式发生器产生的节律信号，以模仿生物的步态产生原理为基础，利用CPG和几个振荡器得到各种步态。同时利用传感器构成对权重矩阵的影响，反映环境和自身的各种参数变化。这一思路比较新颖，且具有一定的普适性，应该是一种很有前途的探索方向。五、访蝴蝶翅膀型卫星散热器五彩的蝴蝶锦色粲然，如重月纹凤蝶，褐脉金斑蝶等，尤其是萤光翼凤蝶，其后翅在阳光下时而金黄，时而翠绿，有时还由紫变蓝。科学家通过对蝴蝶色彩的研究，为军事防御带来了极大的裨益。在二战期间，德军包围了列宁格勒，企图用轰炸机摧毁其军事目标和其他防御设施。苏联昆虫学家施万维奇根据当时人们对伪装缺乏认识的情况，提出利用蝴蝶的色彩在花丛中不易被发现的道理，在军事设施上覆盖蝴蝶花纹般的伪装。因此，尽管德军费尽心机，但列宁格勒的军事基地仍安然无惹，为赢得最后的胜利奠定了坚实的基础。根据同样的原理，后来人们还生产出了迷彩服，大大减少了战斗中的伤亡。国埃克塞特（Exeter）大学薄膜光子实验室的物理学家乌维西克（Vuvisic）和另外两名同事，由于一个偶然的机遇，在几年前开始研究一种名叫大凤蝶的蝴蝶翅膀，这个蝴蝶的翅膀颜色本来是有黄有蓝，但是在人眼里就成为闪闪发光的绿色。他们用显微镜观察大凤蝶翅膀发现，蝴蝶翅膀上竟然布满了下凹的小坑，这些小坑太小，尺寸只有大约万分之四厘米，小坑底是黄色，而坑的斜坡是兰色的。乌维西克用如下方式来解释