华科大机械创新设计技术课件03仿生学与创新设计

3仿生学与创新设计仿生学是研究生物系统的结构和性质，为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。生物体的结构与功能在机械设计方面给予了很大启发。如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潜艇设计原理上。仿生学(Bionics)模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学凤蓬草轮子鱼尾船橹人眼晶状体透镜生物电电池鸟飞机生活中的仿生学结构适应于功能是动物中的普遍现象不同的动物，其形态结构特征可以有相当大的差别。动物为适应自然的选择，产生了各种各样的形态特征。仿生学植物鱼类鸟类哺乳动物动物体的结构对功能的适应性自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领？它们的种种本领，给了人类哪些启发？模仿这些本领，人类又可以造出什么样的机器？由蝇眼仿生出了蝇眼照相机→如苍蝇是细菌的传播者，谁都讨厌它。可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由30O0多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片。这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多。模仿是仿生学的基础。人类生活在自然界，与周围的生物为“邻居”，这些生物各种各样的奇异本领，自古以来吸引着人们去想象和模仿制造简单的生产工具。如春秋战国时期的鲁班，从锯齿形的草叶中“悟”到了锯的原理；3．1．1仿生是创新的源泉仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从自然界、人类社会的原生状况中寻找设计的灵感，如海洋中水母能预报风暴,老鼠能事先躲避矿井崩塌或有害气体；蝙蝠能感受到超声波；鹰眼能从三千米高空敏锐地发现地面运动着的小动物；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。每当发现一种生物奥秘，就有可能成为一种新的设计理念，也可能诞生出一种新产品仿生思维就是在大自然中寻找解决问题的方程式例如：蜻蜒通过翅膀振动可产生不同于周围大气的局部不稳定气流,并利用气流产生的涡流来使自己上升.蜻蜒能在很小的推力下翱翔,不但可向前飞行,还能向后和左右两侧飞行,其向前飞行速度可达72km/小时.此外,蜻蜒的飞行行为简单,仅靠两对翅膀不停地拍打.仿生思维就是在大自然中寻找解决问题的方程式科学家据此结构基础研制成功了直升飞机但直升飞机在高速飞行时,常会引起剧烈振动,甚至有时会折断机翼而引起飞机失事.人们在技术上遇到的某些难题，生物界早在千百万年前就曾出现，而且在进化过程中就已解决了，人类应从生物界得到启示。

出于军事上的需要，为使舰艇在水下隐蔽航行而制造潜艇。工程技术人员设计成压载水舱，在水舱的上部设放气阀，下面设注水阀，当水舱灌满海水时，艇身重量增加使可它潜入水中。需要紧急下潜时，还有速潜水舱，待艇身潜入水中后，再把速潜水舱内的海水排出。如果一部分压载水舱充水，另一部分空着，潜水艇可处于半潜状态。潜艇要起浮时，将压缩空气通入水舱排出海水，艇内海水重量减轻后潜艇就可以上浮。如此优越的机械装置实现了潜艇的自由沉浮。但是后来发现鱼类的沉浮系统比人们的发明要简单得多，鱼的沉浮系统仅仅是充气的鱼鳔。鳔内不受肌肉的控制，而是依靠分泌氧气进入鳔内或是重新吸收鳔内一部分氧气来调节鱼鳔中气体含量，促使鱼体自由沉浮。然而鱼类如此巧妙的沉浮系统，没有应用于潜艇设计中。

鲸鱼和潜艇的“鲸背效应”

当代核潜艇能长时间潜航于冰海之下，但若在冰下发射导弹，则必须破冰上浮，这就碰到了力学上的难题潜艇专家从鲸鱼每隔10分钟必须破冰吸一次气中得到启迪，在潜艇顶部突起的指挥台围壳和上层建筑方面，作了加强材料力度和外形仿鲸背处理，果然取得了破冰时的“鲸背效应”。

虎鲸潜水艇生物体生物模型数学模型技术模型技术装置研究方法3．1．2仿生学研究方法与内容信息仿生控制仿生拟态仿生力学仿生化学仿生整体仿生仿生材料仿生学在工程技术中的应用研究的是生物机构与外界环境、生物个体之间、生物体内各部分间的信息接收、存储、处理与利用的机理，以及将其移植于技术系统之中的方法，并最终制成类似于生物系统的计算系统和信息接收处理系统。青蛙与电子蛙眼水母与电子耳电子鸽眼、电子鼻、电子耳等信息仿生

为什么青蛙捕虫的本领很大，当有小飞虫从它眼前飞过时，便一跃而起,总能准确地把虫抓住。但奇怪得很，蛙眼那双凸起的眼睛，对静止的东西，却“视而不见”。即使有苍蝇呆在眼前，也不会引起它的注意。科学家对蛙眼的结构进行了研究，发现它的里面有四种神经细胞，也就是四种“检测器”。所以就发明了电子蛙眼。研究生物机体控制系统的结构与功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新型的自动控制系统。当前研究较多的是体内稳态、反馈调节、肢体运动控制、动物的定向与导航、生态系统的涨落和人－机合作。.蛇的红外探测.蝙蝠与超声波.蛾的反雷达技术.动物的天然导航控制仿生响尾蛇和响尾蛇导弹响尾蛇导弹等就是科学家模仿蛇的“热眼”功能和其舌上排列着一种似照相机装置的天然红外线感知能力的原理，研制开发出来的现代化武器。

蝙蝠的捕食蝙蝠与超声波蝙蝠的声纳信息处理根据蝙蝠的回声探测器制成供盲人使用的“探路仪”和“盲人眼镜”控制仿生蝙蝠和雷达夜蛾的反雷达技术－－听觉系统反雷达技术使夜蛾死里逃生夜蛾胸腹之间有一对鼓膜器，可以从很强的背景噪声中分辨出蝙蝠发出的超声波，其身上厚密的绒毛还能吸收蝙蝠发射的探测超声波，从而在天敌面前处于“隐身”状态。科学家通过把夜蛾身上绒毛状的材料用于飞机、舰船等装备，大大减少了目标被雷达、红外线和超声波发现的概率。控制仿生拟态仿生动物的拟态与保护色

生物界中普遍存在着拟态，将拟态用于工程技术中去就叫拟态仿生鸟仿生成了飞机飞机→由天鹅头仿生出了高速列车迷彩服就是仿生斑马的条纹而制造的第一代是示教再现型机器人，机器人有部分电脑化控制能力，但最后的决策仍然是人类。第二代是感觉机器人，人类指派任务以后，机器人有足够的智慧完成工作，不必实时指导。第三代是智能机器人，机器人几乎不必由人类控制智能机器人

生物计算机自动化机器人从月球土壤中提取气体侧向运动时，蛇身体只有几个点接触地面，为了减少与高温沙漠接触，沙漠蛇多半采用这种运动形式在狭窄的空间内，蛇无法摆动，只能采用直线和伸缩的方式向前运动大多时候，蛇采用蜿蜒运动的方式前进，这是它效率最高的运动方式蛇形机器人，而且这种蛇形机器人能够适应外星球，比如月球、火星等等这种未知的环境来做一些探察工作蛇形机器人仿生和智能材料仿生材料