1、 第 1 页 （共 5 页）2009 年 春 季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目 : 机 械 工 程 专 题 讲 座 学生所在院（系） : 机 电 工 程 学 院学生所在学科 : 机 械 设 计 及 理 论学 生 姓 名 : 李 鹏 飞学 号 : 08S008257学 生 类 别 : 考核结果 阅 卷 人第 2 页 （共 5 页）仿生学现状及其对科技发展的影响仿生学一词最早是在 1960 年由美国人斯蒂尔(Jack Ellwood Steele)取自拉丁文“bios“(生命方式)和词尾“nic“(具有性质的)合成的。仿生学可以这样定义：研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相
2、互作用从而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。仿生学（Bionics）是生命科学与机械、材料和信息等工程技术学科相结合的交叉学科，具有鲜明的创新性和应用性。仿生学的目的是研究和模拟生物体的结构、功能、行为及其调控机制，为工程技术提供新的设计理念、工作原理和系统构成。人类进化过程中，通过不断地模仿自然，提升生产能力。仿生的领域和技术随着时代的前进而发展。许多影响人类文明进程的重大发明都源于仿生学。例如：模仿蜘蛛织网捕鱼，模仿游鱼制造舟楫，模仿飞鸟发明飞机。1960 年美国人斯蒂尔根据拉丁文构成 Bionics 一词，同年召开了全美第一届仿生学讨论会。这标志着现代仿生学的开始
3、。仿生学具有自己独特的研究方法：一般来讲，工程和生产实践提出技术问题，有针对性地借鉴某种生物体的某些结构的功能，研究并简化其结构、功能和调控机制，择其有用制备出物理模型，建立数学模型。在有用和可用的前提下，采用技术手段，依据数学模型，制备实物模型，最终实现对生物系统的工程模拟。仿生学的发展依赖于生物学和工程技术科学的发展；仿生学的发展也促进了生物学科和工程技术的发展。现状仿生学的研究和应用在国内外都得到极大的关注和蓬勃的发展。为迎接全球性竞争和挑战，我国科技专家和决策者在 2003 年召开了两届香山会议，第 214 届“飞行和游动生物力学和仿生应用和第 220 届“仿生学的科学意义与前沿” 。
4、国内许多科研机构和大学都相继成立了仿生学研究所和研究室。科学家们正带着自动控制、能量转换信息处理、力学模式和材料构成等大量技术难题到生物系统中去寻找启迪。机器人技术的发展很好地体现了仿生应用的理念。早期的机器人主要是模拟人的重第 3 页 （共 5 页）复性劳动，替代人完成重复的运动和力学行为，如汽车安装机器人。这类在常规环境下工作的机器人已经成熟。仿生机器人的研制始于上世纪 90 年代，只有十多年的历史，然而进展迅速，特别是美国、日本等发达国家的研究工作走在了世界前列，非常规环境下工作的仿生机器人已成为机器人技术领域的重要发展方向。目前，4 足或多足的仿生机械已适应各种作业环境，其中的机械狗可
5、以负重在山地行走；哈尔滨工程大学研发出有八只脚、二十四个自由度的多足机器人，可模仿神经网络系统遥控其爬行；日本展出的女机器人在皮肤、步态等方面已达到了乱真的程度；东京工业大学广濑教授等研制的机器蛇从 1992 年的 ACM-R1 陆地型发展到 2005 年的 ACM-R5 水陆两栖型；中科院沈阳自动化所研制的机器蛇也在向水陆两栖型运动发展；蝠鲼胸鳍扑翼式的运动模式引起国内外专家的关注，日本有人在研制仿扑翼推进式飞行器；北京航空航天大学仿蝠鲼的胸鳍，研究全柔性扑翼式机器人；美国 Stanford大学的科学家研究仿壁虎机器人，这也是我们在 863 和国家自然科学基金重点项目支持下正在研究的课题。未
6、来的机器人趋向微小型和多样化，将进一步采用仿生结构和中枢运动模式发生器制导系统，以适应各种环境条件下的作业。据国际机器人联盟调查，2004 年全球个人机器人约有 200 万台，2008 年将有 700 万台机器人投入运行。日本机器人协会预测，到 2025 年，全球机器人产业将从现在的每年 50 亿美元达到 500 亿美元的规模。正如电脑一样，机器人将会进入每一个家庭。仿生学与生命科学近年来生命科学的发展拓宽和加深了仿生领域，极大地促进了仿生学的发展。反之仿生学的发展也促进生物科学的发展。例如：动物运动的人工诱导和神经工程学的建立。仿生学与生命科学相互促进发展。2000 年，仿生学开始大踏步地进
7、入脑科学领域，不仅促进了神经科学的发展，而且开辟了一门新兴的交叉学科神经工程学（Neural Engineering） 。自从 Caton（1875）首次在家兔和猴脑、Berger（1929）在人头皮上记录到脑电波以来，传统上认为，这种经容积导体记录的电活动是大脑所有神经元活动的总和，其波形变化呈“混沌”相，内涵的信息很难被提取和确认。所以，脑电波只能用于癫痫、脑外伤和脑肿瘤病灶的探测，以及第 4 页 （共 5 页）醒觉和睡眠的研究。直到近年来神经电生理学和计算机技术的飞速发展，才使人们可以借助高性能的生物电信号采集系统和专门设计的计算机算法，提取出人思维时脑电波的时-空特征，进行分类和分析，
8、通过计算机将特征性脑电波翻译成遥控的指令，经无线网络发送出去，实现人脑与计算机的“对接” ，控制电子装置和仿生电子肢体。仿生学与工程技术仿生学问题来自工程和技术的难题和需要。人类对自然的仿生绝不是简单的临摹，而是依据人类的认知和工程与技术需要对自然主动的同化和建构，即所谓的“神似” 。例如，在汽车生产中进行了大量的仿生应用：大众汽车的仿甲虫外型、保时捷汽车鸭式的后尾、奔驰车模仿蜜蜂眼睛的车灯等。2005 年 7 月，Mercedes-Benz公司推出的一款车身仿豹纹箱鲀（spotted boxfish）的汽车，与同样动力的汽车相比，性能明显得到提高，在 0.8 秒内速度可从 0 达 100 公
9、里/小时，最大速度可保持在 190 公里/小时，并可以降低能耗。仿生学促进工程技术学发展，使一些梦想成真。例如：昆虫复眼有极高的时间分辨率，仿其制造的雷达提高了对飞行器速度的测量；人们称鹰眼为“神目” ，其视网膜上的感光细胞对亮度、边缘、方向以及运动有特殊的敏感，美国 E-2 型鹰眼预警机安装了仿鹰眼雷达系统，提升了探测能力；模仿蝙蝠超声波定位功能的雷达和模仿海豚回声定位系统的声纳，都特异地提高了现有仪器的灵敏度、稳定度和信噪比。利用航天技术，科学家研发出超精细人造陶质光感受细胞。直径 2 mm 的微芯片可被植入人的视网膜内，极大地改善视觉残疾人的视力。目前最理想的对感受器的仿制当属仿生耳，即
10、人工耳蜗。人造的电子声音感受器替代损伤的毛细胞，按音调定位地被植入内耳的耳蜗上，按“局部振动和行波学说”机制翻译声音的信息。经过调制和练习，这种人工耳蜗可修复聋者的听力。仿生学前景控制论（Cybernetics）提出者维纳认为， “在已经建立起的科学部门间的无人的空白区上，最容易取得丰硕的成果” 。交叉学科的仿生学最容易取得丰硕的研究成果。仿生学随着科技与经济的发展而发展，也必将极大地推动未来学科和经济的发第 5 页 （共 5 页）展。2001 年 12 月 34 日，美国商业部、国家科学基金会和国家科技委员会纳米科学工程与技术分会联合发起的由科学家、政府官员和产业界技术专家参与的圆桌会议，就
11、“提升人类能力的会聚技术”进行研讨，提出一个 NBIC 理念29。NBIC 是Nanotechnology（纳米技术） 、Biotechnology（生物技术） 、Information technology（信息技术）和 Cognitive technology（认知技术）的缩写。NBIC 会聚技术的重大意义在于：以上四个领域的技术在当前都迅速发展，每一个领域都有巨大潜力。而其中任何技术的两两融合、三种会聚或者四者集成，都将产生难以估量的效能。与会者认为，NBIC 会聚技术将缔造全新的研究思路和全新的经济模式，大大提高整个社会的创新能力和社会生产力水平。仿生学目前的发展态势不仅应和了NBIC
12、 会聚技术，后者也将是仿生学发展的主要方向。路甬祥院士在第 220 届香山会议上以“仿生学的意义与发展”为题，做主题报告。他指出：人的创造欲是科技创新的根本动力，自然和社会是我们认知和创新服务的对象，也是我们学习的最好老师。仿生学的意义在于：将生物 35 亿年进化的结果作为发明的参考；将 35 亿年演化形成的生物多样性作为技术方案选择的宝库；将 35 亿年演化形成的脑与神经系统结构与功能作为认知研究和智能机器的最好示范；将 35 亿年演化形成的生命现象中的精妙和多样的微结构和微系统作为微、纳米结构和微系统技术的极好参照；将 35亿年形成的生物在复杂环境中感知、判断、捕食、伪装、轨避能力和适应机制作为传感、判断、控制、隐身、环境适应等技术的最好学习对象。他认为：1)经过35 亿年进化的生物世界是技术创新不可替代、取之不竭的知识宝库和学习源泉；2)仿生学是诸多学科的交叉，需要，尤其需要生命科学家和多学科技术科学专家的共同关注与参与；3)仿生科学有无止境的前沿，正向微观、系统、智能、精细、洁净方向发展；4)重视并创新仿生学，是提升科学技术原始创新能力的一个重要方向。仿生学将为我国科学技术创新提供新思路、新原理和新理论。为适应我国科学和技术源头创新的需要，进一步推动我国经济和社会实现跨越式发展，我们应以积极主动的姿态迎接全球性竞争和挑战。
