探析仿生机械学的研究领域

仿生机械学研究的主要领域有生物力学、控制体和机器人，生物力学研究生命的力学现象和规律，控制体和机器人是根据从生物了解到的知识建造的工程技术系统。其中，用人脑控制的称为控制体（如肌电假手、装具），用计算机控制的称为机器人。仿生机械学的主要研究课题有拟人型机械手、步行机、假肢以及模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的各种机械。

1）拟人型机械手。从外形和功能上看，各种动物的前肢虽然不尽相同，但它们的内部构造却基本一致。两栖类、爬行类、鸟类和哺乳类动物的前肢骨骼都是由肱骨、前臂骨、腕骨和指骨组成的。人的上肢具有较高的操作性、灵活性和适应性，机械手正朝着与人上肢功能接近的方向发展。人的一个上肢有32块骨骼，由50多条肌肉驱动，由肩关节、肘关节、腕关节构成27个空间自由度。肩关节和肘关节构成4个自由度，以确定手心的位置；腕关节有3个自由度，以确定手心的姿态。手由肩、肘、腕确定位置和姿态后，为了掌握物体作各种精巧、复杂的动作，还要靠多关节的五指和柔软的手掌。手指由26块骨骼构成20个自由度，因此手指可作各种精巧操作。在这么多自由度的协调配合下，肌肉在瞬间运动下可发出很大的力量，最大出力与自重之比远较人类制造的任何机器都高得多。肌肉的控制机构具有多重自动控制机构和安全机构，从脑部来的指令可以到达手的各个部分。从工程技术上实现这样的机能特征和信息处理系统是很困难的，一般研制的多关节机械手还只限7个自由度的手臂和1个自由度的手爪，也有人在研究5指手爪。此外，还有模仿象鼻子等机能的柔性机械手，其特点是具有较高的自适应能力。中国科学院长春光学精密机械研究所于1983年研制成功了由微型计算机控制的7个自由度的拟人型机械手。

2）步行机。为了提高移动机械对环境的适应性，扩大人类在海底、北极、矿区、星球和沼泽等崎岖不平地面的活动空间，需要研究模拟生物的步行机构。动物的运动多是通过多关节足来实现的。因此，动物足的形态、机能、运动和肢体稳定控制等是研究步行机的关键。人和鸟类是两足，青蛙、乌龟、犬、马是四足，昆虫是六足，而蟹和蜘蛛是八足，蜈蚣是多足。足的个数直接影响肢体的稳定。六足以上的动物着地至少用三足，由于肢体重心通过足的三点构成平面，静态是稳定的；四足动物慢走时，三足同时着地、快跑时两足着地，靠驱体随机姿态稳定调节；两足动物在步行时，对左右而言是一点着地，是不稳定系统，所以控制很困难。一些国家研制了两足、三足、四足、六足、八足的步行机械。日本早稻田大学于1973年研制成WABOT-1的WL-5号两足步行机，东京工业大学于1972年研制成机械蛇模型，中国科学院长春光学精密机械研究所于1981年研制出四足、六足步行机模型。

3）假肢。分为上肢假肢和下肢假肢。上肢比下肢精巧灵活，结构也较复杂，一般要求假手的外形、构造与人手相近。随着电子技术、生物医学工程的发展，假手已由装饰假手、机械牵引假手发展到肌电假手。肌电假手是大脑通过脊髓和神经系统向有关肌肉发出一组生物电脉冲，利用装在手臂皮肤表面的电极接受指令而驱动假手运动。这种假手受人的意志控制，能实现多功能的、与人手相似的动作。中国清华大学已于1983年研制出肌电假手。(www.xing528.com)

下肢的主要功能在于负重走路，既要有稳定性，又要有适应性和灵活性。下肢包括髋关节、膝关节、踝关节和足部各小关节，它在结构上要比较坚实、稳定，以适合下肢生理功能的需要。身体的重量经髋关节和股骨头传到双脚。膝关节保证大腿和小腿之间具有一定的相对运动，以保证人体的稳定。美国还进行了在人体外侧安装机械骨骼即所谓“蟹壳”的研究，人的手足动作信息由机械检出后，再来驱动机械骨骼。通过机械骨骼来承受外部力量，可使人的力量增大许多倍，即借助机械可扩大人的机能和对外界的适应性。

4）模仿鸟类、昆虫和鱼类等生物的各种机械。模仿鸟类、昆虫和鱼类的形态构造特点，研制各种适宜在空中、水下活动的机械技术系统，也是仿生机械的内容。自然界能飞的动物种类接近全部动物的3/4，其中占主要地位的有600多种鸟类和35万多种昆虫。这些飞行动物为人类改进飞机性能和制造新型飞行器提供了天然的设计原型。鸟类和昆虫的某些特殊机能，如蚊蝇和蜜蜂等昆虫灵活机动的陡然起飞、翻转翅翼的高频振动、光面悬垂和空中定息等，都是现代飞机所做不到的。蜻蜓不仅飞得快，而且飞得高，飞得远，是因为它有柔软单薄的翅膀，飞行速度可达50km/h。蜻蜓翅膀上的翅痣具有消除飞行中翅膀颤动的特点。根据这个特点，在飞机设计中将飞机类似部分加厚，以克服机翼的颤动现象。此外，沙漠蝗、金色鹬的节能飞行等，都是飞行器设计中可以借鉴的。根据蝙蝠喉头发出的超声波可在空中导航和它对空中食物定位的原理，人类发明了雷达。根据苍蝇、蜻蜓的复眼原理，人类发明了复印机和印刷机的复眼透镜。根据响尾蛇的颊窝能感觉到0.001℃的温度变化的原理，人类发明了跟踪追击的响尾蛇导弹。人类还利用蛙跳的原理设计了蛤蟆夯，模仿警犬的高灵敏嗅觉制成了用于侦缉的“电子警犬”。

鲸、海豚和各种鱼类经过亿万年的进化，形成了适应于水中的多姿体形，包括适应于快速航行的纺锤形、适应于水底缓慢运动的平扁形、适应于穿入泥土或石洞间的圆筒形。脊鳍阔大的剑鱼速度可达110km/h，并能在几秒之内就可达到全速，这是现代快艇所不及的。鱼类除了有适于航行的形体外，同时还有特殊的推进和沉浮机能。人类根据水生动物尾鳍摆动式推进系统的生物力学原理，设计出一种摆动板推进系统。它不仅可以使船只十分灵活地转弯和避开障碍，还可以顺利地通过浅水域或沙洲而不搁浅。僧帽水母用感觉细胞控制浮鳔内的气体使身体沉浮，金枪鱼靠控制体内一种生理化学反应而沉浮。人类根据这些原理研制成潜水艇的沉浮系统。乌贼的体型虽然和鱼不太相同，但运动器官十分完善，它靠收缩腹肌把外套膜中的水从喷嘴迅速射出，借此推进身体前进。人类根据这个原理设计出喷水船。人类还模仿海豚皮肤可减少水阻的特点，制成了“人工海豚皮”。