论文---仿生力学漫谈

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1、仿生力学漫谈摘要：仿生力学有着古老的历史（如柁和桨），而研究动物运动的力学机理，将在生活和军事上有很大的应用前景。本文就介绍几种动物的运动及其力学机理，表现仿生力学的强大应用潜力。关键词：仿生力学，动物运动，力学机理，应用一、引言仿生学是一门年轻的科学，它的历史只有短短的36年。可实际上，早在远古时代，人们就已懂得模仿生物了。舟船、舵和桨，就是古人依照鱼的形状以及鱼尾和鱼鳍发明出来的；就连人们的游泳术也是向海洋生物学来的，至今人们不是还习惯地使用“蛙泳”、“豚泳”吗？所以说，仿生力学有着古老的历史。动物在经过亿万年漫长的演化过程，形成了

2、优化的器官和组织，能巧妙地通过运动，主动有目的地迅速改变其空间位置。为了生存，动物在运动中发展了不同的运动本领，以提高其生命效力和生活质量。动物的运动大体可分为游泳、行走、奔跑、跳跃、爬行、飞行等类型。无论哪种类型的运动，动物既要向前行进，又须适应地心吸力的作用，以维持身体的平衡。在有些情况下，尚须发展附着的能力，例如壁虎在竖立的墙壁上行走。于是，人们仿照动物的生理特征和运动机理创造了一系列的机械与工具。就这样，仿生力学诞生了。力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组成部分在体内相对运动和生物体在环境中

3、运动的动力学性质。例如，建筑上模仿贝壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构，把人工海豚皮包敷在船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速。力学仿生的内容很繁。航海部门对水生动物运动的流体力学的研究；航空部门对鸟类、昆虫飞行的模拟、动物的定位与导航；工程建筑对生物力学的模拟；军事上模仿生物特性创造各种先进设备和武器；生活上制造各类有利于提高生产水平和生活质量的物品……仿生力学的任务是利用动物运动的力学机理，为民用或军用的目的，考虑如何改进现有的机械设

4、备和工具，或设计制造新型的仿生高效机械设备和工具；或是模仿动物行走、奔跑、跳跃、游泳、飞行、爬行的特点，设计、制造相应有不同特色和应用范围的智能机器人（亦分别可称为智能行走器、智能机器鱼、智能潜行器、智能爬行器、智能飞行器等），既可在地球上某些特殊环境下使用，以达到特定的目的，又可以为到月球、火星等别的星体上探测、研究时使用等等。今天，仿生力学以其不可估量的应用前景向世人展示其强大的作用。军事上，现在除了在眼、耳、鼻三种感觉器官模拟制成了“人造眼”、“电子耳”、“电子鼻”、“电子警犬”等以外，人类又研制出了微型机器人。与那些大的间谍飞机

5、相比，这个由美国加州大学伯克利分校的科学家研制的“微型苍蝇”可真称得上“微乎其微”了，其重量只有100毫克，身长不到3厘米。尽管是个“小家伙”，却被人们冠以未来世界“超级间谍”的美名。主持这项研究工作的是美国加州大学电子工程系教授罗恩·费林博士。研究人员利用最先进的仿生学原理，仿造苍蝇制造出了这个微机械模型。美国五角大楼对“微型苍蝇”青睐有加，自1998年这项研究刚刚开始时就一直进行资助。他们希望在未来可以利用这种“超级间谍”，帮助军方完成侦察阿富汗山洞或是寻找秘密武器的藏身之处。科研方面，仿生力学也起着强大的作用。例如，小小苍蝇，能连

6、续飞行几小时不降落，飞行时速高达20公里。它不需要滑行，能沿与地面呈30度的角度迅速起飞，可在空中急停、急转弯，垂直上升、下降，着陆动作也很轻快。科学家研究发现，原来在苍蝇翅膀后面还有一对小的翅膀——楫翅，它像船的桨和舵一样既能控制飞行方向，又能控制身体平衡，既是导航仪，又是平衡棒，航天科学家在楫翅的启示下，制成了振动陀螺仪，用在飞机、火箭及空间飞行器上，大大提高了自动控制系统的性能。又如，领十鱼能在伸手不见五指的海里与海流搏斗，并能准确地发现障碍物，确定正确的方向。这些本分奇特。科学研究表明，这些行为是鱼类使用身体上的侧线完成的，它是

7、鱼类的“第六感”系统，由数千个延伸整个身体的细小毛发细胞组成。即使是在完全黑暗的海水中，侧线也会对鱼类身体周围的水流做出反应，从而正确地侦测到障碍物和水流的动物。不久前，伊利诺伊州立大学的科研小组仿生开发出一套可使机器人拥有“第六感”的人工侧线，它与鱼类的侧线系统相似。这种人工侧线由许多排列在表面的，类似于发束的微小硅片组成，每一条都通过微较链连接在一个电子感应器上。当水流与硅束接触时，硅束会因不同的水流速度而弯曲，使传感能侦测到硅束弯曲的角度和方向，从而帮助机器人找出它想去的方向。生活上，仿生力学在建筑上发挥极大的作用。专家发现，恐龙

8、巨大的躯体、长颈和粗长尾巴的重力中心是在腰部，身体的重量通过身体重心传递到粗壮的四肢上，整个身体的上部犹如一座拱桥。从力学角度来看，它的确是一种承受巨大负荷的理想结构的造型，这便是建筑史上“拱形结构”的历史