【精品】生命科学与健康
机械设计制造与生命科学的融合 结 课 作 业 姓 名:张志刚 学 号:1064103122 专 业:机械设计制造及其自动化 学 院:机械工程学院 任课教师:司万童 机械设计制造与生命科学的融合 姓名:张志刚 学号:1064103122年级:机2010-1班 专业:机械设计制造及其自动化学院:机械工程学院 摘要: 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。例如关于信息接受(感觉功能)、 信息传递(神经功能)、自动控制系统等,这种生物体的结构与功能在机械设计 方面给了很大启发。可举出的仿生学例子,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。仿生学也被认为是与控制论 有密切关系的一门学科,而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较,进行 研究和解释的一门学科。 仿生学的诞生是建筑在生物科学的进步、以及与电子学的相互渗透的基础 上。实际上它是一门涉及广阔领域的综合性的边缘学科,若以电子学为中心来考 虑,就构成了仿生电子学,若以机械学为中心来考虑,则构成了仿生机械学。 生物学的发展,可以开拓机械工程的研究视野,一些机械领域的发展和突破都是 受到生命科学的启发,仿生学如鱼、蝙蝠等等的原理来发明了潜艇、雷达这些机 械装置,或者利用这些基本原理来利用机械的方法来实现,还有比较重要的就是 机器人的出现也是受人的启示;生物学的发展,从而出现了一些新的科学技术, 比如说神经网络技术、遗传算法等技术,这些技术和方法现在很多运用于机械领 域的研究。 仿生机械学是以力学或机械学作为基础的,综合生物学、医学及工程学的一 门边缘学科,它既把工程技术应用于医学、生物学,又把医学、生物学的知识应 用于工程技术。从习惯上说,可把仿生机械学的各个研究动向归纳如下:1.生 物材料力学和机械力学2.生物流体力学3.生物运动学4.生物运动能量学5.康复 工程学6.机器人的工程学 关键词:生命科学;仿生机械学;研究方向;发展 正文: 人类关于生命科学的研究不仅仅局限于人类还局限于动物、植物、微生物等 等,不仅仅局限于陆地,还局限于海拔数千米的高山、数万海里的大洋底部,不 仅仅局限于地球,还拓宽到遥远的月球、火星以致于遥无边际的宇宙深处。 再一个就是机械工程的发展促进了生命科学的发展和变革。随着机械工业的 发展,越来越多的高科技的仪器和装置越来越多地运用于生命科学的研究等领 域,大大提高了生命科学的研究效率、丰富了生命科学的研究方法,从而促进了 生命科学的飞跃发展。随着机械工程和一些相关科技的飞速发展,人类研究生命 科学的视野也得到了前所未有的拓宽和提升。 仿生机械学是上世纪60年代初期出现的一门综合性的新兴边缘学科,它是 生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而形成的。包含着对生物现象进行 力学研究,对生物的运动、动作进行工程分析,并把这些成果根据社会的要求付 之实用化。 仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学,它是在上世纪中期才出现的一门 新的边缘科学。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。从仿生学的 诞生、发展,到现在短短几十年的时间内,它的研究成果已经非常可观。仿生学 的问世开辟了独特的技术发展道路,也就是向生物界索取蓝图的道路,它大大开 阔了人们的眼界,显示了极强的生命力。 仿生机器人是从仿生学的角度对机器人进行研究和开发,其设计原理是提取 蕴藏于生物体中、通过生物进化沉积下来的优秀的运动学、组织学、形态学及其 综合作用效果的特性,并将这些特性相对应的结构、形态、组织以及信息传递的 方式,通过机械的、电子的、化学的或其它现代科技手段进行某些特定环境的再 现。 如果把传统的机械称之为一般机械的话,仿生机械应该是指添加有人类智能 的一类机械。在物理和机械机能方面,一般机械要比人类的能力要强许多,但在 智能方面却比人类要低劣的多。因此,若把人一一机结合起来,就有可能使一般 机械进化为仿生机械。从这一角度出发,可以认为仿生机械应该是既具有像生物 的运动器官一样精密的条件,又具有优异的智能系统,可以进行巧妙的控制,执 行复杂的动作。 一. 研究动向 1. 生物材料力学和机械力学 以骨或软组织(肌肉、皮肤等)作为对象,通过模型实验方法,测定其应力、 变形特性,求出力的分布规律。还可根据骨骼、肌肉系统力学的研究,对骨和肌 肉的相互作用等进行分析。另外,生物的形态研究也是一大热门。因为生物的 形态经过亿万年的变化,往往已形成最佳结构,如人体骨骼系统具有最少材料、 最大强度的构造形态,可以通过最优论的观点来学习模拟建造工程结构系统。 2. 生物流体力学 主要涉及生物的循环系统,关于血液动力学等的研究已有很长的历史,但仍 有许许多多的问题尚未解决,特别是因为它的研究与心血管疾病关系十分密切, 已成为一门倍受关注的学科。 3. 生物运动学 生物的运动十分复杂,因为它与骨骼和肌肉的力学现象、感觉反馈及中枢控 制牵连在一起。 虽然各种生物的运动或人体各种器官的运动测定与分析都是重要的基础研 究,但在仿生机械学中,目前特别重视人体上肢运动及步行姿态的测定与分析, 因为人体上肢运动机能非常复杂,而下肢运动分析对动力学研究十分典型。这对 康复工程的研究也有很大的帮助。 4. 生物运动能量学 生物的形态是最优的,同样,节约能量消耗量也是生物的基本原理。从运动 能量消耗最优性的特点对生物体的运动形态、结构和功能等进行分析、研究,特 别是对有关能量的传递与变换的研究,是很有意义的。 5. 康复工程学 包括如动力假肢、电动轮椅、病残者用环境控制系统等。它涉及许多学科和 技术,比如对于动力假肢,只有在解决了材料、能源、控制方式、信号反馈与精 密机械等各种问题之后才能完成,而且这些装置还要作为一种人一一机系统进行 评价、试用,走向实用化的道路是非常艰难和曲折的。 6. 机器人的工程学 是把生物学的知识应用于工程领域的典型范例,其目的一是省力;二是在宇 宙、海洋、原子能生产、灾害现场等异常环境中帮助和代替人类进行作业。机器 人不仅要有移动功能的人造手足,而且还要有感觉反馈功能及人工智能。目前研 究热点为人造手、步行机械、三维物体的声音识别等。 二. 国内外仿生机器学研究进展 1. 水下仿生机器人 水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大.在 水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识 别等诸多方面的设计均需考虑.以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用 涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压.由于传统的操纵与推进装置的体积大、 重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和 自主式水下机器人的发展.鱼类在水下的行进速度很快,金枪鱼速度可达105km / h,而人类最快的潜艇速度只有84km/ h,所以鱼的综合能力是人类目前所使 用的传统推进和控制装置所无法比拟的,鱼类的推进方式已成为人们研制新型高 速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象.