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仿生机器人与生命科学

来源:UC论文网2019-05-18 10:27

摘要:

  摘要:生物学的发展,可以开拓机械工程的研究视野,然而机械工程的发展促进了生命科学的发展和变革。比如说一些机械领域的发展和突破都是受到生命科学的启发,随着机器人技术、仿生技术、控制技术以及制造技术的进步,机器人应用领域的不断拓展。仿生机器人由于其高度灵活性和柔性已受到机器人学者的广泛关注和研究。本文通过对仿生机器人和生命科学之间的相互促进关系的分析。后对仿生机器人发展过程中的关键进行总结分析。再...

  摘要:生物学的发展,可以开拓机械工程的研究视野,然而机械工程的发展促进了生命科学的发展和变革。比如说一些机械领域的发展和突破都是受到生命科学的启发,随着机器人技术、仿生技术、控制技术以及制造技术的进步,机器人应用领域的不断拓展。仿生机器人由于其高度灵活性和柔性已受到机器人学者的广泛关注和研究。本文通过对仿生机器人和生命科学之间的相互促进关系的分析。后对仿生机器人发展过程中的关键进行总结分析。再对仿生机器人的发展趋势进行展望。


  作者:郭宏光


  关键词:仿生机器人;仿生学;生命科学;研究现状;发展趋势


  人类由鸟而发明了飞机,已成为人类生活不可或缺的交通工具,极大的便利了人类的出行;这个仿生例子,由此我们将感叹生命科学和机械工程之间的的关系是妙不可言。


  工业机器人的诞生,使机器人技术和工业得到了前所未有的发展,各种用途的机器人相继问世,使人类的许多梦想变成了现实,用于军事作战、反恐防爆等领域。


  生物体发展灵巧的运动机构和机敏的运动模式,这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。1960年,美国科学家观察研究,创立了仿生学。它是生物科学和工程技术相结合的一门边缘学科,通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制,来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程。仿生学在机器人科学中的应用,推动了机器人的适应能力向非结构化、未知的环境方向发展。科学家们向生物学习,创造出了众多高性能的仿生机器人。


  仿生机器人的研究是以机器人技术和仿生学的发展为基。?死嗤ü?芯、学习、模仿来复制和再造某些生物特性和功能,制造出能够代替人类从事恶劣环境下工作的仿生机器人,对于仿生机器人的研究是多方面的,因此出现了功能、形状各异以及工作原理不同的仿生机器人,种类繁多。


  仿生学是科学促进机械工程发展的一个典型例子,人类由鸟而发明了飞机;由青蛙制成了电子蛙眼,如今已在生活中广泛使用;所以说生命科学和机械工程之间有着妙不可言的关系。生命科学促进机械工程的发展。仿生学也是科学促进机械工程发展的一个典型例子,


  说到苍蝇,大家都嗤之以鼻,觉得心中立刻涌出一股憎恶感,更不用说将它与处在科技前沿的宇宙飞船、火箭、潜艇等联系在一起,可事实就是如此,这些高科技机械装置的发展,苍蝇起了很大的作用。苍蝇的嗅觉特别灵敏,远在几千米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻子”,它靠什么来充当嗅觉的呢?原来,苍蝇的“鼻子”――嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通,内含上百个嗅觉神经细胞。若有气味进入“鼻孔”,这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲,送往大脑。大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同,就可区别出不同气味的物质。因此,苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。仿生学家由此得到启发,根据苍蝇嗅觉器官的结构和功能,仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属,而是活的苍蝇。就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上,将引导出来的神经电信号经电子线路放大后,送给分析器;分析器一经发现气味物质的信号,便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里,用来检测舱内气体的成分。这种小型气体分析仪,也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理,还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。另外苍蝇的楫翅(又叫平衡棒)是个“天然导航仪”,人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。这种仪器已经应用在火箭和高速飞机上,实现了自动驾驶。另外,机械工程的发展推进了生命科学的发展。一方面,俗话说得好,“工欲善其事,必先利其器”。一些医疗、研究等方面的器械的出现,大大地推动了生命科学的发展。细胞学说的提出,是生命科学发展史上具有里程碑意义的事件,这离不开显微镜的作用。17世纪发明了光学显微镜,推动了解剖学向微观层次发展,出现了细胞学研究。这时人们不但可以了解人体解剖的变化,而且可以进一步观察细胞形态结构的变化,随之诞生了组织学。光学显微镜的出现使医学的研究提高到细胞形态学水平,由于普通光学显微镜的分辨率只有数个微米,只能观察细胞的形态变化,而像病毒以及细胞的各种显微结构,如核结构、DNA等大分子结构,光学显微镜就不能分辨了。20世纪60年代又出现了电子显微镜,使人们的视力达到能看到千分之一微米的微小个体,可以观察研究细胞的超微结构。由此可见,光学显微镜、电子显微镜都是光学、精密械、电子学等研究的成果,它们对推动医学的发展起了重要作用。还有在影像学诊断方面,20世纪50年代X光透视和摄片是临床常用的诊断方法。今天,由于CT、核磁共振等现代化医学工程技术的出现和应用,使影像学诊断水平出现了飞跃,极大地提高了临床诊断水平,这些说明影像学诊断水平的不断提高与生物机械的发展密切相关……


  再一方面,机械工程的发展也拓宽了生命科学研究的领域。显微镜的发明,使人们生命科学研究进入微观分子世界。潜水艇的出现,使人们能够进入深海中研究古老的生物,由此,发现了许多海洋生物的药用价值。例如在加勒比海产的一种属被囊动物中,发现含有强细胞毒作用的成分。这种成分对L1210白血病、P388淋巴白血病和B16黑色素瘤有良好的抑制作用。除萜类化合物之外,还有从另一种褐藻中分离出邻醌化合物。它能与微管蛋白反应,从而抑制微管组合。从海绵中分离出的两种有细胞毒作用的新颖聚醚类化合物,对P388和L1210细胞有明显的抑制作用。从海参纲动物中分离出的皂甙,从软体动物中分离出的多肽或蛋白质化合物(“蛤素”,“鲍灵Ⅲ”等)具有很强的抗肿瘤、抗白血病作用等等,这些都是人们只在陆地发现不了的,正是机械的发展,拓宽了生命科学的研究领域,使人类能够进入深海,探索新领域,为疾病患者带来了福音,也推动了生命科学的发展。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。


  仿生机器人的外形与所模仿的生物的相似性,也是仿生机器人研究的热点之一。在军事侦察和间谍任务中,如果仿生机器人的外形与所模仿的生物外形完全一致,将能更隐蔽地、更安全地完成任务。2l世纪人类将进入老龄化社会,在仿生机器人领域中,研发多功能仿生机器人将弥补年轻劳动力的严重不足,解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题,并能开辟新的产业,创造新的就业机会。


  目前,仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员,其所具有的高度灵活性和柔性已受到机器人学者的广泛关注。随着机器人作业环境的复杂化和未知化,人类必须向自然界学习,从自然界获取丰富多彩的实例以寻找求解决问题的途径,通过对自然界生物的学习、模仿、复制和再造,发现和发展相关的理论和技术方法,使机器人在功能和技术层次上不断提高。仿生机器人在军事领域,未知环境探测、抢险救援、娱乐和服务等方面的重要性,已经成为2l世纪机器人研究的热点。

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