動物仿生技術

動物仿生技術是仿生學在模擬動物行為或特徵方向的套用。仿生學是近年來發展起來的工程技術與生物科學相結合的交叉學科。

基本介紹

• 中文名：動物仿生技術
• 來源：仿生學
• 交叉學科：工程技術與生物科學
• 目的：模擬動物行為或特徵

具體套用

昆蟲鳥類

模仿鳥類、昆蟲和魚類的形態構造特點，研製各種適宜在空中、水下活動的機械技術系統，是仿生機械的重要內容。自然界能飛的動物種類接近全部動物的3/4，其中占主要地位的有600多種鳥類和35萬多種昆蟲。這些飛行動物為人類改進飛機性能和製造新型飛行器提供了天然的設計原型。鳥類和昆蟲的某些特殊機能，如蚊蠅和蜜蜂等昆蟲靈活機動的陡然起飛，翻轉翅翼的高頻振動，光面懸垂和空中定位等，都是現代飛機所做不到的。蝙蝠根據蝙蝠喉頭髮出的超音波可在空中導航和對空中食物定位的原理，人類發明了雷達；根據蒼蠅、蜻蜓的複眼原理，人類發明了複印機和印刷機的複眼透鏡；根據響尾蛇的頰窩能感覺到0.001℃的溫度變化的原理，人類發明了跟蹤追擊的響尾蛇飛彈；人類還利用蛙跳的原理設計了蛤蟆夯；模仿警犬的高靈敏嗅覺製成了用於偵緝的“電子警犬”。

海洋生物

鯨、海豚和各種魚類經過億萬年的進化，形成了適應於水中環境的多姿體形。其中有適應於快速航行的仿錘形；適應於水底緩慢運動的平扁形；適應於穿入泥土或石洞間的圓筒形；脊鰭闊大的劍魚速度可達110公里/時，並能在幾秒之內就可達到全速，這是現代快艇所不及的。

魚類除了有適於航行的形體外，同時還有特殊的推進和沉浮機能。人類根據水生動物尾鰭擺動式推進系統的生物力學原理，設計出一種擺動板推進系統。它不僅可以使船隻十分靈活地轉彎和避開障礙，還可以順利地通過淺水域或沙洲而不擱淺。

僧帽水母用感覺細胞控制浮鰾內的氣體，使身體沉浮；鮪魚靠控制體內一種生理化學反應而沉浮。人類根據這些原理研製成潛水艇的沉浮系統。烏賊的體型雖然和魚不太相同，但運動器官十分完善，它靠收縮腹肌把外套膜中的水從噴嘴迅速射出，藉此推進身體前進。人類根據這個原理設計出噴水船。人類還模仿海豚皮膚可減少水阻的特點，製成了“人工海豚皮”。

研究進展

歐盟仿生魚機器人

歐盟第七研發框架計畫（FP7）提供全額資助，由愛沙尼亞塔林（Tallinn）技術大學生物機器人中心負責牽頭，歐盟多個成員國有關微納米電子技術、環境保護技術、信息通訊技術（ICT）、自動控制技術、動物仿生學和生命科學專家組成的歐洲FILOSE（Robotic FIsh LOcomotion and SEnsing）研發團隊，利用自行研製設計的流輔助與流相關導航儀（Flow-Aided and Flow-Relative Navigation），開發可感應水下流速的仿生魚機器人獲得成功。研發團隊開創性的研究工作，取得仿生魚機器人瓶頸技術的突破，奠定了仿生魚機器人廣泛推廣套用的基礎，榮獲歐委會嘉獎。
虹鱒魚（Rainbow Trout）是水下“混合泳”高手，研發團隊開發的外形、大小、行為和動態類似虹鱒魚的仿生魚機器人模型，迄今為止最大的缺陷，是不能像虹鱒魚一樣感知周圍的流速並變換游泳姿態。研發團隊的成功，也是最關鍵的技術突破，來自成功開發出可模仿動物毛髮細胞感應生理學（Hair Cell Sensing Physiology）的人工毛髮細胞。
研發團隊開發的仿生虹鱒魚，通過安裝在魚胸部的獨立變速馬達控制尾部擺動，擺動產生的波動波可促使仿生魚後部擺動而前身基本平行，從而保證仿生魚類似於虹鱒魚的前行姿態。感應裝置和控制裝置安裝在密封不透水的魚頭部，通過控制並改變尾部材料特性改變仿生魚的游泳姿態。仿生魚經過在實驗室流體動力學流罐（Flow Tank）的反覆試驗和最佳化設計，不僅可以在急速變化的水流中，而且可以在渦流中保持類似虹鱒魚前行的姿態。

仿生魚

上海交大研製六足仿生機器人

2013年10月28日，由上海交通大學研發的具有自主智慧財產權的“六爪章魚”救援機器人進行了載人試驗。該“六爪章魚”機器人高約1米，最大伸展尺寸可達2×2米，由18個電機驅動，通過遠程遙控使用，能夠靈活地沿各個方向穩定行走，速度可達1.2千米/小時，負重達200公斤。

六足機器人

“六爪章魚”可不僅僅是外形引人注目，由上海交通大學機械與動力學院重裝所研製的這種救援機器人，具有意義重大的使命——在核電站等核輻射環境下進行緊急救災。它具備深入複雜危險環境的工作能力，可在化學污染、水下和火災等環境下完成探測、搜尋和救援等任務。

上海交通大學機械與動力工程學院高峰教授介紹，核電救災機器人在核輻射環境下工作需要有很好的輻射防護，否則電子設備會很快受損失效，而有效的輻射防護材料是沉重的鉛；同時，救災機器人還需要攜帶檢測設備進入發生事故的核電站廠區，探測發生事故後核電站內部情況，兼搬運管道、擰動閥門、清理事故現場……這些不但考驗機器人的機動能力、平衡控制能力，更需要考驗機器人的承載能力。

圍繞這些技術難題，高峰教授團隊開發了這款六足步行機器人：特殊的腿部設計配合18個驅動單元能顯著提高機器人的承載能力，使其能負重150公斤。它可以充當一個穩固的移動工作平台執行搬運打孔等作業，也可自行完成擰動閥門、清理事故現場等工作。它可以往任意方向快速運動，擁有很強的機動性、避障能力和穩定性和有較強的抗干擾能力，準確的執行操作者的指令。擁有了這些能力，章魚機器人便能深入災區，代替人們精確地完成最危險的工作。採用其它相應的防護後，它還能在水下環境中作業，以及在火災現場或有毒環境中完成救災任務。