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5.1 仿生创新设计原理及分类5.1.1仿生学与仿生机械学概述在长期的进化过程中，受到自然条件的严峻选择，为了生存和发展，自然界形形色色的生物各自练就了一套独特的本领。
例如，有利用天文导航的候鸟，有建筑巧妙的蜂窝，有能探测势源的响尾蛇;海洋中水母能预报风暴;老鼠能事先躲避矿井崩塌或有害气体;蝙蝠能感受到超声波;鹰眼能从三千米高空敏锐地发现地面上运动着的小动物;蛙眼能迅速判断目标的位置、运动方向和速度，并能选择最好的攻击姿势和时间。
人们在技术上遇到的许多问题、许多困难找不到正确解决的方法和途径，生物界早在千百万年前就曾出现，而且在进化过程中就已得到了很好的解决，人类应从生物界得到有益的启示。
相传在公元前三千多年.人们的祖先有巢氏模仿鸟类在树上营巢，以防御猛兽的伤害;四千多年前，人们的祖先“见飞蓬转而知为车”，即见到随风旋转的飞蓬草而发明轮子，做成装有轮子的车。
我国战国时期墨子仿鸟而制造的竹鹊”;三国时期诸葛亮设计的“木牛流马”;春秋战国时期的鲁班，从锯齿形的草叶中“悟”到了锯的原理;中国古代劳动人民对水生动物一鱼类的仿生也卓有成效。
鱼儿在水中有自由来去的本领，古人伐木凿船，用木材做成鱼形的船体人们就模仿鱼类的形体造船。
相传早在大禹时期，我国古代劳动人民观察鱼在水中用尾巴的摇摆而游动、转弯，他们就在船尾上架置木桨。
通过反复的观察、模仿和实践，逐渐改成橹和舵，增加了船的动力，掌握了使船转弯的手段。
人们还仿照鱼的胸鳍制成双桨，由此取得水上运输的自由。
后来随制作水平提高而出现的龙船，多少受到了不少动物外形的影响。
图5-1 竹鸢、楼兰古城的有翼天使图5-2 木牛流马、龙舟研究生物系统的结构和特征、并以此为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学,称为仿生学（bionics）。
仿生学不是仅仅外形相似即可，有些外形相似的仿造很失败，有些外形不像但是结构原理一致的仿生很成功。
图5-3 仿生结构5.1.2 仿生机械分类仿生机械（bio-simulation machinery），是模仿生物的形态、结构、运动和控制，设计出功能更集中、效率更高并具有生物特征的机械。
仿生学在机械工程中的应用摘要：介绍了仿生学的基本原理，并以机器人仿生学的发展说明了其在机械领域内的应用和前景。
关键词：仿生学；功能仿生；结构仿生；外形仿生1.前言仿生学是研究生物系统的结构、功能、能量转换、信息控制等特征。
并将研究结果应用于技术系统，以改善现有的技术工程设备，创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学。
它是一门属于生物科学与技术科学交叉的边缘科学，其任务是将生物系统的优异能力及产生的功能原理和作用机理作为生物模型进行系统研究，再运用于新技术设备的设计与制造，或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。
仿生学这一名词自l960年在美国召开的第一届仿生学会议上诞生以米，至今不过40多年，可是，人类模仿生物来创建工具，却有很长的历史。
例如：模仿落叶浮水漂流刨造了船；通过观察鸟类的飞翔造就了飞机；根据苍蝇的眼睛结构制造了照相机；利用蝙蝠创造了雷达；模仿鲸鱼制造出了潜水艇等等。
仿生设计是研究和探讨生物机制，仿照生物设计制造新产品。
自从1960年以来，仿生设计已广泛应用于传感器、新材料等领域，目前国内外对仿生机械设计的研究也取得了很大进展。
2.仿生学原理2.1功能仿生功能仿生的目的是使人造的机械具有或能够部分实现高级动物丰富的功能，如思维、感知、运动、操作等，这在智能机器人的研究中具有重大意义。
生物体经过千百万年的演化和自然淘汰，已经形成了复杂而完备的系统，不论哪一种生物的结构和机能，一般说来都十分精巧、协调、合理和高效。
作为高等动物的人，具有高度的运动灵活性。
人的四肢是由骨骼、肌肉、关节以及韧带组成的多关节弹性结构，这种结构确保人体能够灵活运动，完成复杂动作。
对人体的仿生以及拟人机器人的研究是仿生机器人领城的最高目标。
另外，人的独特的思维功能也是仿生设计所模仿的原型。
2.2结构仿生结构仿生设计不仅仅研究力学结构，还包括物质宏观和微观的组织原则。
通过研究生物整体或部分的构造组织方式发现其中与产品的潜在相似性进而对其模仿，以创造新的形象或解决新的问题。
探讨仿生原理与创新设计（小二号，黑体）学□□生：×××（五号，宋体）□□摘□要：（小四号，黑体）（正文：五号，宋体）□□关键词：（小四号，黑体）（正文：五号，宋体）□□那些仔细观察过大自然的人，肯定会对各种不同形状和颜色的动植物非常熟悉，而且会清楚地知道哺乳动物、鸟类和昆虫身体构造的区别。
各种动物具有不同的身体构造，这种现象绝非偶然。
在漫长的过程中，大自然创造了不同种类的动物和植物，通常情况下，它们都可以很好地适应周围的生存环境。
我们将这样的进程称为进化过程。
动植物与各种工程技术产品之间存在着一些共同点，即工程技术产品也必须与其使用的环境相适应。
例如，我们无法穿着精致的高跟凉鞋去登山。
这样，人们开始为日常生活中碰到的很多问题，寻找聪明的解决办法。
对动植物的观察可以使人获得启发，从而找到解决问题的办法，并将其转化到技术中。
仿生学就是这样产生的。
一、仿生学（一级标题顶格书写）（小三号，黑体）□□（正文：小四号，宋体）（一）大自然带来的启发什么是仿生学？仿生学是由“生物学”和“技术”这两个概念组成的。
生物学是研究生命体的科学，因此仿生学是将生物学和工程技术相结合的交叉学科，也可以将仿生学描述为：从大自然中获得灵感，然后用它来发明新技术。
那些仔细观察过大自然的人，肯定会对各种不同形状和颜色的动植物非常熟悉，而且会清楚地知道哺乳动物、鸟类和昆虫身体构造的区别。
各种动物具有不同的身体构造，这种现象绝非偶然。
在漫长的过程中，大自然创造了不同种类的动物和植物，通常情况下，它们都可以很好地适应周围的生存环境。
我们将这样的进程称为进化过程。
动植物与各种工程技术产品之间存在着一些共同点，即工程技术产品也必须与其使用的环境相适应。
例如，我们无法穿着精致的高跟凉鞋去登山。
这样，人们开始为日常生活中碰到的很多问题，寻找聪明的解决办法。
对动植物的观察可以使人获得启发，从而找到解决问题的办法，并将其转化到技术中。
仿生学及仿生机械学的发展动态一.仿生学1.概念仿生学是模仿生物系统的原理以建造技术系统，或者使人造技术系统具有生物系统特征或类似特征的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。
仿生学的研究对象是研究生命的结构、能量转换和信息流动的过程，并利用电子、机械技术对这些过程进行模拟，从而改善现有的和创造出崭新的现代技术装置。
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。
2.研究范围（1）信息仿生主要是通过研究、模拟生物的感觉(包括视觉、听觉、嗅觉、触觉)，智能以及信息贮存、提取、传输等方面的机理，构思和研制新的信息系统。
马萨诸塞理工学院的研究者根据蛙眼的视觉功能，研制成功了虫检测仪器模型；斯坦福研究所的研究者模拟猫脑视觉领域中的直线“检测器”，研制了用来对机器人眼送来的信息进行处理的特殊计算机；狗鼻子素以灵敏著称，它能感觉200万种物质和不同浓度的气味，嗅觉比人灵敏一万倍。
现在，人们以不同物质的气味对紫外线的选择性吸收为信息，研制成了“电子警犬”，用它来作检测，其灵敏度甚至可达狗鼻子的1000倍。
（2）控制仿生主要通过研究模拟生物的体内稳态(反馈调控)、运动控制、动物的定向与导航、生态系统的涨落及人机系统的功能原理，来构思和研制新的控制系统。
例如，人们根据蜜蜂的复眼能够利用偏振光导航的原理，发明了用于航空和航海的非磁性“储光天文罗盘”。
这种罗盘对于不能使用磁罗盘的高纬度地区，显示出了极大的优越性。
人们还根据昆虫揖翅导航的原理，研制成功了一种振动陀螺仪，广泛应用于高速飞行的火箭和飞机上。
（3）力学仿生主要通过研究模拟生物的机械原理以及结构力学和流体力学的原理，构思和研究新的系统(包括机器、装置、力学结构以及人工脏器等)。
例如，人体的大多数肌肉都是以“领顽肌”的形式成对地排列的。
专题综述%前言仿生学是研究生物系统的结构、功能、能量转换、信息控制等特征，并将研究结果应用于技术系统，以改善现有的技术工程设备，创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学。
它是一门属于生物科学与技术科学交叉的边缘科学，其任务是将生物系统的优异能力及产生的功能原理和作用机理作为生物模型进行系统研究，再运用于新技术设备的设计与制造，或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。
仿生学这一名词自%&’"年在美国召开的第一届仿生学会议上诞生以来，至今不过#"多个年头，可是，人类模仿生物来创造工具，却有很长的历史。
例如：模仿落叶浮水漂流创造了船；通过观察鸟类的飞翔造就了飞机；根据苍蝇的眼睛结构制造了照相机；利用蝙蝠创造了雷达；模仿鲸鱼制造出了潜水艇等等。
仿生设计是研究和探讨生物机制，仿照生物设计创造新产品。
自从%&’"年以来，仿生设计已广泛应用于传感器、新材料等领域。
目前国内外对仿生机械设计的研究也取得了很大进展。
!仿生学原理!(%外形仿生外形仿生是一种最常见的设计方法，在新材料和建筑的设计中已经屡见不鲜。
外形仿生的原理同样也可以用于机械设计，自然界中的某些动物在长期土壤环境生活的进化过程中，不仅具备了优良的挖掘功能，而且在形状上也与弯曲型深松部件极为类似，这为改进深松部件几何形状，乃至优化其在切削过程中的力学性能提供了仿生研究的基础。
蝼蛄、小家鼠、达乌尔黄鼠)一种田鼠*和公鸡等动物具有优良挖掘和脱土减阻功能。
研究表明+%,这几种动物挖掘足的爪趾内轮廓线)爪趾触土面准线*多为变曲率曲线。
穿山甲有着很强的挖掘本领。
研究人员+!,发现穿山甲爪趾的爪尖是一面为斜面的圆锥楔形，爪尖顶端圆钝，这种楔形结构有利于减粘降阻。
楔面能分散土壤压力，减小触土面积，从而降低土壤阻力，使爪趾具有较强的入土能力和较好的脱土效果。
由力学知识，楔顶端的几何形状对其前部附近的土壤应力分布有着明显的影响，决定压实土体的形状及其脱附程度，楔角越小，越易产生应力集中，楔体越不耐磨，也越易粘土。
仿生原理与仿生机械概论学习心得张金伟自从学习仿生原理与仿生机械概论这门学科以来，我对仿生机械及仿生学产生了浓厚的兴趣，下面我谈谈我对这门学科的理解和认识，以及学习的心得仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语bion上，加上有工程技术涵义的ics而组成的词。
大约从1960年才开始使用。
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。
苍蝇，是细菌的传播者，谁都讨厌它。
可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。
这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶。
苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由30O0多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。
“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片。
这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。
“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多。
自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领？它们的种种本领，给了人类哪些启发？模仿这些本领，人类又可以造出什么样的机器？这里要介绍的一门新兴科学——仿生学。
仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在本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。
仿生机械学发展综述仿生机械学是一门研究仿生学原理和方法在机械系统中应用的学科，旨在实现模拟生物系统的功能和性能。
随着科学技术的不断发展，仿生机械学逐渐成为一门重要的学科，应用范围涉及机器人、飞行器、医疗设备等领域。
本文将对仿生机械学的发展进行综述。
仿生机械学的概念最早由美国机器人学家罗伯特·福尔斯在20世纪80年代提出。
他将仿生学中的原理和方法应用于机械系统的设计和制造，以期实现生物系统中的功能和性能。
仿生机械学的核心思想是借鉴自然界中生物的演化和优势，将其运用到机械系统中。
仿生机械学的发展离不开生物科学和工程学的进步。
生物科学研究的深入，揭示了生物系统内部的结构、功能和动力学原理，为仿生机械学的理论研究提供了基础。
工程学的发展，使得我们可以利用先进的材料、传感器和控制技术来实现仿生机械系统的设计和制造。
仿生机械学在机器人领域的应用是最为广泛的。
通过仿生机械学的研究，工程师们成功地研制出各种仿生机器人。
这些机器人可以模拟生物的运动方式和行为，具有更好的灵活性和适应性。
例如，研究人员开发出了能够像蛇一样爬行的仿生机器人，可以应用于狭小空间的探测和救援任务。
还有仿生鱼机器人可以在水中自由游动，用于海洋勘探和水下作业。
仿生机械学在飞行器领域也有着重要的应用。
通过仿生机械学的研究，工程师们设计出了仿鸟的飞行器，可以实现飞行的稳定性和机动性。
同时，仿生机械学还可以应用于飞行器的减阻和降噪技术研究，提高飞行器的性能和效率。
此外，仿生机械学还可以应用于医疗设备的设计和制造。
通过仿生机械学的研究，工程师们研制出了仿生手术机器人，可以实现微创手术和精确操作。
此外，仿生机械学还可以应用于仿生假肢和康复机器人的设计，提高人工肢体的功能和适应性。
总之，仿生机械学作为一门新兴的学科，在科学技术的推动下得到了快速的发展。
它的应用范围涉及机器人、飞行器、医疗设备等领域，为我们提供了许多优秀的产品和解决方案。
未来，随着科学技术的不断进步，仿生机械学将会有更加广泛的应用，为我们带来更多的惊喜和机遇。
仿生机械螃蟹的设计机械创新设计专业：机械设计制造及自动化班级：07机制（2）班姓名：***学号：************仿生机器蟹的设计方案一、仿生机器蟹的原理方案构思和拟定螃蟹以其独特的横向行走方式而标新立异于动物界，从而备受注目。
我正是捕捉到这一点，与仿生机械的创新设计联系起来，拟定做一个具有仿生功能的机器蟹。
此机器蟹首先必须仿螃蟹的横向行走，即也必须使其大腿能够抬起，而小腿能够向大腿所指方向迈出，当其脚落地时能够抓住地面，通过运动带动整个身体向一侧行进。
联想到曲柄摇杆机构，利用其在曲柄旋转时摇杆在两个极限位置摆动这一特性，恰好仿似螃蟹小腿的摆动。
蟹有八条腿，我采用了八个经过改动后的曲柄摇杆机构来模拟。
行走时四条腿着地作为支撑，并抓地向后运动而另外四条腿抬起，向前运动，当抬起运动的四条腿伸到前面最远时着地，此时抓地的四条腿运动到向后的极限处并抬起。
以此循环往复，从而实现了蟹的横向行走。
蟹遇到障碍是可以转向的，但并不象其他动物一样能立即转开，而是不断的转动很小的角度，做一个类似弧线的运动。
采用两个电机不同向旋转带动两个曲柄摇杆系统运动，从而带动身体在纵向缓慢挪动。
蟹的两个前螯能够一张一合来夹起食物，我通过一个电机拉动仿生机器蟹的两个前螯以实现其收拢与张开。
二、仿生机器蟹的原理方案初定1. 仿生机器蟹的横向行走机构：用更改后的曲柄摇杆机构来模拟蟹腿，用两个电机分别控制八条腿，每个电机控制前或后的四条腿。
一条腿的设计简图为：仿蟹腿的机械原理其中大腿的根侧与电机都连在螃蟹的身体上，这样当电机带动曲柄（曲轴）转动时，大腿能实现向上摆动，即带动小腿离地。
而在大腿摆到下面时，小腿的脚可以抓住地面。
因电机始终在旋转，则摇杆与电机的相对摆动便使电机向指定的方向运动。
2、仿生机器蟹的转向机构：我采用两个电机不同时旋转带动两个曲轴系统的不同角度旋转，（1）：前面蟹脚移动一个步距Q，后面的蟹脚移动步距P，两个电机都是正向旋转时，Q和P是不相同的，可实现边行进边转向。
