仿生结构的研究与展望

2023-05-16 16:27:00 49

仿生结构的研究背景

大自然已经创造出你能想到的所有——阿尔伯特·爱因斯坦。自然界中的动物和植物经过45亿年优胜劣汰、适者生存的进化，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展，其结构与功能已达到近乎完美的程度。自古以来，自然界就是人类各种技术思想、工程原理及重大发明的源泉。道法自然，向生物学习，向自然界学习，利用新颖的受生物启发而来的合成策略和源于自然的仿生原理来设计合成结构材料和功能材料是近年来迅速崛起和飞速发展的研究领域，而且已成为化学、材料、生命、力学、物理等学科交叉研究的前沿热点之一。

虽然仿生学的历史可以追溯到许多世纪以前，但通常认为，1960年美国召开的首届仿生学讨论会是仿生学诞生的标志。仿生学是研究生物系统的结构、性质、原理、行为以及相互作用，从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学。仿生结构是生物学、工程技术学等学科相互渗透而结合成的新兴科学。随着化学、材料学、分子生物学、系统生物学以及纳米技术的发展，仿生学向微纳米结构和微纳系统方向发展已成为仿生学前沿研究的一个重要分支。仿生合成一般是指利用自然原理来指导特殊材料的合成，即受自然界生物特殊结构和功能的启示，模仿或利用生物体结构、功能和生化过程并应用到材料设计，以便获得接近或超过生物材料优异特性的新材料，或利用生物合成的方法获得所需材料和功能表面。

自然界生态环境的多样性造就了生物多样性，通过自然法则不断淘汰之后，再生存下来的必将有其研究的价值和意义。同时，科学技术的发展带来进一步的需求，而大自然依旧为科研人员提供解决复杂工况下重大问题的灵感源泉。仿生功能表面微纳结构具有广泛的应用背景，其开发与制造能够使得装备可以在极端环境下服役性能，从而进一步保障民生与国防平安。新材料的涌现为实现仿生功能表面的制造提供了更多的选择。

智能仿生结构的研究内容

减阻/降噪仿生结构

仿生表面减阻是众多减阻方法中非常有前景的减阻方式，当前研究多的是仿生鲨鱼皮减阻和仿生超疏水表面减阻来实现。许多复杂的工程问题的解决过程就是不断向自然学习的过程，水中的鲨鱼虽然体型庞大，但游动速度非常快速，通过对鲨鱼表面形貌发现，表面盾鳞沟槽方向与游动方向平行，正因为沟槽结构的存在，能够优化鲨鱼体表流体边界层的流体结构，抑制和延迟紊流的发生，有效减少了鲨鱼在水中游动时的阻力。减阻/降噪的表面结构在航空发动机叶片、气压机叶片有着工程应用，使其能够在具体的工况环境下提高性能和延长其在极端服役环境下的使用寿命。

超疏/亲水仿生结构

自然界进化出了许多具有微结构动植物的超疏/亲水表面，如蝴蝶翅膀、水稻叶、荷叶、仙人掌、芋头叶子等。表面的微结构因其可以提高其表面性能，如强度、降噪和表面质量等，从而微结构表面受到极大的关注。由微结构决定着超疏水功能表面在实际生产中有着众多的应用，如：抗结冰、液滴定向运输、抗腐蚀性、减阻、、传感器、摩擦发电等。制备超疏水表面微结构的方法不尽相同，可通过电化学加工、机械加工、压印技术、等离子刻蚀和水热处理等多种方法制备微结构，从而实现超疏水微结构的功能表面。但具有疏水/超疏水性的生物表面通常满足两个条件，一是微纳复合结构，二是低表面能材料（蜡脂），因此在非均匀微米级结构上制造均匀纳米结构的工艺尤其关键。超疏水表面的工程应用在需要仿生的电子产品和部件和纳米气泡微流体通道。

雾水收集仿生结构

干旱的沙漠中，甲壳虫有着独特的获取水的方法：翅膀上有亲水纹理，同时还有一种疏水凹槽，这两个结构相互作用，可以从外界的风中吸取水蒸汽。当亲水区的水珠越聚越多时，这些水珠就会沿着弓形后背滚落入沙漠甲虫的嘴中，使其达到雾水收集的功能表面。除此之外，生长的盐碱地的瓶子草和沙漠中的仙人掌均有着雾水收集能力，使其才得以在恶劣环境下生存。工程应用包括但不仅限于平板雾水收集器和核反应堆冷却水汽收集。

其它方面的仿生结构

建筑行业：

远古时候的仿生设计，体现先人们的聪明智慧。当代学者、工程师、设计师和企业家也在利用生物的超能力来为现代科学技术、便民服务、工业生产提供便捷、高效的辅助工具和方案。努力去构建一个受大自然启发的明日世界。其主要从材料、成本、能耗和外观等多方面考虑。

生产生活行业：

仿生结构在我们的日常生活中也逐渐得到普及。随着科学技术的发展，新一代产业革命技术也随之而来，如：做菜机器人、机器狗、家务机器人和水下管道修复机器人等。因为它们的存在，极大的解放了劳动力，同时也成为生产生活中的小能手，帮助人类承担部分劳动。此外，机器人因为其结构的类似生物，难以辨别真假，也可用于军事方面的隐形侦察，如：蝴蝶仿生机器人。

仿生结构之仿生手臂

仿生手臂的概述

现如今，随着科学技术的发展和产业革命的迭代，仿生结构得到快速的发展。其中，仿生机械手臂是机器人技术与生物力学相结合的产物，通常用来代替人类进行危险工作、高精度操作等。另一方面，随着芯片技术和硬软件技术的发展，仿生机械手臂的结构越来越简单、体积越来越小，随之各种基于仿生机械技术的机械手臂、机械腿被推出，这极大的协助伤残群体，可以使其高效、简单的完成生活和工作的各个环节。仿生结构是将生物学原理、传感器技术、人工智能和驱动装置技术应用到假肢上，成为会思考的、人体的一部分。神经科学、信号检测、信号处理、模式识别等多学科的交叉。

传感器技术对于仿生手臂至关重要。1）对于输入传感信号而言，多种传感器已经被广泛用于仿生手臂中，如残肢的肌肉信号，包括表面肌电图传感器(电极贴在残肢肌肉表面，记录肌肉表面的电信号)以及一种非接触电容传感器(记录残肢肌肉等的形变信号)。除了残肢的肌肉信号外，仿生肢体还由不同类型的机械传感器集成：测角计、加速度计、陀螺仪、磁力计、惯性测量单位(IMU)、应变片等。机械传感器比肌电传感器更容易与仿生肢体集成；但它测量的是已经发生的运动信息，与肌电信号相比存在延迟。另外，脑电图(EEG)信号也可以反映运动信息，但它是一种非平稳信号，在肢体运动意图识别中存在分辨率低这一不足。2）对于传感器信号预处理而言，不同的感知传感信号用来记录肢体运动的不同功能和物理信息。从传感器中获得的原始信号受噪声污染，是不能直接使用的，因此需要信号滤波器对原始传感信号进行预处理，以消除噪声，并提供更有效的信息。在上面说过的几种传感器中，机械传感器的信号比较稳健，它们的滤波过程很容易操作；相比之下，肌电信号较弱，要放大的同时还要去除噪声。进行滤波后，各类传感信号打包在一起形成数据流，再进行信号的动态特征提取，不同的信号具有不同的特征提取方法。3）构建分类器，并输出识别结果。将各种运动数据进行特征提取后进行标记，即形成训练数据集。运动模式识别分类算法包括动态贝叶斯网络(DBN)，线性判别分析(LDA)，二次判别分析(QDA)，高斯混合模型(GMM)，支持向量机(SVM)，人工神经网络和卷积神经网络(CNN)等。

到目前为止，已经诞生了不少仿生肢体，旨在帮助残障人士恢复正常生活，甚至可以增强人体功能，成为“超能力者”。仿生肢体的强大功能不可否认，但目前它们仍处于实验室研究阶段，预抓取的结果并不一定能给出日常活动的准确表现。仿生手臂仍需要很长的路要走。

仿生手臂的关键技术—驱动方式

当设计仿生手，需要考虑许多设计要求，以模仿人手的功能，包括手指的数量、大小、重量、自由度、抓握力和指尖力。这些性能取决于三个主要要素：驱动、传感器和控制系统。驱动是所有的基础。

驱动包括执行器和驱动系统，其中执行器提供运动和功率输出，而驱动系统将运动和功率传输到所需的位置。执行器一般分为电子、气压和液压执行器，其中电子执行器分为直流、交流和步进电机。仿生手臂主要使用电子执行器，主要的驱动方法可分为肌腱、齿轮、链条、流体（液压和气动）等，这些驱动各有利弊，具有不同的重量、尺寸、变速箱传动距离、刚度、变速箱传动比和变速箱传动效率，也适合不同应用场景的仿生手臂。不同驱动各有利弊，具有不同的重量、尺寸、变速箱传动距离、刚度、变速箱传动比和变速箱传动效率，也适合不同应用场景的仿生手臂。目前，肌腱驱动常用于仿生手臂的整体设计，齿轮驱动常用于拇指和手指的掌指关节，连杆驱动常用于手指的指间关节和肘关节。

仿生结构的未来展望

通过不断从大自然获得灵感，仿生结构向着微观化、智能化方向发展，仿生结构在军工、工业、建筑、生产生活等领域广泛应用。同时，仿生结构设计是多门学科融合技术，如：生物学、人工智能、智能传感、神经科学等，属于前沿交叉学科，加强多学科协作，深入研究仿生结构，从而推动技术创新。对此，未来展望有以下几点：1) 对自然界生物的结构、功能、行为以及相互作用的学习和模仿，必将是将生物学原理、传感器技术、人工智能和驱动装置技术综合应用的交叉技术应用；2) 根据市场需求和创造欲望将推动智能仿生结构的进一步发展；3) 根据科学技术创新的新工艺、新方法、新产品、新体系的成果进行优化、再创造和创新智能仿生结构;4) 智能仿生结构将起于自然、高于自然、回归自然(绿色制造)。