創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂, 是國家興旺發(fā)達的不竭動力。一個國家的創(chuàng)新能力決定了它在國際競爭和世界總格局中的地位, 因此, 我國正在為創(chuàng)建一個國家創(chuàng)新體系而努力。國家創(chuàng)新體系包括知識創(chuàng)新系統(tǒng)、技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)、知識傳播系統(tǒng)和知識應(yīng)用系統(tǒng)。其中, 知識創(chuàng)新系統(tǒng)的核心部分是國家科學(xué)研究機構(gòu)和研究型的大學(xué); 技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的核心部分是企業(yè); 知識傳播系統(tǒng)的核心部分是高等教育系統(tǒng)以及職業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng); 知識應(yīng)用系統(tǒng)的主體則是企業(yè)和社會, 主要是知識和技術(shù)的應(yīng)用。
仿生學(xué)則是通往創(chuàng)新的重要途徑, 為人類的創(chuàng)新活動提供創(chuàng)新思維的靈感和方法,已經(jīng)為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類社會的發(fā)展做出了重大貢獻。
在全人類的文明史中, 我國最早涉及仿生學(xué)的應(yīng)用。我們的漢字就是典型的仿生結(jié)果。漢字是象形文字, 其實就是模仿生物界各種形狀的文字, 經(jīng)過多年的演化, 形成了現(xiàn)在的漢字。因此, 中國人很早就留下了模仿自然界植物與動物特征的痕跡。我們的祖先巢氏模仿鳥類在樹上筑巢, 以躲避兇猛動物的攻擊; 相傳在春秋戰(zhàn)國時期的魯班借鑒草葉的齒形邊緣, 制造出木鋸, 推動了木材加工及木質(zhì)建筑的發(fā)展; 據(jù)《韓非子》記載, 魯班曾用竹木作鳥“ 成而飛之, 三日不下” 。古人通過對水中魚類的觀察與模仿,伐木鑿船, 做成魚形的船體, 仿照魚的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓, 由此實現(xiàn)了水上自由航行, 促進了水上交通的發(fā)展; 我國河北省的趙州橋和西北地區(qū)的窯洞, 采用了承受外力很強的拱形設(shè)計, 這些都是典型的仿生學(xué)的具體應(yīng)用。但人類早期的仿生研究是在長期生產(chǎn)實踐活動中進行的, 沒有形成仿生學(xué)的基本理論與方法。
仿生學(xué)正式誕生于1960 年9 月, 在美國俄亥俄州的戴頓召開的第一次世界仿生學(xué)會議中, 美國的生物學(xué)家J. E. 斯梯爾把仿生學(xué)定義為“ 模仿生物原理來建造技術(shù)系統(tǒng),或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或類似于生物特征的科學(xué)” , 并將這一新興的科學(xué)命名為“ Bionics”
。1963 年, 我國學(xué)者將“ Bionics” 譯為“ 仿生學(xué)” 。通過研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和性能機理, 并將這些機理移植于工程技術(shù)之中, 發(fā)明性能更加優(yōu)越的儀器、裝置或機器, 創(chuàng)造新技術(shù), 是研究仿生學(xué)的主要目的。
隨著生物科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展, 其他科學(xué)技術(shù)學(xué)科的科技人員逐漸發(fā)現(xiàn)了模仿自然界的生物可以提供許多更好的設(shè)計思想并能解決許多技術(shù)問題, 因此在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上, 分別在機械工程領(lǐng)域、建筑工程領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、化學(xué)工程領(lǐng)域、電子工程領(lǐng)域、材料工程領(lǐng)域、信息工程領(lǐng)域、控制領(lǐng)域等許多學(xué)科開展了仿生的研究, 促進了仿生學(xué)的迅速發(fā)展和與其他學(xué)科的交叉、滲透與融合, 并形成了許多分支, 仿生學(xué)已經(jīng)成為推動科學(xué)技術(shù)發(fā)展的強大動力和連接生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間的橋梁。
作為一門獨立的學(xué)科, 仿生學(xué)就是模仿生物的科學(xué)。從生物學(xué)的角度來說, 仿生學(xué)屬于“ 應(yīng)用生物學(xué)” 的一個分支; 從工程技術(shù)方面來看, 仿生學(xué)根據(jù)對生物系統(tǒng)的研究, 為設(shè)計和建造新的技術(shù)設(shè)備提供了新原理、新方法和新途徑。進入21 世紀后, 仿�、� 仿生機械學(xué)生學(xué)取得了快速發(fā)展, 并形成了許多分支, 如仿生化學(xué)、仿生電子學(xué)、仿生機械學(xué)、仿生建筑學(xué)、仿生信息學(xué)、仿生昆蟲學(xué)、仿生材料學(xué)、仿生醫(yī)學(xué)等。其中, 發(fā)展最迅速、影響力最大、應(yīng)用最廣泛的是仿生機械學(xué), 如仿生機器人已經(jīng)成為世人皆知的智能化仿生機械。
為了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與時俱進, 很多高等工科學(xué)校的本科生或研究生都開設(shè)了仿生機械學(xué)的課程, 有些大學(xué)還將仿生機械學(xué)列入學(xué)科研究方向, 各種具體的仿生機器人的研究論文涉及面非常廣泛, 研究仿生學(xué)的學(xué)校和教師也非常多。但是, 反映仿生機械學(xué)內(nèi)容的相關(guān)書籍卻很少, 更缺少相應(yīng)的教科書。主要原因是仿生機械學(xué)是21 世紀新興的學(xué)科, 對該學(xué)科還沒有形成廣泛的共識。另外, 仿生機械學(xué)涉及生物學(xué)、植物學(xué)、動物學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、建筑學(xué)、醫(yī)學(xué)、機械學(xué)、材料學(xué)、計算機科學(xué)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、信息與控制學(xué)等多學(xué)科的知識, 編寫覆蓋這樣龐大知識體系的教材難度很大, 且編寫體系與內(nèi)容的選擇也是一個巨大的挑戰(zhàn), 存在很大的難度。
考慮到社會的需求以及我們在從事仿生學(xué)、生物力學(xué)和機械學(xué)領(lǐng)域中的科研與教學(xué)經(jīng)歷, 我們決定嘗試編寫“ 仿生機械學(xué)” 。
1. 編寫指導(dǎo)思想系統(tǒng)性、知識性、趣味性、新穎性、科普性和應(yīng)用性相結(jié)合是編寫本書的指導(dǎo)思想。在格式上力求圖文并茂。
(1) 系統(tǒng)性　本書力求從生物學(xué)基礎(chǔ)知識、仿生學(xué)基礎(chǔ)知識、機械學(xué)基礎(chǔ)知識到各種仿生機械的設(shè)計與分析, 形成一個完整的仿生機械學(xué)的新體系。
(2) 知識性　本書第一篇從生物進化、植物分類及其運動特性, 動物分類及其運動特性開始, 闡述人類模仿這些動植物特性對人類社會的貢獻, 進而論述仿生學(xué)科的誕生以及仿生學(xué)的分類, 使讀者得到一個完整的仿生學(xué)和仿生機械學(xué)的基本概念。第二篇的內(nèi)容為學(xué)習(xí)仿生機械學(xué)打下基礎(chǔ), 主要介紹機械學(xué)的基本知識: 為了把待模仿動物的肢體結(jié)構(gòu)用機構(gòu)簡圖來描述, 就必須首先學(xué)習(xí)機構(gòu)以及機構(gòu)運動簡圖的繪制, 這一過程是把動物肢體結(jié)構(gòu)機械化的過程, 是學(xué)習(xí)仿生機械的根本。為模仿動物的運動, 必須對仿生機械的肢體實施控制, 而計算機構(gòu)自由度則是控制仿生機械協(xié)調(diào)運動的依據(jù); 此外,還要學(xué)習(xí)機構(gòu)的運動分析和受力分析, 全面了解仿生機械的運動特性和力學(xué)特性, 這是仿生機械能否實用的基本標準。第三篇則介紹具體的仿生機械的設(shè)計與分析, 如模仿陸地上的步行動物的運動、爬行動物的運動以及跳躍動物的運動, 模仿天上飛的鳥類以及昆蟲類的飛行運動、模仿水中游動動物的運動, 形成從陸地動物、海洋動物到空中飛行動物的完整的仿生機械設(shè)計與分析內(nèi)容。最后, 結(jié)合人體結(jié)構(gòu)與損傷修復(fù), 介紹模仿人體關(guān)節(jié)、上肢與下肢的設(shè)計機理與方法, 完善仿生機械學(xué)的內(nèi)容。全書不僅自成系統(tǒng),還特別突出、加強了知識性內(nèi)容。
(3) 趣味性　為了突出趣味性, 本書在知識性的基礎(chǔ)上, 加強了具有科普性的趣味內(nèi)容。比如, 動物按其運動形態(tài)分為步行動物、有腿爬行動物和走行動物, 它們之間的異同點在哪里? 如何區(qū)別它們的運動差別呢? 本書給予詳細說明。走行動物是指步行肢向下垂直于動物身體, 如馬、牛、羊等, 它們是依靠四肢支承體重的, 它們的邁步稱為走行, 如同人類的行走一樣。有腿爬行動物的肢體由身體兩側(cè)向外伸出。如鱷魚、蜥蜴、螞蟻等動物, 由于它們的腿向身體外側(cè)伸出, 不能長期支承其體重, 邁步時只能肚前　　言Ⅴ　皮著地, 分擔(dān)腿部的承受力, 故稱為爬行動物。這類爬行動物和前述走行動物都是依靠腿的邁步實現(xiàn)運動的, 故統(tǒng)稱為步行動物。爬行動物又分為三類: 有腿爬行動物( 蜥蜴等) 、有足爬行動物( 尺蠖等) 和無足爬行動物( 蛇類等) , 對它們的運動機理進行分析, 具有知識性和趣味性。又比如, 國外文獻記載人體有206 塊骨骼, 中國研究人員發(fā)現(xiàn)中國人只有204 塊骨骼, 差異在何處呢? 經(jīng)過大量反復(fù)研究, 發(fā)現(xiàn)中國人的小腳趾骨有兩個關(guān)節(jié), 而歐美人有3 個關(guān)節(jié), 正好相差兩塊骨骼。后來又發(fā)現(xiàn)日本人與中國人一樣, 同樣有204 塊骨骼。又如本書中提到的仿生學(xué)遐想中人類冬眠問題, 既是遐想, 但又具有前瞻性和趣味性�？傊�, 本書的趣味性內(nèi)容與知識性、科學(xué)性內(nèi)容相結(jié)合, 但又與課程內(nèi)容密切相關(guān), 增強了本書的可讀性。
(4) 新穎性　仿生機械學(xué)的內(nèi)容極其復(fù)雜, 涉及植物學(xué)、動物學(xué)、仿生學(xué)、醫(yī)學(xué)、機械學(xué)、控制理論、信息科學(xué)等大量一級學(xué)科的交叉知識, 且找不到類似文獻, 如何編排本書的體系與內(nèi)容, 成為最大挑戰(zhàn)。本書提出了生物學(xué)基礎(chǔ)、機械學(xué)基礎(chǔ)和仿生機械設(shè)計與分析的總體結(jié)構(gòu)體系; 具體內(nèi)容包括植物及其運動特性, 動物及其運動特性, 模仿動植物結(jié)構(gòu)與運動的仿生學(xué), 動物的結(jié)構(gòu)與運動的機械化描述以及運動自由度的計算, 肢體運動分析與受力分析, 模仿地上跑的、天上飛的、水里游的仿生機械設(shè)計等。
從內(nèi)容和體系都比較新穎完整, 是我國第一部全面介紹仿生機械學(xué)的書籍。
本書除介紹國內(nèi)外的最新研究進展外, 還介紹了作者的觀點與研究成果, 如提出了主動關(guān)節(jié)和被動關(guān)節(jié)的概念。機器人手臂關(guān)節(jié)需要關(guān)節(jié)電動機驅(qū)動, 稱為主動關(guān)節(jié); 而人類肢體上的仿生人工關(guān)節(jié), 則稱為被動關(guān)節(jié)。這是因為該類人工關(guān)節(jié)由肌肉驅(qū)動, 所以和主動關(guān)節(jié)的設(shè)計有很大的不同。如肩關(guān)節(jié)是3 個自由度的球面副, 在主動關(guān)節(jié)設(shè)計中, 就不能采用3 個自由度的球面副, 或采用1 個單自由度的轉(zhuǎn)動副, 或采用2 個單自由度的轉(zhuǎn)動副組合代替, 其原因是很難控制球面副的3 個轉(zhuǎn)動。但是, 在被動肩關(guān)節(jié)中, 就必須采用3 個自由度的球面副, 因為從肩胛骨到肱骨之間由肌肉群驅(qū)動。鑒于上述原因, 在主動球面關(guān)節(jié)的設(shè)計中, 本書采用3 個自由度的空間并聯(lián)機構(gòu)代替肩關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)的球面副; 在仿生機械魚的魚鰭設(shè)計中, 大都采用單自由度擺動關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu), 本書提出了逼真的模仿魚鰭運動的2 個擺動副組合設(shè)計方案。
(5) 科普性　本書略去了仿生機械的動力學(xué)設(shè)計、傳感系統(tǒng)以及計算機控制算法等比較復(fù)雜的課程內(nèi)容, 保留了動物運動形態(tài)的機械化描述以及運動分析與設(shè)計等仿生機械學(xué)的基本內(nèi)容, 內(nèi)容編排涉及面寬, 具有很好的仿生機械學(xué)的科學(xué)普及性, 很多人都能看懂, 也具有可讀性。
(6) 應(yīng)用性　學(xué)習(xí)就是為了用。本書突出各類動物運動特征的仿生設(shè)計, 并給出相應(yīng)的仿生設(shè)計實例, 以適合仿生機械學(xué)的研究內(nèi)容和具體的實際應(yīng)用。
2. 體系與內(nèi)容仿生機械學(xué)涉及仿生學(xué)和機械學(xué), 而仿生學(xué)又涉及生物學(xué)、植物學(xué)及動物學(xué)。因此, 本書的體系是在介紹生物學(xué)、植物學(xué)以及動物學(xué)的基礎(chǔ)上, 再介紹仿生學(xué)基礎(chǔ)知識, 然后介紹機械學(xué)的基礎(chǔ)知識, 最后介紹仿生機械設(shè)計與分析。形成生物學(xué)、植物學(xué)、動物學(xué)、仿生學(xué)、機械學(xué)和仿生機械學(xué)的體系。
本書內(nèi)容除去緒論外, 分為三篇, 第一篇為仿生學(xué)綜述, 主要介紹仿生學(xué)的基礎(chǔ)知識, 包括生物分類與進化, 植物及其運動特性、動物及其運動特性; 介紹仿生學(xué)的基本�、� 仿生機械學(xué)概念及分類, 包括電子仿生、信息與控制仿生、機械仿生、化學(xué)仿生、建筑仿生、醫(yī)學(xué)仿生以及生物界的奇特現(xiàn)象與仿生等內(nèi)容。本篇內(nèi)容主要體現(xiàn)知識的科普性和趣味性。
第二篇為機械學(xué)基礎(chǔ), 主要介紹機械的基本知識、機構(gòu)運動簡圖的繪制、機構(gòu)自由度的計算、自由度與控制、機構(gòu)運動分析、機構(gòu)受力分析以及機構(gòu)設(shè)計方法等內(nèi)容, 其目的是把動物結(jié)構(gòu)用機構(gòu)簡圖來表示, 然后計算其自由度, 進行運動與動力分析, 把動物結(jié)構(gòu)機械化, 用機械學(xué)的知識解決動物的組成與運動等問題。本篇內(nèi)容主要說明仿生學(xué)向仿生機械學(xué)過渡中的基本知識。第三篇為仿生機械設(shè)計與分析, 主要介紹模仿動物步行的仿生機械步態(tài)分析、腿部結(jié)構(gòu)與設(shè)計、步行的穩(wěn)定性等; 介紹模仿動物爬行的仿生機械運動原理及其設(shè)計、模仿鳥類及昆蟲飛行的仿生機械運動原理及其設(shè)計; 介紹模仿魚類和其他動物在水中游動的仿生機械運動原理及其設(shè)計; 介紹仿生機械關(guān)節(jié)以及仿生機械假肢的設(shè)計與分析等。本篇內(nèi)容是本書的重點內(nèi)容, 涉及各類仿生機械的設(shè)計與分析。
3. 一些說明1) 本書在介紹生物學(xué)、植物學(xué)、動物學(xué)的基本知識時, 沒有嚴格按照它們的分類進行說明, 而是按照與仿生學(xué)相關(guān)的內(nèi)容進行大幅度的簡化與歸納, 為介紹仿生學(xué)綜述奠定基礎(chǔ)。例如: 本書中的爬行動物就沒有按照動物學(xué)的分類去討論, 而是按照腿足特性將爬行動物分為三類: 有腿爬行動物( 蜥蜴、鱷魚等具有典型的關(guān)節(jié)腿) 、有足類爬行動物( 尺蠖等蝶蛾幼蟲, 沒有典型的關(guān)節(jié)腿, 只有露出體外的足) 和無足類爬行動物( 蛇、蚯蚓等, 沒有腿和足) , 有足類爬行動物是作者的命名, 是否適合動物學(xué)家的分類尚不得而知, 但這樣的分類法從仿生機械學(xué)的觀點看是清楚的。
2) 在介紹機械學(xué)基礎(chǔ)知識時, 重點突出動物結(jié)構(gòu)的機構(gòu)簡圖的繪制, 自由度的計算, 按機構(gòu)簡圖進行運動分析、受力分析, 以及機構(gòu)的尺度設(shè)計等內(nèi)容, 為生物體的機械設(shè)計奠定理論與方法基礎(chǔ)。由于仿生機械的運動主要是依靠連桿機構(gòu)完成的, 所以連桿機構(gòu)( 含閉鏈和開鏈機構(gòu)) 是機械學(xué)基礎(chǔ)的主體內(nèi)容。
3) 第三篇仿生機械設(shè)計與分析是本書的重點內(nèi)容, 主要是模擬動物的運動特性進行仿生設(shè)計, 如各類動物的陸地步行、爬行、空中飛行、水中游動的仿生設(shè)計及相應(yīng)的仿生機械。
4) 仿生研究不能照搬生物原型, 主要是從中吸取設(shè)計思想和創(chuàng)新靈感, 否則會走彎路。如撲翼結(jié)構(gòu)的飛行器永遠不如固定翼飛行器飛得快、飛得高、飛得遠。因此, 本書在用機構(gòu)簡圖描述動物形體結(jié)構(gòu)時, 往往進行適度簡化, 以簡化機械結(jié)構(gòu)和便于進行控制。這是人類在進行仿生研究中得到的寶貴經(jīng)驗。
5) 生物種類繁多, 對應(yīng)的仿生機械種類很多, 本書不能面面俱到, 只能涉及典型動物的仿生設(shè)計及其仿生裝置。
6) 關(guān)于仿生學(xué)中的一些名詞, 本書給予了一定的說明。由于仿生學(xué)是一門新興學(xué)科, 涉及的內(nèi)容極其廣泛, 故有很多詞語的表達有很多的不同論述, 容易引起誤解。如力學(xué)仿生與仿生力學(xué)、醫(yī)學(xué)仿生與仿生醫(yī)學(xué)、電子仿生與仿生電子學(xué)、建筑仿生與仿生建筑學(xué)、機械仿生與仿生機械學(xué)等許多用語大都是混用的, 極易引起誤解。仿生機械與機械仿生也是混用的詞匯, 本書對這些術(shù)語做了界定, 說明這些提法是有區(qū)別的。
7) 本書在緒論中增加了仿生學(xué)遐想, 雖然只是一點點遐想, 但遐想有助于創(chuàng)新思前　　言Ⅶ　維的培養(yǎng)與提高。這里提出遐想的目的僅僅是為了啟發(fā)讀者, 不是空想, 而是通往創(chuàng)新之路的途徑。
8) 仿生機械學(xué)包含的知識面極其廣泛, 從植物學(xué)、動物學(xué)、生物學(xué)、仿生學(xué)、力學(xué), 再到機械學(xué), 很難把一些從表面上看去互不相關(guān)的內(nèi)容融合在一起, 從而形成一個完整的仿生機械學(xué)新體系。雖然很多學(xué)校開設(shè)了仿生機械學(xué)課程, 但沒有教材, 只有個別的電子課件。各個課件內(nèi)容都圍繞某一具體的仿生機械進行討論, 各說各話, 難以發(fā)現(xiàn)它們的體系與普適內(nèi)容。編者思考良久后, 擬訂出本書的編寫體系。確定編寫體系后, 又遇到內(nèi)容的編排問題, 如嚴格按照植物學(xué)和動物學(xué)介紹它們的組成與分類, 則對于非生物專業(yè)的人員來講, 過于煩瑣和專業(yè), 一般不易看懂。所以本書將這些內(nèi)容按照仿生機械學(xué)認知規(guī)律進行改編。同樣的道理, 對機械學(xué)基礎(chǔ)也進行了簡化, 以適合非機械專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)。
9) 本書的編寫過程是編者邊寫作、邊學(xué)習(xí)、邊研究、邊提高的過程。在編寫過程中, 編者也明白了以前許多不明白、不清楚的地方。譬如說, 吃了多年的鯉魚, 竟然不知道有多少魚鰭! 哪里是偶鰭? 哪里是奇鰭? 為何魚尾附近的肉好吃? 原來魚的游動主要擺動身體的后1/ 3 的部分, 當(dāng)然肌肉發(fā)達就好吃。又例如, 鳥類上下扇動翅膀則可前進飛行, 而蜻蜓類的昆蟲上下扇動翅膀則不能向前飛行, 通過學(xué)習(xí)空氣動力學(xué)才弄清楚。為了弄清楚魚類擺動尾鰭引起的反卡門渦街現(xiàn)象, 需要研究流體力學(xué)的基本知識。
這樣類似邊學(xué)習(xí)、邊研究、邊提高的例子很多, 編者在書中都有論述。
10) 在仿生機械設(shè)計與分析的內(nèi)容中, 有些內(nèi)容是團隊的研究與探索對象, 僅供參考。
參加本書編寫的有: 張春林( 前言、緒論、第三章、第四章) 、張穎( 第一章、第二章) 、趙自強( 第五章、第六章、第七章) 、司麗娜( 第八章、第九章) 、趙嘉珩( 第十章) 。全書由張春林和趙自強任主編并負責(zé)統(tǒng)稿。
機械工業(yè)出版社為本書的構(gòu)思、編寫以及出版提供了大力幫助與支持, 在此表示感謝。
總之, 由于編寫難度大、編寫時間長, 且涉及多學(xué)科知識的融合, 加之編者水平有限, 難免存在錯誤、疏漏之處, 敬請廣大讀者批評指正。
編　者