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普通的机器人有电源的限制

作者:政治教育
出处:www.lunrr.com
时间:2020-06-27

作者:张双虎、潘Xi资料来源:科学时报发布日期:2008年

《自然科学进展》:现代仿生学在微观层面上遵循自然

海豚和类海豚的皮肤结构(第一部分:海豚皮肤的三层结构;接下来:科学家研究和开发新的柔性表面,(a)、(b)和(c)是具有不同构型的结构单元)

今年3月,在国家自然科学基金和国家高技术发展计划(“863”计划)的支持下,北京大学生命科学学院的孙久荣教授和南京航空空航天大学仿生结构与材料保护研究所的戴振东教授合作发表了一篇关于《自然科学进展》的专题综述文章,介绍了仿生学的发展前沿

去年底,在几个自然科学基金项目的支持下,戴振东领导的研究团队在仿生学方面取得了突破性进展。 他们成功开发了一种“机器壁虎”。一只活着的壁虎可以根据计算机发出的指令做指定的动作,如向左、向右和向前转动。 相关论文发表于2007年第21期,《科学通报》。

神经信息仿生学让壁虎了解人

“近年来,南京航空大学空仿生结构与材料保护研究所已申请了五六个国家自然科学基金项目 我们主要开展运动仿生学领域的研究,包括神经信息仿生学和仿生机器人、轻质结构和材料以及功能表面仿生学。 戴震东告诉记者《科学时报》,“仿生学的内涵在不断发展。现在仿生学不仅仅意味着人们模仿某种生物学特征。我们可以通过向壁虎大脑输入电信号来控制壁虎的运动。 这属于神经离子学领域,类似的工作正在国外进行。美国控制老鼠和鲨鱼的运动,而俄罗斯试图控制海龟的运动。 山东科技大学等国内单位也在探索这一方面。 “

根据报道,动物通常通过神经网络控制肌肉收缩来控制它们的运动,神经信号的传导是电信号和化学信号的结合。只要电信号被人工输入壁虎的大脑,就可以实现壁虎运动的感应,从而控制壁虎的行为。 研究人员首先固定壁虎,并对其进行开颅手术。 然后将电极植入壁虎大脑中相应的大脑区域和部位,伤口愈合后,电信号可以发送到壁虎的大脑,从而控制壁虎的动作,使壁虎按照研究人员的指令移动

戴震东说:“我们在早期也研究过蜘蛛的行为控制,并完成了它对运动力学的研究。” 我们从四足动物中选择壁虎进行研究的原因是壁虎在三维空间空之间具有无障碍运动能力 换句话说,它可以爬上墙壁、洞穴或其他光滑或粗糙的表面。 此外,在所有具有这种特殊攀爬能力的动物中,壁虎体型相对较大,运动速度快,负载能力最强 这些特征也将帮助它把一些研究设备带到人类将来无法到达的地方去执行任务。 “

在人们控制壁虎的行动后,他们可以在壁虎身上安装摄像头或传感器,这样壁虎就可以执行特定的任务,如营救、反恐、探测等 例如,当矿难发生,救生员发现难以进入废墟进行调查时,壁虎可以被允许带着一些探测设备进入矿井,代替人执行救灾和调查任务。 此外,改进型壁虎“机器人”还有另一个突出的特点没电 普通机器人受到电源的限制,所以电池不能用完。 此外,现有设备如爬壁机器人的人工吸盘的性能不能很好地满足要求。

神奇的非光滑表面仿生学

孙久荣说,近年来,科学家发现许多生物的表面结构并不光滑。 这种不光滑的表面具有神奇的性质,如鲨鱼、蜥蜴、甲虫和蟑螂的不光滑(带有鳞片和其他凹凸结构)微结构,使其具有优异的阻力、附着力和耐磨性。 因此,非光滑表面仿生学已经成为一个新的研究热点。

过去,海藻和其他附着在船壳上的海洋生物会影响船只的机动性,让人头痛。 解决办法是在船体上涂上防污漆来杀死这些附着的生物,但这会对其他海洋生物造成损害。 后来,伯明翰大学的科学家发现,鲸鱼等大型海洋生物很容易被其他海洋生物吸收,而生活在海底的鲨鱼则不会被藻类或其他海洋生物感染。

经过更详细的研究,科学家发现鲨鱼的清洁机制来自鳞片凹槽中的刺状突起。 这种不规则的表面使得植物孢子等难以附着。 他们用塑料和橡胶合成鲨鱼皮状的涂层材料,涂层材料的表面由数十亿个微小的菱形突起组成,每个突起约为15微米 表面凸起会随着电流强度的变化而膨胀或收缩,使它们在船体表面不断膨胀和收缩。 这种运动不会影响船的速度,但它能有效地防止淤泥和其他生物附着在船体上。 在实际测试中,这种方法可以将常见藻类和石莼等底栖生物孢子在船底和船侧的沉积率降低85%,防粘连效果非常明显。

从鲨鱼样到海豚样

在2000年悉尼奥运会上,SPEEDO的鲨鱼样泳衣帮助伊恩索普创造了一项新的世界纪录。 2004年,SPEEDO公司在雅典奥运会上推出了第二代鲨鱼皮泳衣产品。基于第一代产品,泳衣更接近鲨鱼皮肤的特点,改善面料的质地和质感,同时保持更大的弹性,通过按压身体减少皮肤和肌肉振动,从而减少能量损失。 该产品采用计算流体力学和风洞测试技术,在运动员身体最突出的部位(前胸和背部肩胛骨区域)增加微小突起,以减少阻力。

戴震东说海豚是优秀的游泳运动员。实验表明海豚在水中可以达到每小时40-48公里的速度。 与海豚的耗氧量和模型试验获得的运动阻力相比,其他生物无法达到如此高的游泳速度。 从流体力学可以看出,水中运动物体的阻力与物体周围液体流动的形状有关。 “层流”降低阻力,“紊流”增加阻力。 研究人员发现海豚能够高速游泳,不仅是因为它的流线型(海豚的形状就像一个旋转的梭子,中间有两个尖端厚,横截面呈椭圆形),还因为皮肤的“柔性壁”。 与鲨鱼皮肤不同,海豚皮肤表面光滑,不光滑的结构位于表皮之下,由真皮层组成 海豚皮肤分为三层:最外层是表皮,表皮上有一层薄而光滑的角质膜;中间层是真皮层,像海绵一样,有许多乳突。中间的乳突空充满血液或体液。这些乳突在运动中能承受巨大的压力。最里面的部分由交错的胶质和弹性纤维组成,中间部分充满脂肪细胞。

研究人员发现,当海豚游得很快时,随着水阻力的增加,海豚的皮肤逐渐从光滑变为不光滑,以降低水的阻力。 这种现象被称为“适应性”或“顺从性” 此时,皮肤起到减震器的作用,防止湍流或湍流。 皮下乳突及其可流动体液的形状和弹性导致皮肤表面随着湍流而改变,吸收部分湍流能量,并将湍流转变为层流。

此外,海豚皮肤分泌的体液随着水压的增加而增加。这种体液是疏水的,可以减少身体表面水层的摩擦。海豚的皮下肌肉也随着水流呈波浪状运动,迫使水流沿着海豚的体表“奔跑”,消除了高速运动造成的漩涡和湍流。

“目前,这些研究只能说是相对基础的,我们还有很多工作要做。 运动仿生学、光结构和材料仿生学以及功能表面的仿生学研究将启发人类从多个角度和宏观微观层面向自然学习。对结构和功能的仿生学研究将为获得新的智能结构和材料提供一些启示。 ”戴震东说道

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