神奇的仿生工程

1．例举两种及以上的仿生机械，并阐述其仿生机理、仿生方法和对人类的贡献； 答：

1）仿生假手

仿生机理：随着电子技术、生物医学工程的发展，假手已由装饰假手、机械牵引假手发展到肌电假手。肌电假手是大脑通过脊髓和神经系统向有关肌肉发出一组生物电脉冲，利用装在手臂皮肤表面的电极接受指令而驱动假手运动。这种假手受人的意志控制，能实现多功能的、与人手相似的动作。

仿生方法：带触觉的肌电仿生电动假手及其控制方法，该假手包括拾电电极、肌电信号处理电路、带肌电信号模式处理的计算机及驱动电路，其特征是有仿人手指型触滑觉一体化传感器，其信号引出线连接信号调理电路、带接触滑动特征识别的单片机系统；接触觉或滑动觉输出信息与残臂上可施加刺激脉冲的电极连接。触滑觉传感器采用高分子压电材料，与薄铜皮电极粘合在一起，包裹在仿人假手手指的柱面上。这种假手控制方法是由传感器传出压电信号经调理电路成包含接触、滑动特征的电压信号，由单片机系统获取有无接触或有无滑觉的感觉信息，输入计算机，协同肌电信息控制假手完成相应工作。

贡献：基本上为截肢的残障人士解决了功能性障碍，给他们的生活带来了方便。这项技术的突破对残疾人士而言是一大福音。 2）步行机

仿生机理：为了提高移动机械对环境的适应性，扩大人类在海底、 北极、矿区、 星球和沼泽等崎岖不平地面的活动空间，需要研究模拟生物的步行机构。动物的运动多是通过多关节足来实现的。因此，动物足的形态、机能、运动和姿体稳定控制等是研究步行机的关键。

仿生方法：人和鸟类是两足，青蛙、乌龟、犬、马是四足，昆虫是六足，而蟹和蜘蛛是八足，蜈蚣是多足。足的个数直接影响姿体的稳定。六足以上的动物着地至少用三足。由于姿体重心通过足的三点构成平面，静态是稳定的。四足动物慢走时三足同时着地、快跑时两足着地，靠驱体随机姿态稳定调节。两足动物在步行时，对左右而言是一点着地，是不稳定系统，所以控制很困难。一些国家研制了两足、三足、四足、六足、八足的步行机械。当铰链在曲轴曲柄上的连杆围绕曲轴旋转，且连杆在带有支点的轴孔内垂直于曲轴滑动时，连杆轴心的运动轨迹是在垂直于曲轴的平面内摆动的，连杆离曲轴的远端的点的运动轨迹大多是弧线，而当曲径、支点、连杆三者的尺寸链组合特定时，其一部分轨迹是一直线，用这一组合尺寸链就可以设计为仿生机械的一只脚，这很重要，这就保证机子运行时与地面的距离不会忽高忽低。也就是重心不会上上下下。这种脚的长短、大小完全可以根据需要设计，当然脚要能抬起落下，整台机器还需要有动力、传动机构、方向机构…

意义：步行仿生机械的研发、发展将轮式、履带式机械一统运行行业的天下打破，提高移动机械对环境的适应性，扩大人类在海底、 北极、矿区、 星球和沼泽等崎岖不平地面的活动空间，从而填补了很多轮式、履带式机械所不能到达的更为宽阔的区域。 2. 阐述荷叶自清洁性的仿生机理和工程应用与贡献；

答：荷叶表面呈现极强的拒水性，洒在荷叶上的水会自动聚成水珠，水珠的滚动吧落在叶面上的尘土污泥沾吸滚出叶面，使叶面始终保持干净，这就是著名的“荷叶自清洁效应”。通过电子显微镜可以看到荷叶表面存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构，因此这些

小山包间凹陷部分充满着空气，这样就在紧贴叶面形成了一层纳米级的空气层。这样就是得在尺寸上远大于这种结构的灰尘雨水等降落在页面上后，隔着一层极薄的空气，只能同叶面上山包凸顶上形成的几个点接触。由于空气层，山包凸起处和蜡质层的共同托持作用，使得水不能渗透，而能自由滚动。雨点在自身的表面张力作用下形成球状，水珠在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这就是“荷叶自清洁效应”的奥秘所在。

工程应用：A.应用于建筑涂料，如荷叶效应乳胶漆，具有很好的拒水透气性和耐水性。并且荷叶效应乳胶漆把硅树脂涂料的优点和上万年来自然演变的结果结合起来，进一步发展了现有的外墙涂料，尤其是硅树脂涂料，是外墙保持干燥、清洁、耐久成为可能。B.应用于服装行业，如制成纳米防水布和衣服。

3.什么是信息、控制、信息仿生、控制仿生？你所知道的信息仿生原型、控制仿生原型有哪些？ 主要模仿了生物的哪些结构和原理？涉及到了哪些学科专业？ 答：（1）信息：以适合于通信、存储或处理的形式来表示的知识或消息。

（2）控制：控制主体按照给定的条件和目标，对控制客体施加影响的过程和行为 （3）信息仿生：将生物信息处理原理应用于现代技术系统之中

（4） 控制仿生;：研究生物机体控制系统的结构与功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新型的自动控制系统。

（5）信息仿生原型：青蛙与电子蛙眼结构和原理：蛙脑视觉中枢称为视顶盖 ，视顶盖上有四层神经细胞： 1层对运动目标的反差起反应 2层把目标的凸边抽取出来 3层只看见目标的四周边缘 4层目标暗前缘的明暗变化 涉及的专业：物理学，生物学

（6）控制仿生原型：蝙蝠与回声定位

结构和原理： 模仿蝙蝠按照目标情况随时调整脉冲参数和调整方向的探测方法。 涉及的专业:物理学，回声定位，超声波反射原理。

4.学习《神奇的仿生工程》课程对你有哪些启发和收获？谈谈你的感想与建议？

答：（1）启发和收获：首先，让我了解了大自然和生物界的神奇，以自然为师，帮助我们解决了许多原先无法解决的问题，让许多不可能的事成为了可能，极大地方便了人们的生活。其次，力学仿生，让我看到了原来许多建筑奇迹，最初来源于生物界。最后，学习这门学科，也解决了长期困扰我的一些问题，比如，蜂窝结构的好处，鲨鱼皮泳衣的制成，荷叶效应，等等。

感想与建议：希望能增加图片和视频资料的运用，少讲公式，使语言浅显化。多以课后作业形式考察教育学生，让学生学会自己运用网络学习，这样才更有效率。课堂提问，加大平时分，也让学生上课认真听讲。增强师生互动，活跃课堂气氛。