仿生機(jī)械學(xué)涉及到仿生學(xué)和機(jī)械學(xué),而仿生學(xué)又涉及到生物學(xué)、植物學(xué)以及動(dòng)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(dòng)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(jī)械學(xué)的基礎(chǔ)知識,后介紹仿生機(jī)械學(xué)。形成生物學(xué)、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué),仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)和仿生機(jī)械學(xué)的體系。本書內(nèi)容分為三篇,第壹篇仿生學(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(jìn)化,植物特征與力學(xué)特性、動(dòng)物特征與運(yùn)動(dòng)特性;介紹仿生學(xué)的基本概念及其分類,包括電子仿生、信息與控制仿生、機(jī)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。第二篇機(jī)械學(xué)基礎(chǔ),主要介紹機(jī)械的基本知識、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制、機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算、自由度與控制、變胞機(jī)構(gòu)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、機(jī)構(gòu)受力分析以及各種機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),其目的把動(dòng)物結(jié)構(gòu)用機(jī)構(gòu)簡圖來表示,然后計(jì)算其自由度、進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力分析,把動(dòng)物結(jié)構(gòu)機(jī)械化,用機(jī)械學(xué)的知識解決動(dòng)物的組成與運(yùn)動(dòng)等問題。本篇內(nèi)容主要說明仿生學(xué)向仿生機(jī)械學(xué)過渡中的基本知識;第三篇仿生機(jī)械學(xué),主要介紹模仿動(dòng)物步行的機(jī)器人的步態(tài)分析、腿部結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、步行的穩(wěn)定性等;介紹模仿動(dòng)物爬行的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理及其設(shè)計(jì)、介紹模仿鳥類及昆蟲飛行的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理及其設(shè)計(jì);介紹模仿魚類和其他動(dòng)物在水中游動(dòng)的機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理及其設(shè)計(jì);介紹微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理與設(shè)計(jì)方法以及仿生機(jī)械關(guān)節(jié)以及仿生機(jī)械臂的設(shè)計(jì)等。該篇內(nèi)容是本書重點(diǎn)內(nèi)容,設(shè)計(jì)到各類仿生機(jī)械的設(shè)計(jì)。
創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂, 是國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力。一個(gè)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(gè)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(jī)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(huì), 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(dòng)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(huì)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。
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(shí)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(dòng)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(dòng)物的攻擊; 相傳在春秋戰(zhàn)國時(shí)期的魯班借鑒草葉的齒形邊緣, 制造出木鋸, 推動(dòng)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(shí)現(xiàn)了水上自由航行, 促進(jìn)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(qiáng)的拱形設(shè)計(jì), 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(shí)踐活動(dòng)中進(jìn)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(huì)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(jī)理, 并將這些機(jī)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(jī)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(jì)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(jī)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(jìn)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(dòng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)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(dú)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(gè)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(jì)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(jìn)入21 世紀(jì)后, 仿、 仿生機(jī)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(jī)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(jī)械學(xué), 如仿生機(jī)器人已經(jīng)成為世人皆知的智能化仿生機(jī)械。
為了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與時(shí)俱進(jìn), 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(jī)械學(xué)的課程, 有些大學(xué)還將仿生機(jī)械學(xué)列入學(xué)科研究方向, 各種具體的仿生機(jī)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(jī)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(jī)械學(xué)是21 世紀(jì)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(jī)械學(xué)涉及生物學(xué)、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、建筑學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)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(gè)巨大的挑戰(zhàn), 存在很大的難度。
考慮到社會(huì)的需求以及我們在從事仿生學(xué)、生物力學(xué)和機(jī)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(jī)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(jī)械學(xué)基礎(chǔ)知識到各種仿生機(jī)械的設(shè)計(jì)與分析, 形成一個(gè)完整的仿生機(jī)械學(xué)的新體系。
(2) 知識性 本書第一篇從生物進(jìn)化、植物分類及其運(yùn)動(dòng)特性, 動(dòng)物分類及其運(yùn)動(dòng)特性開始, 闡述人類模仿這些動(dòng)植物特性對人類社會(huì)的貢獻(xiàn), 進(jìn)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(gè)完整的仿生學(xué)和仿生機(jī)械學(xué)的基本概念。第二篇的內(nèi)容為學(xué)習(xí)仿生機(jī)械學(xué)打下基礎(chǔ), 主要介紹機(jī)械學(xué)的基本知識: 為了把待模仿動(dòng)物的肢體結(jié)構(gòu)用機(jī)構(gòu)簡圖來描述, 就必須首先學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制, 這一過程是把動(dòng)物肢體結(jié)構(gòu)機(jī)械化的過程, 是學(xué)習(xí)仿生機(jī)械的根本。為模仿動(dòng)物的運(yùn)動(dòng), 必須對仿生機(jī)械的肢體實(shí)施控制, 而計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度則是控制仿生機(jī)械協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的依據(jù); 此外,還要學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和受力分析, 全面了解仿生機(jī)械的運(yùn)動(dòng)特性和力學(xué)特性, 這是仿生機(jī)械能否實(shí)用的基本標(biāo)準(zhǔn)。第三篇?jiǎng)t介紹具體的仿生機(jī)械的設(shè)計(jì)與分析, 如模仿陸地上的步行動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)、爬行動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)以及跳躍動(dòng)物的運(yùn)動(dòng), 模仿天上飛的鳥類以及昆蟲類的飛行運(yùn)動(dòng)、模仿水中游動(dòng)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng), 形成從陸地動(dòng)物、海洋動(dòng)物到空中飛行動(dòng)物的完整的仿生機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)機(jī)理與方法, 完善仿生機(jī)械學(xué)的內(nèi)容。全書不僅自成系統(tǒng),還特別突出、加強(qiáng)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(qiáng)了具有科普性的趣味內(nèi)容。比如, 動(dòng)物按其運(yùn)動(dòng)形態(tài)分為步行動(dòng)物、有腿爬行動(dòng)物和走行動(dòng)物, 它們之間的異同點(diǎn)在哪里? 如何區(qū)別它們的運(yùn)動(dòng)差別呢? 本書給予詳細(xì)說明。走行動(dòng)物是指步行肢向下垂直于動(dòng)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(dòng)物的肢體由身體兩側(cè)向外伸出。如鱷魚、蜥蜴、螞蟻等動(dòng)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(shí)只能肚前 言Ⅴ 皮著地, 分擔(dān)腿部的承受力, 故稱為爬行動(dòng)物。這類爬行動(dòng)物和前述走行動(dòng)物都是依靠腿的邁步實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的, 故統(tǒng)稱為步行動(dòng)物。爬行動(dòng)物又分為三類: 有腿爬行動(dòng)物( 蜥蜴等) 、有足爬行動(dòng)物( 尺蠖等) 和無足爬行動(dòng)物( 蛇類等) , 對它們的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析, 具有知識性和趣味性。又比如, 國外文獻(xiàn)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(gè)關(guān)節(jié), 而歐美人有3 個(gè)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。總之, 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(qiáng)了本書的可讀性。
(4) 新穎性 仿生機(jī)械學(xué)的內(nèi)容極其復(fù)雜, 涉及植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、仿生學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)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(xiàn), 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(jī)械學(xué)基礎(chǔ)和仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析的總體結(jié)構(gòu)體系; 具體內(nèi)容包括植物及其運(yùn)動(dòng)特性, 動(dòng)物及其運(yùn)動(dòng)特性, 模仿動(dòng)植物結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)的仿生學(xué), 動(dòng)物的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)的機(jī)械化描述以及運(yùn)動(dòng)自由度的計(jì)算, 肢體運(yùn)動(dòng)分析與受力分析, 模仿地上跑的、天上飛的、水里游的仿生機(jī)械設(shè)計(jì)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(jī)械學(xué)的書籍。
本書除介紹國內(nèi)外的最新研究進(jìn)展外, 還介紹了作者的觀點(diǎn)與研究成果, 如提出了主動(dòng)關(guān)節(jié)和被動(dòng)關(guān)節(jié)的概念。機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)需要關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng), 稱為主動(dòng)關(guān)節(jié); 而人類肢體上的仿生人工關(guān)節(jié), 則稱為被動(dòng)關(guān)節(jié)。這是因?yàn)樵擃惾斯りP(guān)節(jié)由肌肉驅(qū)動(dòng), 所以和主動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)有很大的不同。如肩關(guān)節(jié)是3 個(gè)自由度的球面副, 在主動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中, 就不能采用3 個(gè)自由度的球面副, 或采用1 個(gè)單自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)副, 或采用2 個(gè)單自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)副組合代替, 其原因是很難控制球面副的3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。但是, 在被動(dòng)肩關(guān)節(jié)中, 就必須采用3 個(gè)自由度的球面副, 因?yàn)閺募珉喂堑诫殴侵g由肌肉群驅(qū)動(dòng)。鑒于上述原因, 在主動(dòng)球面關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中, 本書采用3 個(gè)自由度的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)代替肩關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)的球面副; 在仿生機(jī)械魚的魚鰭設(shè)計(jì)中, 大都采用單自由度擺動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu), 本書提出了逼真的模仿魚鰭運(yùn)動(dòng)的2 個(gè)擺動(dòng)副組合設(shè)計(jì)方案。
(5) 科普性 本書略去了仿生機(jī)械的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、傳感系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制算法等比較復(fù)雜的課程內(nèi)容, 保留了動(dòng)物運(yùn)動(dòng)形態(tài)的機(jī)械化描述以及運(yùn)動(dòng)分析與設(shè)計(jì)等仿生機(jī)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(jī)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(dòng)物運(yùn)動(dòng)特征的仿生設(shè)計(jì), 并給出相應(yīng)的仿生設(shè)計(jì)實(shí)例, 以適合仿生機(jī)械學(xué)的研究內(nèi)容和具體的實(shí)際應(yīng)用。
2. 體系與內(nèi)容仿生機(jī)械學(xué)涉及仿生學(xué)和機(jī)械學(xué), 而仿生學(xué)又涉及生物學(xué)、植物學(xué)及動(dòng)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(dòng)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(jī)械學(xué)的基礎(chǔ)知識, 最后介紹仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析。形成生物學(xué)、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)和仿生機(jī)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(jìn)化, 植物及其運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)物及其運(yùn)動(dòng)特性; 介紹仿生學(xué)的基本、 仿生機(jī)械學(xué)概念及分類, 包括電子仿生、信息與控制仿生、機(jī)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(jī)械學(xué)基礎(chǔ), 主要介紹機(jī)械的基本知識、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖的繪制、機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算、自由度與控制、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、機(jī)構(gòu)受力分析以及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容, 其目的是把動(dòng)物結(jié)構(gòu)用機(jī)構(gòu)簡圖來表示, 然后計(jì)算其自由度, 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力分析, 把動(dòng)物結(jié)構(gòu)機(jī)械化, 用機(jī)械學(xué)的知識解決動(dòng)物的組成與運(yùn)動(dòng)等問題。本篇內(nèi)容主要說明仿生學(xué)向仿生機(jī)械學(xué)過渡中的基本知識。第三篇為仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析, 主要介紹模仿動(dòng)物步行的仿生機(jī)械步態(tài)分析、腿部結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、步行的穩(wěn)定性等; 介紹模仿動(dòng)物爬行的仿生機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理及其設(shè)計(jì)、模仿鳥類及昆蟲飛行的仿生機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理及其設(shè)計(jì); 介紹模仿魚類和其他動(dòng)物在水中游動(dòng)的仿生機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理及其設(shè)計(jì); 介紹仿生機(jī)械關(guān)節(jié)以及仿生機(jī)械假肢的設(shè)計(jì)與分析等。本篇內(nèi)容是本書的重點(diǎn)內(nèi)容, 涉及各類仿生機(jī)械的設(shè)計(jì)與分析。
3. 一些說明1) 本書在介紹生物學(xué)、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)的基本知識時(shí), 沒有嚴(yán)格按照它們的分類進(jìn)行說明, 而是按照與仿生學(xué)相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)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(dòng)物就沒有按照動(dòng)物學(xué)的分類去討論, 而是按照腿足特性將爬行動(dòng)物分為三類: 有腿爬行動(dòng)物( 蜥蜴、鱷魚等具有典型的關(guān)節(jié)腿) 、有足類爬行動(dòng)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(dòng)物( 蛇、蚯蚓等, 沒有腿和足) , 有足類爬行動(dòng)物是作者的命名, 是否適合動(dòng)物學(xué)家的分類尚不得而知, 但這樣的分類法從仿生機(jī)械學(xué)的觀點(diǎn)看是清楚的。
2) 在介紹機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)知識時(shí), 重點(diǎn)突出動(dòng)物結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡圖的繪制, 自由度的計(jì)算, 按機(jī)構(gòu)簡圖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、受力分析, 以及機(jī)構(gòu)的尺度設(shè)計(jì)等內(nèi)容, 為生物體的機(jī)械設(shè)計(jì)奠定理論與方法基礎(chǔ)。由于仿生機(jī)械的運(yùn)動(dòng)主要是依靠連桿機(jī)構(gòu)完成的, 所以連桿機(jī)構(gòu)( 含閉鏈和開鏈機(jī)構(gòu)) 是機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)的主體內(nèi)容。
3) 第三篇仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析是本書的重點(diǎn)內(nèi)容, 主要是模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿生設(shè)計(jì), 如各類動(dòng)物的陸地步行、爬行、空中飛行、水中游動(dòng)的仿生設(shè)計(jì)及相應(yīng)的仿生機(jī)械。
4) 仿生研究不能照搬生物原型, 主要是從中吸取設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)新靈感, 否則會(huì)走彎路。如撲翼結(jié)構(gòu)的飛行器永遠(yuǎn)不如固定翼飛行器飛得快、飛得高、飛得遠(yuǎn)。因此, 本書在用機(jī)構(gòu)簡圖描述動(dòng)物形體結(jié)構(gòu)時(shí), 往往進(jìn)行適度簡化, 以簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)和便于進(jìn)行控制。這是人類在進(jìn)行仿生研究中得到的寶貴經(jīng)驗(yàn)。
5) 生物種類繁多, 對應(yīng)的仿生機(jī)械種類很多, 本書不能面面俱到, 只能涉及典型動(dòng)物的仿生設(shè)計(jì)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(dá)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(jī)械仿生與仿生機(jī)械學(xué)等許多用語大都是混用的, 極易引起誤解。仿生機(jī)械與機(jī)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(diǎn)點(diǎn)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(jī)械學(xué)包含的知識面極其廣泛, 從植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、生物學(xué)、仿生學(xué)、力學(xué), 再到機(jī)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(gè)完整的仿生機(jī)械學(xué)新體系。雖然很多學(xué)校開設(shè)了仿生機(jī)械學(xué)課程, 但沒有教材, 只有個(gè)別的電子課件。各個(gè)課件內(nèi)容都圍繞某一具體的仿生機(jī)械進(jìn)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(yán)格按照植物學(xué)和動(dòng)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(jī)械學(xué)認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行改編。同樣的道理, 對機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)也進(jìn)行了簡化, 以適合非機(jī)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(dòng)主要擺動(dòng)身體的后1/ 3 的部分, 當(dāng)然肌肉發(fā)達(dá)就好吃。又例如, 鳥類上下扇動(dòng)翅膀則可前進(jìn)飛行, 而蜻蜓類的昆蟲上下扇動(dòng)翅膀則不能向前飛行, 通過學(xué)習(xí)空氣動(dòng)力學(xué)才弄清楚。為了弄清楚魚類擺動(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)與分析的內(nèi)容中, 有些內(nèi)容是團(tuán)隊(duì)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(qiáng)( 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(qiáng)任主編并負(fù)責(zé)統(tǒng)稿。
機(jī)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(shí)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(cuò)誤、疏漏之處, 敬請廣大讀者批評指正。
編 者
前言
緒論 1
第一節(jié) 仿生學(xué)概述 1
第二節(jié) 仿生機(jī)械學(xué)的研究內(nèi)容、目的與
意義 4
第三節(jié) 仿生遐想 10
第一篇 仿生學(xué)綜述
第一章 生物學(xué)基礎(chǔ) 14
第一節(jié) 生物及其分類 14
第二節(jié) 生物的多樣性 17
第三節(jié) 生物的進(jìn)化 19
第四節(jié) 植物及其運(yùn)動(dòng)特性 22
第五節(jié) 動(dòng)物及其運(yùn)動(dòng)特性 30
第六節(jié) 仿植物機(jī)器人綜述 42
第二章 仿生學(xué)簡介 47
第一節(jié) 仿生學(xué)及其研究內(nèi)容 47
第二節(jié) 電子仿生 51
第三節(jié) 信息與控制仿生 54
第四節(jié) 機(jī)械仿生 56
第五節(jié) 化學(xué)仿生 64
第六節(jié) 建筑仿生 65
第七節(jié) 醫(yī)學(xué)仿生 68
第八節(jié) 動(dòng)物界的奇特現(xiàn)象與仿生 72
第二篇 機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)
第三章 機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ) 78
第一節(jié) 機(jī)械的基本概念及組成 78
第二節(jié) 運(yùn)動(dòng)鏈與機(jī)構(gòu) 80
第三節(jié) 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡圖 88
第四節(jié) 機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算 91
第五節(jié) 機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析 99
第四章 機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ) 105
第一節(jié) 機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)概述 105
第二節(jié) 平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類型及
演化 107
第三節(jié) 平面連桿機(jī)構(gòu)的基本性質(zhì) 110
第四節(jié) 平面連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 114
第五節(jié) 平面連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析 121
第六節(jié) 平面開鏈機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析 132
第五章 機(jī)械力學(xué)基礎(chǔ) 137
第一節(jié) 力分析概述 137
第二節(jié) 平面閉鏈機(jī)構(gòu)的力分析 139
第三節(jié) 平面開鏈機(jī)構(gòu)的力分析 143
第三篇 仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析
第六章 仿動(dòng)物步行的機(jī)械及其設(shè)計(jì) 148
第一節(jié) 步行機(jī)械概述 148
第二節(jié) 步行機(jī)械的腿及其設(shè)計(jì) 149
第三節(jié) 步行機(jī)械的步態(tài)分析 156
第四節(jié) 仿生步行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程 162
第五節(jié) 仿生跳躍機(jī)械的設(shè)計(jì)與分析 167
第七章 仿動(dòng)物爬行的機(jī)械及其設(shè)計(jì) 171
第一節(jié) 爬行動(dòng)物概述 171
第二節(jié) 仿生機(jī)械尺蠖及其設(shè)計(jì) 175
第三節(jié) 仿生機(jī)械蚯蚓及其設(shè)計(jì) 176
第四節(jié) 仿生機(jī)械蛇及其設(shè)計(jì) 178
第八章 仿動(dòng)物飛行的機(jī)械及其設(shè)計(jì) 187
第一節(jié) 飛行動(dòng)物概述 187
第二節(jié) 飛行機(jī)理簡介 193
第三節(jié) 昆蟲的飛行與仿生設(shè)計(jì) 195
第四節(jié) 鳥類的飛行與仿生設(shè)計(jì) 199
第九章 仿動(dòng)物水中游動(dòng)的機(jī)械及其
設(shè)計(jì) 205
第一節(jié) 水中游動(dòng)的動(dòng)物概述 205
第二節(jié) 游動(dòng)機(jī)理分析 208
目 錄Ⅸ
第三節(jié) 仿生機(jī)械魚的設(shè)計(jì)與分析 211
第四節(jié) 仿生機(jī)械水母的設(shè)計(jì)與分析 217
第五節(jié) 仿生機(jī)械墨魚的設(shè)計(jì)與分析 221
第十章 仿人體組織結(jié)構(gòu)的機(jī)械及其
設(shè)計(jì) 225
第一節(jié) 概述 225
第二節(jié) 仿生關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)與分析 230
第三節(jié) 仿生人體上肢的設(shè)計(jì)與分析 235
第四節(jié) 仿生人體下肢的設(shè)計(jì)與分析 241
參考文獻(xiàn) 246