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【解析】仿生机器人研究现状与发展趋势

2016-09-06 09:14
小鱼时代
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  仿生机器人是指依据仿生学原理,模仿生物结构、运动特性等设计的性能优越的机电系统,已逐渐在反恐防爆、太空探索、抢险救灾等不适合由人来承担任务的环境中凸显出良好的应用前景。按照工作环境可将仿生机器人分为陆面仿生机器人、空中仿生机器人以及水下仿生机器人三类。指出仿生机器人经历了原始探索、宏观仿形与运动仿生、机电系统与生物性能部分融合三个阶段,并概述三类仿生机器人国内外研究现状。分析发现当前研究还存在着生物运动机理研究不深,结构设计、材料应用、驱动及控制方式大多较为传统、能量利用率低等问题,导致了仿生机器人从宏观到微观与生物都存在较大差异,“形似而神不似”,远未达到实际应用程度。指出仿生机器人正向着刚柔混合结构,仿生结构、材料、驱动一体化,神经元精细控制,高效的能量转换的类生命系统方向发展。

  当今世界上存在的千万种生物,都是经过亿万年的适应、进化、发展而来,这使得生物体的某些部位巧夺天工,生物特性趋于完美,具有了最合理、最优化的结构特点、灵活的运动特性、以及良好的适应性和生存能力。自古以来,丰富多彩的自然界不断激发人类的探索欲望,一直是人类产生各种技

  术思想和发明创造灵感不可替代、取之不竭的知识宝库和学习源泉。道法自然,向自然界学习,采用仿生学原理,设计、研制新型的机器、设备、材料和完整的仿生系统,是近年来快速发展的研究领域之一。

  仿生学是研究生物系统的结构、性状、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,是一门生命科学、物质科学、数学与力学、信息科学、工程技术以及系统科学等学科的交叉学科。1960年9月,第一次世界仿生学大会在美国俄亥俄州的空军基地召开。此后几十年中,世界各国竞相展开仿生技术研究,仿生学理论和技术迅速发展,新的仿生原理和仿生装备不断涌现。我国在2003年召开了两届香山会议,即第214届“飞行和游动生物力学和仿生应用”和第220届“仿生学的科学意义与前沿”。此后,又分别在2010年和2011年召开了第387届“分子仿生”、第395届“高效降解生物质的自然生物系统资源利用与仿生”以及第411届“仿生材料与器件:结构、力学与功能”三届香山会议。

  为促进仿生学科的发展,由吉林大学工程仿生教育部重点实验室联合15个国家的仿生学者牵头发起成立了“国际仿生工程学会”,学会秘书处设在中国。这是国际学术界对我国仿生工程研究水平和学术地位的认可。仿生学研究的内容包括力学仿生、分子仿生、信息与控制仿生、能量仿生等。其中,力学仿生主要研究生物的宏观结构性能,包括生物的静力学特性和动力学特性;分子仿生主要研究生物的微观特性,包括生物体内酶的催化作用、生物膜的选择性等;信息与控制仿生主要研究生物对信息的处理过程,包括生物的感觉器官、神经元与神经网络等;能量仿生主要是对生物体内能量转换过程和新陈代谢进行研究,包括生物肌肉的能量转换、生物器官的发光等。仿生学的研究一般可分为以下三步:①对生物原型和生物机理进行研究;②将生物模型用数学的方法进行表示;③根据数学模型制造出可在工程技术上进行试验的实物模型。

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