五种新型仿生学设计五种新型仿生学设计一、 类鲨鱼腮型百叶窗在高层建筑通风上的应用随着科技的发展，人们物质生活水平和精神文明程度的提高，对建筑装饰、 环境艺术的要求越来越高。建筑不再是单纯的砌墙物体，而是艺术与建筑物的 结合。现代建筑装饰不仅对新建筑要求造型美观，功能齐全，对旧的建筑也要 求通过装饰后，旧貌变新颜，这就给从事建筑装饰行业的人们带来了新的压力， 同时也带来新的生机。 在进行外墙装饰工程时，针对如何解决建筑外墙上不协调的排风洞口，不 美观的大小风机等问题，我们可以设计鲨鱼腮型百叶窗，将其巧妙地运用在外 墙装饰中，解决外墙不美观的问题，也同时解决了室外空调风机外露积灰，室 外排气扇难看的问题；给业主带来了好的环境，产生了节能效应。图一：鲨鱼腮 大家知道，无论是老建筑，还是新建筑，只要外墙面上有不同规格的空 调或换气扇悬挂在上面，上面的灰尘和污垢就会给建筑带来瑕疵。为了掩饰这 些疵点，使用百叶窗是一种比较好的方法，它可以收到一石二鸟的效果。一方 面，美化了建筑物，另一方面，可以更好地保护空调、排气扇等设备。 在百叶窗材料的选取上，可从服从装饰的整体需要出发，使用木制品、塑料 制品、铝制品等。在式样的选取上，有以下几种式样可供参考。方形百叶窗：在众多的方形吊顶或外墙板块组合中，方形非常协调，在一 个大面积的外墙上，有节奏、有艺术性地点缀几个方形点，有时会出现画龙点 睛的效果。长方形百叶窗：多数按大面积布局的模数来分割，如安排恰到好处，有线 条美的效果，它在现代建筑中用得最多。通长条形百叶窗：百叶窗在外墙中形成线条美，有规律性，当窗户开启时， 外墙出现了点，加上通长条百叶窗的出现，点线面的相互结合较完美。方格叶片组合型百叶窗：有纵横叶片形成方格，看上去不以为是百叶窗， 而是一个装饰品，效果很好。圆形百叶窗：出现在圆的系列里协调统一，出现在方形结构中，同样很漂 亮。因为他体现了“方中有圆，圆中有方” ，能给建筑带来艺术美。由于百叶窗的出现，将不同规格的洞口、换气扇、大小室外风机的洞口都隐 藏在背后，其功能不受影响，对外部环境又是一种美化。 然而不同于低层建筑的是，高层建筑的通风需要考虑一个风阻的问题，在风量较大的区域，尤其是东南沿海地区。台风十分频繁，在保持建筑外墙美观的 同时也应适当的考虑减小通风百叶窗的风阻。鲨鱼腮型百叶窗是一个很好的造 型选择，因为这种造型在超跑汽车通风散热结构上已经得到了实际应用。图二：鲨鱼腮型超跑散热口 事实证明其确实具有超低风阻，应用在高层建筑通风上将是一种很好的选择。二、 毛毛虫型胎教音乐专用 MP3 播放器胎教的作用已被越来越多的人所认可，这种新鲜的教育方式正越来越多地 被人们接受。事实已证明，胎教不是要宝宝绝顶聪明，也不是给宝宝施加压力。 经过音乐胎教和语言胎教之后出生的宝宝对音乐更加敏感，对语言更加有天赋。 胎教虽然不是神话，但的确又非常神奇。随着现代医学不断发展，越来越多的 研究表明，胎宝宝在母体内不仅仅是个单纯的营养索取者，随着他(她)逐渐 “长大” ，他(她)的感觉器官和神经系统无时无刻不在接收来自母体内外的信息。 他(她)能感知母亲的心跳，甚至还能“体察”母亲的情绪和精神活动。母亲和 胎儿之间的种种奇妙的联系最终构成了胎教实现的基础。经观察受过胎教的孩 子具有以下特点： 1、不爱哭。虽然婴儿在饥饿、尿湿和身体不适时也会啼哭，但得到满足之 后啼哭便会停止。还由于受过胎教的婴儿感音能力较好，每当听到母亲的脚步 声、说话声就会停止啼哭。孩子比较容易养成正常的生活规律。如在睡前播放 胎教音乐或母亲哼唱催眠曲婴儿就能很快入睡，满月后就能养成白天醒、晚上 睡的习惯。 2、能较早与人交往。婴儿出生 23 天就会用小嘴张合与大人“对话” ，20 天左右就会逗笑，2 个多月就能认识父母，3 个多月就能听懂自己的名字。 3、较早学会发音。受过胎教的婴儿 2 个月时会发几个元音，4 个月会发几 个辅音，56 个月发出的声音能表达一定的意思。 4、较早地理解语言。受过胎教的婴儿 4 个半月时能认出第一件东西， 67 个月时能辨认手、嘴、水果、奶瓶等。这样的婴儿能较早理解“不”的意 思，早期学会服从“不”的孩子更懂事、更听话。他还会较早学会用姿势表示 语言，会做“欢迎” 、 “再见” 、 “谢谢”等动作，也能较早理解别人的表情，所 以，显得特别聪明可爱。 5、较早学会说话。经过胎教和早教的孩子 910 个月时，就会有目的地叫 爸爸妈妈，如果出生后不继续给以发音和认物训练，胎教的影响在 67 个月时 就会消失。受过胎教和早教的孩子在 20 个月左右便能背诵整首儿歌，并且也能 背数。受过胎教的孩子入学后成绩都比较优秀。鉴于胎教音乐有促进婴儿的感觉神经和大脑皮层中枢的更快发展，进而加快 脑部成长的作用。播放胎教音乐这种简便易行的方法正越来越受到广大孕妇群 体的喜爱。但是音乐胎教要使用安全有效的播放设备。由于胎儿耳蜗发育不完 全，某些对于成年人无害的声音也可能伤害到胎儿幼小的耳朵。现有的研究结 果一致认为，给胎儿听到音乐强度最好不要超过 60 分贝，频率不要超过 2000Hz。可以设计一款毛毛虫型胎教音乐专用 MP3 播放器，具体造型如图三：图三：毛毛虫型胎教音乐专用 MP3 播放器示意图 造型如此可爱的胎教音乐播放器，一来有利于平衡孕妇因为怀孕早已烦躁 不已的心情。二来兼顾胎教音乐播放的功能。相信一定会有很好的市场。 总而言之，胎教这门既古老而又年轻的学科，已引起众多医学界人士的兴 趣与关注，并致力于探索和研究。我们相信，随着人生的第一教育胎教的 广泛普及，并借助于先进的胎教辅助设备，优生的目的最终定能达到。 三、 乌龟背部结构在大跨度室内建筑的应用一位成年人(体重约 75 kg) 单脚踩在一只体积不到 1200 平方厘米的乌龟 的背部,另一只脚离地,乌龟壳承载着整个人的重力,却无任何损伤。体积如此小、 厚度也很薄(约 25mm) 的乌龟壳,却能够承受一个成年人的体重。为何面积如 此小的乌龟壳却可以承受如此大的压力呢？经查阅资料表明，乌龟壳这种特殊 的结构之所以具有很强的承受压力的能力,除了乌龟壳质地坚硬、结构紧密，骨 质密度非常的大（一种胶状物质） ，使其不易破裂，以及龟背在受力时，龟身会 紧缩成一团，从而提高了其承受重力的抵抗力之外。也与它特殊的几何形状有 很大关系。由于其形状是拱形的，类似于石拱桥似的，所以有很大的承重能力。 而且龟壳上有很多花纹，把龟壳划成好多块，能分散某一点的承受力，因此龟 壳具有相当强的承载力。通过对乌龟壳标本的观察,发现乌龟壳分为背甲和腹甲 两部分,整个壳体都是薄壳状。背部呈拱形结构,跨度很大,脊椎骨、胸骨、肋骨 与背部的壳衍生、融合在一起,壳的 4 个角处分别有成一定角度的支撑结构。 大跨度室内建筑的设计一直是建设设计上的难题，其面临的主要问题就是屋 顶部壳体的承重设计。分析研究表明，乌龟壳体模型与其它壳体模型相比具有 的明显优势主要是：(1) 有加强筋的外扩拱形模型比无加强筋外扩拱形模型,更适合于承受在拱 形面顶部小部分面积上施加的压力,有加强筋的外扩拱形模型既可减小根部应力,还 可以降低壳体大部分区域的应力水平,同时在保证结构强度的条件下,达到了增大内腔容积的目的。 (2) 通过对乌龟壳近似模型的计算分析说明,乌龟壳之所以能承受很大压载, 与底部四角支撑(相当于加强筋) 的作用是分不开的。 (3)建筑顶部壳体的承重方式很接近于龟壳的支撑方式,同时乌龟壳的特殊 承力结构,在承力、增大内部容积、减轻材料质量方面的功能,正是大跨度室内 建筑设计所追求的。 因此依据于以上分析，我们在大跨度建筑设计的时候，先在矩形四个顶点 上分别设计四个坚固结实的承重柱，再在承重柱的上面铺上乌龟壳式结构的顶 棚，一定可以取得既美观又结实耐用的良好效果。四、 基于中枢模式发生器的蛇形机器人仿生学的范围很广，譬如雷达是对蝙蝠超声测距能力的模仿，而机翼使用的 防震措施则借鉴了蜻蜓翅膀的结构。仿生机器人运动学是仿生学的一个很重要 的发展。人类在智慧上超出动物很多，但在特定环境的适应上就要比动物差很 多。虽然人发明了很多的技术弥补了这一不足，但明显可以看到，舰船的灵活 性比不上鱼类，飞机的灵活性比不上鸟类甚至昆虫，车辆的地形适应性比不上 四条腿的动物。仿生运动的研究可以弥补我们这方面的不足，对社会产生大的 经济效益。 蛇形机器人的研究可以满足一些行业的需求。蛇形机器人由于其天生的多 关节、多自由度，多冗余自由度，可以有多种运动模式，可以满足在复杂环境 中搜救、侦查、排除爆炸物等反恐任务；航空航天领域可用其作为行星表面探 测器，轨道卫星的柔性手臂；工业上则可应用于多冗余度柔性机械手臂，管道 机器人等方面。 近几年来，特别是 2000 年以来，蛇形仿生机器人正在成为全世界新的研究 热点。其理由有二： 首先，仿生机器人学正在机器人领域占有越来越重要的位置，而由于其自 身的典型性，蛇形机器人是仿生领域的热点研究方向； 其次，运动机理特殊的蛇形机器人有广阔的应用情景，例如战场上的扫雷， 爆破，空间站的柔性机械手臂，通过能力很强的行星地表探测器等；且其模块 化结构和高冗余度非常适应于条件非常恶劣而又要求高可靠性的战场、外层空 间等环境。国内也已经有单位开展这方面的研究，例如国防科大与中科院沈阳 自动化所。德国研究者 Bernhard Klaassen 和 Karl L Paap 认为研究基于蛇类 生物的多节、多自由度机器人的关键是机器人的自主控制，以及一定结构下机 器人体态变化过程中的有效控制问题。日本东京大学的 Luc JAMMES、Yasumasa KYODO 等人也有类似研究的报导。显然，这些研究仅仅是对一种运动原理的模 拟，没有考虑环境因素，而且由于运动支承轮的存在，此种机器人系统很难适 应障碍物众多、凸凹不平的自然环境。为此，日本 Ibraki 大学的学者进一步研 究了蛇类生物的运动机理，利用串联杆系和行波运动，通过相应的结构及电机 驱动，研制成仿蛇机器人系统样机，对其运动原理、结构特性、控制算法、数 学模型进行了详细论证，试图开发其在上述环境中的应用。Ibraki 大学系统工 程系的 Shugen MA 进一步研究了生物蛇行进过程中的肌肉特点，比较了已有的 仿蛇机器人运动模型，最后从驱动力、运动效率的角度出发，得出了所谓仿蛇 机器人的最佳运动波形、并将进一步开展实际机器人系统的机械构成、实现方 面的研究和探讨。 由于生物蛇鳞片和关节的数目相当庞大，蛇类生物可以近似看作是一种 “没有关节、柔性的”运动体。英国 Heriot-Watt 大学的 G.Robinson 和 J.B.C.Davies 基于生物蛇高度灵活性和机动性，进一步提出了连续机器人的设 计思想，并通过不同形式和结构的液压驱动“人工筋”研制出不包含刚性联接 和扭转关节的的机器蛇系统，该系统有较好的环境适应性，但也带来了体态控 制困难、结构复杂和难以微型化的问题。这些问题只能在液压驱动技术得到发 展后逐步解决。综上所述，基本可以认定，现阶段以及近未来，大多数蛇形机 器人仍然是基于杆系结构模型。 在仿生机器人领域，目前大部分研究者专注于实现更高的运动效率，得到 更加接近生物的运动，这无疑是仿生机器人的研究方向之一，但是很难指望在 一种机械而固定的控制方式下能够得到真正具有生物特性的运动，这方面的研 究所作的也只能是根据已知环境来尽可能模拟生物运动，尽可能提高运动效率。 但是这样似乎很难超越“非确定性环境适应性”这一门槛，目前已经有一部分 研究者正在积极研究自适应运动控制理论，大部分研究者总的原则是试图建立 一个普适的运动学模型和一个普适的决策理论，这个运动学模型应该是一个时 变的数学模型，包括环境与本身的关系，能够描述时间、环境、自身状况对运 动的影响，包含一组针对环境的传感与决策特征值（即决策控制层所需要的） 。 作为一种典型的控制模式，基于 CPG（中枢模式发生器）原理的机器人系 统设计利用一个包含多