你知道哪些是仿生学的成功案例呢

什么是仿生学

仿生学(Bionics)是研究生物系统的结构、性状、原理、行为，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。仿生学为科学技术创新提供了新思路，新原理和新理论。 人类可以在生物界本身和大自然中去寻找、学习和模仿，从中找出解决目前人类科技发展面临的诸多问题的答案和方法。

仿生学的案例

大家耳熟能详的诸如飞机、雷达之类的我就不说了。今天说点新鲜的，和大家分享一下我们学校一个老师和他的团队近些年在仿生学相关领域的研究成果，他们致力于仿生软体机器人的研究和开发。主要是利用自然界生物的吸附特性。生物系统的吸附机制可分为互锁、摩擦和黏结。

今天我主要介绍该团队仿生研究的两个对象：䲟鱼和章鱼。

• 䲟鱼

很多人可能都没听过这个鱼，那就先来看看䲟鱼有什么特点：

体极为延长，头部扁平，向后渐成圆柱状，顶端有由第一背鳍变形而成的吸盘，其鳍条由盘中央向两侧裂生成为鳍瓣（laminae）约有21-28个；尾柄细，前端圆柱状，后端渐侧扁。吻平扁，前端略尖。口大，口裂宽，不可伸缩，下颌前突；上下颌、锄骨、腭骨及舌上均具齿。体被小圆鳞，除头部及吸盘无鳞外，全身均被鳞。背鳍两个，第一背鳍变形而成吸盘，第二背鳍和臀鳍相对；腹鳍胸位，小形；胸鳍尖圆；尾鳍尖长。体色棕黄或黑色，体侧经常有一暗色水平狭带，较眼径为宽，由下颌端经眼达尾鳍基底。

好啦，看了这么一大段，其最重要的特征就是顶端有由第一背鳍变形而成的吸盘。

下图是我在大连老虎滩海洋公园拍到的䲟鱼，显而易见，它们的吸盘具有很强的吸附能力，凭借顶部的吸盘，䲟鱼可以吸附在墙壁上休息，怡然自得。

正是由于其这种吸附的“特异功能”，它们可以靠着吸盘吸附在船底或其它大鱼远游，当到达饵料丰富的海区，便脱离宿主，摄取食物。然后再吸附于新的宿主，继续向另外海区转移。䲟鱼这种习性，可以大大减少自身的能量消耗，以最小的努力远距离运输，真真是聪明鱼！

䲟鱼可以吸附在船底、鱼类等多种宿主上：

鱼吸盘通过吸附可以节省在水下的动力，同时其吸附力的大小可通过自身自动调节，因此具备很好的仿生学前景。如果我们可以借鉴䲟鱼的性能，开发出高性能的仿生机器人系统，那就可以为实现在水下的低功耗作业提供一个新的思路。

针对其吸盘的结构和机理，有研究表明：

䲟鱼吸盘被一圈柔软的唇圈组织所环绕，吸盘内部有多排连续栉状的鳍片，沿着中间鳍条向后延伸，鳍片底部嵌入到组织肌肉中，能够在吸附和脱附调节过程中主动地抬起或落下，在鳍片的顶部边缘上有二到四排向后倾斜的硬质小刺结构，以增大䲟鱼吸盘与宿主表面之间的摩擦力，抵抗水流的冲击。在吸附过程中，鳍片通过肌肉控制向上抬起使得吸盘内部的体积增大，从而产生相较于外界环境的负压。对吸盘样本的解剖发现䲟鱼吸盘底部的竖立肌和降肌分别控制鳍片抬起和落下运动。䲟鱼鳍片上硬质小刺的存在不但能够增大摩擦力，也能够增大吸附力。

下图中图A就是䲟鱼头顶部的吸盘结构，图B是基于micro CT数据的吸盘三维重建模型，图C是对应的CAD模型，图D是制作出的仿生模型。具体实现过程极其艰难和复杂，这里我不赘述，感兴趣的同学可以查阅相关论文。

实验人员将上图D所示的仿生䲟鱼吸盘样机安装到一个小型水下航行器的头部，然后进行吸附运动实验。结果表明，利用仿生吸盘，航行器能够有效地吸附到各种表面上以节省游动能量。这种仿生软体吸附机器人水下救援、海洋生态检测等众多领域可发挥重要作用。

• 章鱼

章鱼触手的刚度可以自由地改变。利用触手上的多个负压吸附的吸盘，章鱼能够实现固定自身、抓取物体、感知外界环境等功能。利用章鱼触手的特点，可研究开发软体机器人，以弥补现存刚性机器人的不足。

意大利理工学院Tramacere F揭示了章鱼的吸盘机构和吸附机理：

章鱼吸盘连续性吸附的过程是通过髋臼顶部凸起进而密封髋臼与漏斗形部分之间的孔来实现。如阶段1：漏斗形部分肌肉收缩增大吸盘与表面间的接触面积并形成密封；阶段2： 髋臼肌肉收缩以增强吸附并将水分挤入上部；阶段3：髋臼径向肌肉收缩以增强吸附；阶段4：完成吸附。章鱼吸盘能够利用很小的能量损耗来完成长时间的吸附, 同时髋臼结构对吸盘吸附起到至关重要的作用。

传统刚性机器人存在很多局限，由于其制作材料等限制，在灵活性、安全性等众多方面存在不足，也容易对夹取物造成损坏。研究人员从章鱼触手的“缠绕+吸附”特性中汲取了新的灵感。

进一步地，该团队研究人员发现，锥度角的不同对其吸附能力产生了影响：

基于上述基础，该团队与德国一家知名机器人公司合作开发了软体章鱼触手机器人(Soft Robotic Octopus Tentacle)，相关成果发表在《Soft Robotics》上。德国总理默克尔还曾在汉诺威工业展上详细了解过该软体机器人：

相较于刚性传统机器人，仿生软体触手的优势显而易见：

1）柔韧性高，更加灵活

2）吸附能力强

3）稳定性好

但该软体机器人存在一定的弊端：

1）过硬的吸盘在粗糙表面上由于变形不足无法严密封合；

2）过软的吸盘自身容易发生较大形变。

二者都对吸附力产生一定的影响。

于是该团队又联合其他研究组为解决，开发了刚度连续可调油水凝胶材料并用于软体机器人上，实现了多级连续变刚度吸附与抓持。

仿生软体抓取机器人，可为未来医疗微创手术机器人、软体操作，水下机器人等领域提供新的思路。

总结

以上两个例子都是我身边的老师在仿生学领域的研究成果，既有趣又实用。大自然是人类最好的老师，自然界中生物结构的多样性为仿生学的研究奠定了基础也提供了无限的可能。近年来，仿生学研究蓬勃发展，其相关成果在军事、生物、医学、能源等领域被广泛应用，促进了相关行业技术的发展。 随着研究的进一步深入，其必将会给我们普通人的生活带来越来越多的影响。

科技改变生活，仿生大有可为！

参考

[1] ***/item/%E9%AE%A3%E9%B1%BC/958014?fr=aladdin.

[2] A biorobotic adhesive disc for underwater hitchhiking inspired by the remora suckerfish.

[3] The morphology and adhesion mechanism of Octopus vulgaris suckers.

[4] Structure and mechanical properties of Octopus vulgaris suckers.

[5] Octopus arm-inspired tapered soft actuators with suckers for improved grasping.

[6] ***/info/1129/2924.htm.

[7] Complex multiphase organohydrogels with programmable mechanics toward adaptive soft-matter machines.