大自然科技論文(2)
大自然科技論文
大自然科技論文篇二
仿生科技:靈感源于大自然
摘要：德國埃斯林根的費斯托公司是世界上領(lǐng)先的自動化技術(shù)提供商，他們專門從事木材和金屬的自動化加工技術(shù)研究。不過，該公司真正的明星是一只鳥，一只費斯托公司稱之為“智能飛鳥”的海鷗，這是一個仿生機器人，長約1m、翼展2m、重450g，它可以利用空氣動力實現(xiàn)起飛和推進，在空中可以像大自然中的海鷗一樣自由地飛翔。
“智能飛鳥”能像真正的海鷗那樣在空中飛行和翱翔，它飛到哪里，由使用遙控器的駕駛員決定，地面上的一臺電腦負責決定它什么時候應(yīng)該彎曲翅膀，什么時候應(yīng)該扭曲身體，以便它可以在空中滑翔。雖然相關(guān)的技術(shù)還不是太成熟，但是“智能飛鳥”在向公眾展示時，絕對是讓所有人眼前一亮，“智能飛鳥”在空中滑翔的動作是如此逼真，人們似乎感覺它將尖聲叫著俯沖覓食，而不是溫順地回到拿著遙控器的駕駛員那里。
工程師腦海中靈光一閃的一個想法，最終演變?yōu)椴豢晒懒康膭?chuàng)造力。費斯托公司從大自然汲取靈感，利用仿生科技這個驅(qū)動創(chuàng)新的引擎，尋找自然的解決方案來解決技術(shù)問題。仿生科技所帶來的是更高效、更持久和更智能的產(chǎn)品，通過開發(fā)“智能飛鳥”，費斯托公司的工程師成功解開了鳥類飛行的秘密，在自動化技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性的成就。近幾個月，“智能飛鳥”已經(jīng)成為了互聯(lián)網(wǎng)的明星，吸引了無數(shù)人的關(guān)注。費斯托公司已經(jīng)實現(xiàn)了既定目標：讓大眾和潛在客戶感受到仿生科技的魅力。
模仿海鷗對于費斯托公司來說是一個巨大的挑戰(zhàn)，為研究鳥類的飛行他們與生物學(xué)家合作，并分析海鷗身上的氣流。更重要的是，他們開發(fā)了一種符合空氣動力學(xué)的可軸向旋轉(zhuǎn)的海鷗翅膀。“智能飛鳥”的翅膀由兩個伺服引擎驅(qū)動，通過無線電與地面的電腦保持聯(lián)絡(luò)。根據(jù)費斯托公司的介紹，“智能飛鳥”讓他們掌握了更多的控制氣流技術(shù)。不過，這或許不是最重要的，更重要的是費斯托公司讓所有潛在的客戶知道，他們可以有很好的創(chuàng)意，能夠突破固有的框框。仿生技術(shù)是費斯托的發(fā)展方向，而這種創(chuàng)新的技術(shù)現(xiàn)階段無疑是最吸引眼球的。
費斯托仿生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)(費斯托與幾家知名學(xué)府、機構(gòu)和開發(fā)公司共同發(fā)起的項目)和未來概念部門經(jīng)理海因里希·弗朗澤克(Heinrich Frontzek)說：“無論是生物學(xué)家描述的自然現(xiàn)象還是工程師發(fā)現(xiàn)的技術(shù)問題，仿生科技都必須解決。”這也意味著一種工作機制，無論是生物學(xué)家還是工程師都可以先提出開發(fā)方法，然后再相互幫助解決對方不明白的問題，建立一種仿生模型，并構(gòu)造出一個實驗產(chǎn)品，最終由費斯托公司將其機械化，并轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用。對于海因里希·弗朗澤克來說，這是一個最理想的方式。不過，一般情況下，仿生科技的研究通常都會面臨不斷的實驗和不斷的失敗。但是這正是仿生科技釋放創(chuàng)造力的過程，正如海因里希·弗朗澤克所說，仿生科技的迷人之處在于它是創(chuàng)新的引擎。
仿生手
仿生科技并不是什么新的學(xué)科，早在文藝復(fù)興時期，達芬奇就已經(jīng)開始解剖鳥類研究它們的身體結(jié)構(gòu)，設(shè)計和制造出了第一架撲翼機。不過，仿生科技確實是近幾年才真正流行起來的，或許是世界能源和資源危機的威脅，人們開始意識到可持續(xù)性和效率的重要性：建筑師開始復(fù)制白蟻窩，設(shè)計出在陽光下能夠像花一樣綻放的高層建筑外立面，以改良通風效果;自動駕駛汽車的設(shè)計人員研究灘涂魚類和候鳥，嘗試學(xué)習(xí)它們?nèi)绾慰刂脐犖樾羞M的方向;開發(fā)人員研究魚粘液和鳥的翅膀模型，以節(jié)省船舶等運輸工具的能耗;研究壁虎腳與物體表面的分子力學(xué)，設(shè)計出不會殘留任何物質(zhì)的穩(wěn)固抓手。在我們的日常生活中，仿生科技可以說是早已滲透到了每一個角落，尼龍搭扣和荷葉效應(yīng)可以說是眾所周知的仿生產(chǎn)品，而大部分人都不知道的是，大約98%的汽車都是利用了仿生學(xué)的原理。仿生科技的重要性目前已經(jīng)受到了廣泛的認同和關(guān)注，來自世界各地的研究和開發(fā)團隊在該領(lǐng)域展開了激烈的競爭，希望能夠?qū)W習(xí)和挖掘更多大自然的設(shè)計靈感。
不過，人們都有一種錯覺，仿佛模仿大自然的物品都應(yīng)該是美麗或者優(yōu)雅的。實際上并非如此，費斯托的一個著名的仿生科技產(chǎn)品，看上去就像是一個長著3只恐怖爪子的短粗塑料豬嘴。甚至它的名字“仿生自適應(yīng)夾具”也是同樣地怪異。不過，作為工廠里的一種機械臂，這種仿生自適應(yīng)夾具有著非常廣闊的前景。根據(jù)海因里希·弗朗澤克的介紹，這種仿生自適應(yīng)夾具可以快速可靠地處理水果、燈泡、巧克力等壓力敏感的物品。這種自適應(yīng)夾具是仿照魚鰭的解剖特征設(shè)計的，通過所謂的“鰭條效果”來實現(xiàn)它的功能。仿生自適應(yīng)夾具不同于普通的機械臂，并不是直接通過給被抓握的物品施加壓力而實現(xiàn)抓取，而是通過類似魚鰭射線排列的波紋管和3個氣動的夾爪形成一個三角形的區(qū)域包裹住物品，因此它可以抓握各種形狀不規(guī)則的物品，能夠像人手一樣擁有強大的適應(yīng)性和靈活性，可根據(jù)物品的形狀控制施加的壓力，并且它完成抓握動作比人手更快。
費斯托公司的另一種仿生抓取助手是一個以大象鼻子為原型的柔性輔助系統(tǒng)，按照海因里希·弗朗澤克的介紹，這種仿生抓取助手類似大象鼻子的管狀肌肉，通過壓縮空氣驅(qū)動，整個抓取臂的重量只有1.5kg，而且其彈性結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生任何碰撞的危險，保證人機之間能夠安全而直接地接觸，不像傳統(tǒng)的工業(yè)機器人那樣存在傷害工人的危險，為未來開發(fā)人機互動的新方法指明了方向。該系統(tǒng)可獨立抓取物體，無需編程或手動控制。抓取模塊中的微型相機能將工作空間記錄下來，隨后檢測目標物體，并進行跟蹤，最后在恰當?shù)臅r間發(fā)出抓取命令。這種安全的柔性輔助系統(tǒng)，除了可以應(yīng)用于工廠之外，還可以在日常生活中加以應(yīng)用，例如作為照顧病人和老人的智能化裝置的一部分。除此之外，費斯托公司還研究出了一種手指關(guān)節(jié)高度靈活的仿生手臂ExoHand，希望它能夠幫助手部癱瘓的患者抓握物品。
了解和重建自然生態(tài)系統(tǒng)
現(xiàn)代仿生學(xué)科已經(jīng)涉及到很多領(lǐng)域，它的發(fā)展需要生物學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、數(shù)學(xué)、材料學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域工作者的合作，同時仿生學(xué)科的發(fā)展又對包括這些學(xué)科在內(nèi)的各領(lǐng)域產(chǎn)生巨大的影響，推動著各學(xué)科的進步。但令人震驚的是，計算機科學(xué)對于如何汲取來自大自然的靈感以及可持續(xù)發(fā)展等創(chuàng)新的觀念似乎仍缺乏了解。因此，它可能是下一個被仿生學(xué)影響和推動的領(lǐng)域。因為仿生科技不僅可以削弱人與機器之間的壁壘，而且還可以優(yōu)化人機之間的通信。例如對魚和螞蟻群體組織的研究，將有助于自主化、網(wǎng)絡(luò)化汽車的發(fā)展，找出避免發(fā)生交通意外和獲得更有效路線的方法。費斯托公司也希望能夠從中吸取經(jīng)驗，解決諸如在網(wǎng)絡(luò)化的工廠里其中一臺機器出現(xiàn)故障的情況下如何繼續(xù)生產(chǎn)的問題。不過，類似的研究仍處于早期階段，而計算機科學(xué)仍然非常努力地希望再現(xiàn)自然系統(tǒng)(關(guān)鍵字：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))，而不是去理解自然系統(tǒng)。
更深層次地理解自然系統(tǒng)，需要跨學(xué)科的合作，Biokon仿生學(xué)網(wǎng)絡(luò)董事總經(jīng)理賴納·埃爾布博士(Dr· Rainer Erb)希望能夠?qū)⒎律鷮W(xué)領(lǐng)域的學(xué)者和企業(yè)聯(lián)絡(luò)到一起，讓Biokon仿生學(xué)網(wǎng)絡(luò)能夠為跨學(xué)科的合作創(chuàng)造更多的交匯點。賴納·埃爾布博士說：“有興趣的公司可以去Biokon網(wǎng)絡(luò)搜索生物學(xué)家、科學(xué)家，他們可以提供有潛在應(yīng)用價值的仿生學(xué)領(lǐng)域新發(fā)現(xiàn)。不同學(xué)科的開發(fā)人員可以相互交流和共同工作，這種模式的轉(zhuǎn)變，將推動創(chuàng)新的浪潮。”目前，Biokon仿生學(xué)網(wǎng)絡(luò)的成員除了費斯托公司以外，還包括菲舍爾公司、博世和西門子家電等制造商。
技術(shù)與生物的橋梁
跨學(xué)科的合作為仿生科技注入了新的生命，植物學(xué)家、理論物理學(xué)家和船只制造商共同聯(lián)手開發(fā)出了新的仿生涂層。他們合作一同研究人見人厭的浮水性水生植物槐葉萍，仿造其外表能夠?qū)⑺肿渔i定的放射狀茸毛，開發(fā)出了一種可以用于船體的高疏水性仿生涂層。這種涂層可以大大降低船只行進時與水的摩擦，從而節(jié)省燃油高達10%。對于其他的研究人員和開發(fā)人員來說，這是一個很好的例子，大自然巧奪天工的杰作為仿生科技提供了取之不盡、用之不竭的研究題材，為每一個技術(shù)問題準備了解決方案，我們需要做的只是找到這些題材和解決方案。
為了讓更多研究人員和開發(fā)人員找到解決問題的方案，Biokon仿生學(xué)網(wǎng)絡(luò)和弗勞恩霍夫研究所的工作管理組織(IAO)已經(jīng)在網(wǎng)絡(luò)上制作了系統(tǒng)“BioPat”和“Biops”，它們是專門根據(jù)仿生技術(shù)的可用性收集各種科學(xué)知識的資料庫。在該系統(tǒng)上，如果搜索“防凍”，那么我們將可以發(fā)現(xiàn)大量關(guān)于動物和植物防凍方法的科學(xué)文章。接下來，該系統(tǒng)將嘗試自動為機械化和大自然、技術(shù)與生物之間架起橋梁。
無論是“智能飛鳥”還是仿生抓取助手，費斯托公司首先想到的是讓大眾和潛在客戶感受到仿生科技的魅力。而Biokon仿生學(xué)網(wǎng)絡(luò)董事總經(jīng)理賴納·埃爾布博士也一樣，希望更多人認識更高效、更智能、更持久的仿生科技產(chǎn)品，從而推動仿生科技的發(fā)展，將仿生科技產(chǎn)品帶入千家萬戶的日常生活當中。賴納·埃爾布博士認為，能源危機和經(jīng)濟危機越來越嚴重，而仿生產(chǎn)品有助于更有效地利用能源，未來仿生科技的應(yīng)用對于許多公司來說有可能是強制性的，而不僅僅是一種自發(fā)的選擇。
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