大自然科技论文(2)
大自然科技论文
大自然科技论文篇二
仿生科技:灵感源于大自然
摘要：德国埃斯林根的费斯托公司是世界上领先的自动化技术提供商，他们专门从事木材和金属的自动化加工技术研究。不过，该公司真正的明星是一只鸟，一只费斯托公司称之为“智能飞鸟”的海鸥，这是一个仿生机器人，长约1m、翼展2m、重450g，它可以利用空气动力实现起飞和推进，在空中可以像大自然中的海鸥一样自由地飞翔。
“智能飞鸟”能像真正的海鸥那样在空中飞行和翱翔，它飞到哪里，由使用遥控器的驾驶员决定，地面上的一台电脑负责决定它什么时候应该弯曲翅膀，什么时候应该扭曲身体，以便它可以在空中滑翔。虽然相关的技术还不是太成熟，但是“智能飞鸟”在向公众展示时，绝对是让所有人眼前一亮，“智能飞鸟”在空中滑翔的动作是如此逼真，人们似乎感觉它将尖声叫着俯冲觅食，而不是温顺地回到拿着遥控器的驾驶员那里。
工程师脑海中灵光一闪的一个想法，最终演变为不可估量的创造力。费斯托公司从大自然汲取灵感，利用仿生科技这个驱动创新的引擎，寻找自然的解决方案来解决技术问题。仿生科技所带来的是更高效、更持久和更智能的产品，通过开发“智能飞鸟”，费斯托公司的工程师成功解开了鸟类飞行的秘密，在自动化技术领域取得了突破性的成就。近几个月，“智能飞鸟”已经成为了互联网的明星，吸引了无数人的关注。费斯托公司已经实现了既定目标：让大众和潜在客户感受到仿生科技的魅力。
模仿海鸥对于费斯托公司来说是一个巨大的挑战，为研究鸟类的飞行他们与生物学家合作，并分析海鸥身上的气流。更重要的是，他们开发了一种符合空气动力学的可轴向旋转的海鸥翅膀。“智能飞鸟”的翅膀由两个伺服引擎驱动，通过无线电与地面的电脑保持联络。根据费斯托公司的介绍，“智能飞鸟”让他们掌握了更多的控制气流技术。不过，这或许不是最重要的，更重要的是费斯托公司让所有潜在的客户知道，他们可以有很好的创意，能够突破固有的框框。仿生技术是费斯托的发展方向，而这种创新的技术现阶段无疑是最吸引眼球的。
费斯托仿生学习网络(费斯托与几家知名学府、机构和开发公司共同发起的项目)和未来概念部门经理海因里希·弗朗泽克(Heinrich Frontzek)说：“无论是生物学家描述的自然现象还是工程师发现的技术问题，仿生科技都必须解决。”这也意味着一种工作机制，无论是生物学家还是工程师都可以先提出开发方法，然后再相互帮助解决对方不明白的问题，建立一种仿生模型，并构造出一个实验产品，最终由费斯托公司将其机械化，并转化为工业应用。对于海因里希·弗朗泽克来说，这是一个最理想的方式。不过，一般情况下，仿生科技的研究通常都会面临不断的实验和不断的失败。但是这正是仿生科技释放创造力的过程，正如海因里希·弗朗泽克所说，仿生科技的迷人之处在于它是创新的引擎。
仿生手
仿生科技并不是什么新的学科，早在文艺复兴时期，达芬奇就已经开始解剖鸟类研究它们的身体结构，设计和制造出了第一架扑翼机。不过，仿生科技确实是近几年才真正流行起来的，或许是世界能源和资源危机的威胁，人们开始意识到可持续性和效率的重要性：建筑师开始复制白蚁窝，设计出在阳光下能够像花一样绽放的高层建筑外立面，以改良通风效果;自动驾驶汽车的设计人员研究滩涂鱼类和候鸟，尝试学习它们如何控制队伍行进的方向;开发人员研究鱼粘液和鸟的翅膀模型，以节省船舶等运输工具的能耗;研究壁虎脚与物体表面的分子力学，设计出不会残留任何物质的稳固抓手。在我们的日常生活中，仿生科技可以说是早已渗透到了每一个角落，尼龙搭扣和荷叶效应可以说是众所周知的仿生产品，而大部分人都不知道的是，大约98%的汽车都是利用了仿生学的原理。仿生科技的重要性目前已经受到了广泛的认同和关注，来自世界各地的研究和开发团队在该领域展开了激烈的竞争，希望能够学习和挖掘更多大自然的设计灵感。
不过，人们都有一种错觉，仿佛模仿大自然的物品都应该是美丽或者优雅的。实际上并非如此，费斯托的一个著名的仿生科技产品，看上去就像是一个长着3只恐怖爪子的短粗塑料猪嘴。甚至它的名字“仿生自适应夹具”也是同样地怪异。不过，作为工厂里的一种机械臂，这种仿生自适应夹具有着非常广阔的前景。根据海因里希·弗朗泽克的介绍，这种仿生自适应夹具可以快速可靠地处理水果、灯泡、巧克力等压力敏感的物品。这种自适应夹具是仿照鱼鳍的解剖特征设计的，通过所谓的“鳍条效果”来实现它的功能。仿生自适应夹具不同于普通的机械臂，并不是直接通过给被抓握的物品施加压力而实现抓取，而是通过类似鱼鳍射线排列的波纹管和3个气动的夹爪形成一个三角形的区域包裹住物品，因此它可以抓握各种形状不规则的物品，能够像人手一样拥有强大的适应性和灵活性，可根据物品的形状控制施加的压力，并且它完成抓握动作比人手更快。
费斯托公司的另一种仿生抓取助手是一个以大象鼻子为原型的柔性辅助系统，按照海因里希·弗朗泽克的介绍，这种仿生抓取助手类似大象鼻子的管状肌肉，通过压缩空气驱动，整个抓取臂的重量只有1.5kg，而且其弹性结构不会产生任何碰撞的危险，保证人机之间能够安全而直接地接触，不像传统的工业机器人那样存在伤害工人的危险，为未来开发人机互动的新方法指明了方向。该系统可独立抓取物体，无需编程或手动控制。抓取模块中的微型相机能将工作空间记录下来，随后检测目标物体，并进行跟踪，最后在恰当的时间发出抓取命令。这种安全的柔性辅助系统，除了可以应用于工厂之外，还可以在日常生活中加以应用，例如作为照顾病人和老人的智能化装置的一部分。除此之外，费斯托公司还研究出了一种手指关节高度灵活的仿生手臂ExoHand，希望它能够帮助手部瘫痪的患者抓握物品。
了解和重建自然生态系统
现代仿生学科已经涉及到很多领域，它的发展需要生物学、物理学、化学、医学、数学、材料学等众多学科领域工作者的合作，同时仿生学科的发展又对包括这些学科在内的各领域产生巨大的影响，推动着各学科的进步。但令人震惊的是，计算机科学对于如何汲取来自大自然的灵感以及可持续发展等创新的观念似乎仍缺乏了解。因此，它可能是下一个被仿生学影响和推动的领域。因为仿生科技不仅可以削弱人与机器之间的壁垒，而且还可以优化人机之间的通信。例如对鱼和蚂蚁群体组织的研究，将有助于自主化、网络化汽车的发展，找出避免发生交通意外和获得更有效路线的方法。费斯托公司也希望能够从中吸取经验，解决诸如在网络化的工厂里其中一台机器出现故障的情况下如何继续生产的问题。不过，类似的研究仍处于早期阶段，而计算机科学仍然非常努力地希望再现自然系统(关键字：神经网络)，而不是去理解自然系统。
更深层次地理解自然系统，需要跨学科的合作，Biokon仿生学网络董事总经理赖纳·埃尔布博士(Dr· Rainer Erb)希望能够将仿生学领域的学者和企业联络到一起，让Biokon仿生学网络能够为跨学科的合作创造更多的交汇点。赖纳·埃尔布博士说：“有兴趣的公司可以去Biokon网络搜索生物学家、科学家，他们可以提供有潜在应用价值的仿生学领域新发现。不同学科的开发人员可以相互交流和共同工作，这种模式的转变，将推动创新的浪潮。”目前，Biokon仿生学网络的成员除了费斯托公司以外，还包括菲舍尔公司、博世和西门子家电等制造商。
技术与生物的桥梁
跨学科的合作为仿生科技注入了新的生命，植物学家、理论物理学家和船只制造商共同联手开发出了新的仿生涂层。他们合作一同研究人见人厌的浮水性水生植物槐叶萍，仿造其外表能够将水分子锁定的放射状茸毛，开发出了一种可以用于船体的高疏水性仿生涂层。这种涂层可以大大降低船只行进时与水的摩擦，从而节省燃油高达10%。对于其他的研究人员和开发人员来说，这是一个很好的例子，大自然巧夺天工的杰作为仿生科技提供了取之不尽、用之不竭的研究题材，为每一个技术问题准备了解决方案，我们需要做的只是找到这些题材和解决方案。
为了让更多研究人员和开发人员找到解决问题的方案，Biokon仿生学网络和弗劳恩霍夫研究所的工作管理组织(IAO)已经在网络上制作了系统“BioPat”和“Biops”，它们是专门根据仿生技术的可用性收集各种科学知识的资料库。在该系统上，如果搜索“防冻”，那么我们将可以发现大量关于动物和植物防冻方法的科学文章。接下来，该系统将尝试自动为机械化和大自然、技术与生物之间架起桥梁。
无论是“智能飞鸟”还是仿生抓取助手，费斯托公司首先想到的是让大众和潜在客户感受到仿生科技的魅力。而Biokon仿生学网络董事总经理赖纳·埃尔布博士也一样，希望更多人认识更高效、更智能、更持久的仿生科技产品，从而推动仿生科技的发展，将仿生科技产品带入千家万户的日常生活当中。赖纳·埃尔布博士认为，能源危机和经济危机越来越严重，而仿生产品有助于更有效地利用能源，未来仿生科技的应用对于许多公司来说有可能是强制性的，而不仅仅是一种自发的选择。
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