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(guó)埃斯林根的費(fèi)斯托公司是世界上領(lǐng)先的自動(dòng)化技術(shù)提供商，他們專(zhuān)門(mén)從事木材和金屬的自動(dòng)化加工技術(shù)研究。不過(guò)，該公司真正的明星是一只鳥(niǎo)，一只費(fèi)斯托公司稱(chēng)之為“智能飛鳥(niǎo)”的海鷗，這是一個(gè)仿生機(jī)器人，長(zhǎng)約1m、翼展2m、重450g，它可以利用空氣動(dòng)力實(shí)現(xiàn)起飛和推進(jìn)，在空中可以像大自然中的海鷗一樣自由地飛翔。
“智能飛鳥(niǎo)”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(tái)電腦負(fù)責(zé)決定它什么時(shí)候應(yīng)該彎曲翅膀，什么時(shí)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(niǎo)”在向公眾展示時(shí)，絕對(duì)是讓所有人眼前一亮，“智能飛鳥(niǎo)”在空中滑翔的動(dòng)作是如此逼真，人們似乎感覺(jué)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(gè)想法，最終演變?yōu)椴豢晒懒康膭?chuàng)造力。費(fèi)斯托公司從大自然汲取靈感，利用仿生科技這個(gè)驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新的引擎，尋找自然的解決方案來(lái)解決技術(shù)問(wèn)題。仿生科技所帶來(lái)的是更高效、更持久和更智能的產(chǎn)品，通過(guò)開(kāi)發(fā)“智能飛鳥(niǎo)”，費(fèi)斯托公司的工程師成功解開(kāi)了鳥(niǎo)類(lèi)飛行的秘密，在自動(dòng)化技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性的成就。近幾個(gè)月，“智能飛鳥(niǎo)”已經(jīng)成為了互聯(lián)網(wǎng)的明星，吸引了無(wú)數(shù)人的關(guān)注。費(fèi)斯托公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了既定目標(biāo)：讓大眾和潛在客戶感受到仿生科技的魅力。
模仿海鷗對(duì)于費(fèi)斯托公司來(lái)說(shuō)是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，為研究鳥(niǎo)類(lèi)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(kāi)發(fā)了一種符合空氣動(dòng)力學(xué)的可軸向旋轉(zhuǎn)的海鷗翅膀。“智能飛鳥(niǎo)”的翅膀由兩個(gè)伺服引擎驅(qū)動(dòng)，通過(guò)無(wú)線電與地面的電腦保持聯(lián)絡(luò)。根據(jù)費(fèi)斯托公司的介紹，“智能飛鳥(niǎo)”讓他們掌握了更多的控制氣流技術(shù)。不過(guò)，這或許不是最重要的，更重要的是費(fèi)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(fèi)斯托的發(fā)展方向，而這種創(chuàng)新的技術(shù)現(xiàn)階段無(wú)疑是最吸引眼球的。
費(fèi)斯托仿生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)(費(fèi)斯托與幾家知名學(xué)府、機(jī)構(gòu)和開(kāi)發(fā)公司共同發(fā)起的項(xiàng)目)和未來(lái)概念部門(mén)經(jīng)理海因里希·弗朗澤克(Heinrich Frontzek)說(shuō)：“無(wú)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(wèn)題，仿生科技都必須解決。”這也意味著一種工作機(jī)制，無(wú)論是生物學(xué)家還是工程師都可以先提出開(kāi)發(fā)方法，然后再相互幫助解決對(duì)方不明白的問(wèn)題，建立一種仿生模型，并構(gòu)造出一個(gè)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，最終由費(fèi)斯托公司將其機(jī)械化，并轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用。對(duì)于海因里希·弗朗澤克來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)最理想的方式。不過(guò)，一般情況下，仿生科技的研究通常都會(huì)面臨不斷的實(shí)驗(yàn)和不斷的失敗。但是這正是仿生科技釋放創(chuàng)造力的過(guò)程，正如海因里希·弗朗澤克所說(shuō)，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(shí)期，達(dá)芬奇就已經(jīng)開(kāi)始解剖鳥(niǎo)類(lèi)研究它們的身體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)和制造出了第一架撲翼機(jī)。不過(guò)，仿生科技確實(shí)是近幾年才真正流行起來(lái)的，或許是世界能源和資源危機(jī)的威脅，人們開(kāi)始意識(shí)到可持續(xù)性和效率的重要性：建筑師開(kāi)始復(fù)制白蟻窩，設(shè)計(jì)出在陽(yáng)光下能夠像花一樣綻放的高層建筑外立面，以改良通風(fēng)效果;自動(dòng)駕駛汽車(chē)的設(shè)計(jì)人員研究灘涂魚(yú)類(lèi)和候鳥(niǎo)，嘗試學(xué)習(xí)它們?nèi)绾慰刂脐?duì)伍行進(jìn)的方向;開(kāi)發(fā)人員研究魚(yú)粘液和鳥(niǎo)的翅膀模型，以節(jié)省船舶等運(yùn)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(jì)出不會(huì)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(shuō)是早已滲透到了每一個(gè)角落，尼龍搭扣和荷葉效應(yīng)可以說(shuō)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(chē)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(rèn)同和關(guān)注，來(lái)自世界各地的研究和開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域展開(kāi)了激烈的競(jìng)爭(zhēng)，希望能夠?qū)W習(xí)和挖掘更多大自然的設(shè)計(jì)靈感。
不過(guò)，人們都有一種錯(cuò)覺(jué)，仿佛模仿大自然的物品都應(yīng)該是美麗或者優(yōu)雅的。實(shí)際上并非如此，費(fèi)斯托的一個(gè)著名的仿生科技產(chǎn)品，看上去就像是一個(gè)長(zhǎng)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(guò)，作為工廠里的一種機(jī)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(yú)鰭的解剖特征設(shè)計(jì)的，通過(guò)所謂的“鰭條效果”來(lái)實(shí)現(xiàn)它的功能。仿生自適應(yīng)夾具不同于普通的機(jī)械臂，并不是直接通過(guò)給被抓握的物品施加壓力而實(shí)現(xiàn)抓取，而是通過(guò)類(lèi)似魚(yú)鰭射線排列的波紋管和3個(gè)氣動(dòng)的夾爪形成一個(gè)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(qiáng)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(dòng)作比人手更快。
費(fèi)斯托公司的另一種仿生抓取助手是一個(gè)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(lèi)似大象鼻子的管狀肌肉，通過(guò)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)，整個(gè)抓取臂的重量只有1.5kg，而且其彈性結(jié)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生任何碰撞的危險(xiǎn)，保證人機(jī)之間能夠安全而直接地接觸，不像傳統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人那樣存在傷害工人的危險(xiǎn)，為未來(lái)開(kāi)發(fā)人機(jī)互動(dòng)的新方法指明了方向。該系統(tǒng)可獨(dú)立抓取物體，無(wú)需編程或手動(dòng)控制。抓取模塊中的微型相機(jī)能將工作空間記錄下來(lái)，隨后檢測(cè)目標(biāo)物體，并進(jìn)行跟蹤，最后在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)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(fèi)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(shí)仿生學(xué)科的發(fā)展又對(duì)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(dòng)著各學(xué)科的進(jìn)步。但令人震驚的是，計(jì)算機(jī)科學(xué)對(duì)于如何汲取來(lái)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(gè)被仿生學(xué)影響和推動(dòng)的領(lǐng)域。因?yàn)榉律萍疾粌H可以削弱人與機(jī)器之間的壁壘，而且還可以優(yōu)化人機(jī)之間的通信。例如對(duì)魚(yú)和螞蟻群體組織的研究，將有助于自主化、網(wǎng)絡(luò)化汽車(chē)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(fèi)斯托公司也希望能夠從中吸取經(jīng)驗(yàn)，解決諸如在網(wǎng)絡(luò)化的工廠里其中一臺(tái)機(jī)器出現(xiàn)故障的情況下如何繼續(xù)生產(chǎn)的問(wèn)題。不過(guò)，類(lèi)似的研究仍處于早期階段，而計(jì)算機(jī)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?yàn)榭鐚W(xué)科的合作創(chuàng)造更多的交匯點(diǎn)。賴納·埃爾布博士說(shuō)：“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(jià)值的仿生學(xué)領(lǐng)域新發(fā)現(xiàn)。不同學(xué)科的開(kāi)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(dòng)創(chuàng)新的浪潮。”目前，Biokon仿生學(xué)網(wǎng)絡(luò)的成員除了費(fèi)斯托公司以外，還包括菲舍爾公司、博世和西門(mén)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(kāi)發(fā)出了新的仿生涂層。他們合作一同研究人見(jiàn)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(kāi)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(jìn)時(shí)與水的摩擦，從而節(jié)省燃油高達(dá)10%。對(duì)于其他的研究人員和開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)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(gè)技術(shù)問(wèn)題準(zhǔn)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(kāi)發(fā)人員找到解決問(wèn)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(zhuān)門(mén)根據(jù)仿生技術(shù)的可用性收集各種科學(xué)知識(shí)的資料庫(kù)。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(dòng)物和植物防凍方法的科學(xué)文章。接下來(lái)，該系統(tǒng)將嘗試自動(dòng)為機(jī)械化和大自然、技術(shù)與生物之間架起橋梁。
無(wú)論是“智能飛鳥(niǎo)”還是仿生抓取助手，費(fèi)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B(niǎo)iokon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(rèn)識(shí)更高效、更智能、更持久的仿生科技產(chǎn)品，從而推動(dòng)仿生科技的發(fā)展，將仿生科技產(chǎn)品帶入千家萬(wàn)戶的日常生活當(dāng)中。賴納·埃爾布博士認(rèn)為，能源危機(jī)和經(jīng)濟(jì)危機(jī)越來(lái)越嚴(yán)重，而仿生產(chǎn)品有助于更有效地利用能源，未來(lái)仿生科技的應(yīng)用對(duì)于許多公司來(lái)說(shuō)有可能是強(qiáng)制性的，而不僅僅是一種自發(fā)的選擇。
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