仿生學
關注創建者：匿名 創建時間：2021-11-05
仿生學的實例教程
來自土耳其菲拉特大學的一組工程研究人員正在使用仿生設計為不同的海洋應用提供靈活的解決方案，如觀察生物、檢查水下資源、發現和防治污染、海岸線安全、測量淹沒區域和管道故障檢測等。
3D打印機器魚詳細機械配置
據悉，研究人員受鯉魚啟發，最近發表了一篇關于他們使用3D打印、機器人和仿生學開發自主水下航行器（AUV）的“智能仿生機器魚設計與制造”的論文。
在設計3D打印仿生機器魚時，需著重考慮的是其身體結構和游泳模式，因此研究人員花了很多時間進行觀察和研究。據研究表明，超過85％的魚是通過彎曲身體或尾鰭（也稱為BCF）進行游泳，而其余魚則用奇鰭或胸鰭（MPF）進行游泳。
一段時間內鯽魚向前和轉泳模式說明圖
“機器魚設計有兩種方法。首先是仿生設計，它具有一定的要求，例如尾部的大小和關節數量，以提供身體行波，以及能夠控制重心保持在一定深度?！毖芯咳藛T寫道?！暗诙N設計方法僅使用魚類的運動效果?！?機器魚原型的自主游泳性能
據了解，菲拉特大學的機器魚原型復制了BCF型游泳模式及其推進式伺服電機驅動尾部機制，它還具有前部、剛性、魚雷形狀的主體，用于容納所有傳感器和電子設備，當然，還有重心（CoG）控制機構，用于上下移動。
因為機器魚在游泳時需要能夠感知環境中的靜態和動態物體，所以研究人員在它們身上添加了三個夏普紅外距離傳感器，重量約為3.1千克，長約500毫米，寬76毫米，高215毫米。
前瞄準器和瞄準角設計
這項研究提出了基于生物游泳啟發的智能機器魚原型（i-RoF）的仿生設計和制造，以執行現實世界的探索和測量任務。為了測試安裝部件的密封性能，研究人員在測試池中運行了6小時。
未來，研究人員將圍繞使用不同的控制結構檢查3D打印機器魚原型的閉環控制性能，以及測試其在不同水道中的游泳能力。
展開 本文站在仿生學角度思考這一問題。
由上圖可以看出二者，既有聯系又有區別，前者是計算機技術的延伸，而后者是基于仿生學的應用。仿生學基于人的目的，而對生物進行仿制。
從仿生學角度出發，使用逆向思維推理車輛自動駕駛：
車輛運動的本質，遇到靜態障礙物避開，遇到動態障礙物保持相對運動。
上述所有過程中，未設計任何路徑規劃算法。
這些自然界中的設計靈感，啟發了科學家們將動物們的“絕技”應用于技術領域中，這也就是仿生學的范疇。
長期以來，古生物學家利用化石遺跡來研究不同物種的生理特征和進化歷程。達爾文用長達 5 年的時間在南美和太平洋島嶼旅行，通過研究動物、植物、遺物骨架或印痕化石，總結出了生物進化論。
CFD與仿生學是兩個看似不相關的領域，但它們卻有著緊密的聯系。CFD（計算流體力學）是一種利用數值計算方法研究流體運動的技術，而仿生學則是研究自然界中生物體的結構、功能和行為，并從中獲取啟示，開發出新的技術和材料的學科。
在自然界中，生物體的形態和結構都是經過長期演化所形成的，它們的結構和形態在各種環境中都具有很好的適應性和優越性能。這些自然界中的設計靈感，啟發了科學家們將仿生學的思想應用于技術領域中。
在 CFD 領域，仿生學的應用主要體現在流體動力學中。生物體的運動和環境適應性使得它們的外形和表面結構具有特殊的流體力學特性，比如減阻、增加升力、減小湍流等等。將這些特性應用于工程設計中，可以有效地降低能耗、提高效率、減少噪音等。
例如，鯨魚的皮膚表面有很多小凸起，這些凸起可以減小水流的摩擦力，從而降低阻力。這個設計靈感被應用在飛機和船舶的表面上，可以有效地減小阻力，降低燃油消耗。另外，燕子的翅膀表面有很多細小的羽毛，這些羽毛可以減小湍流的產生，使得燕子在飛行時更加穩定。
展開 1 概述
仿生設計以自然界萬事萬物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“結構”等為研究對象，有選擇 地在設計過程中應用這些特征原理進行的設計，同時結合仿生學的研究成果，為設計提供 新的思想、新的原理、新的方法和新的途徑。在某種意義上，仿生設計學可以說是仿生學 的延續和發展，是仿生學研究成果在人類生存方式中的反映。
仿生設計學作為人類社會生產活動與自然界的鍥合點，使人類社會與自然達到了高度 的統一，正逐漸成為設計發展過程中新的亮點。自古以來，自然界就是人類各種科學技術 原理及重大發明的源泉。人類生活在自然界中，與周圍的生物作“鄰居”，這些生物各種各 樣的奇異本領，吸引著人們去想象和模仿。人類運用其觀察、思維和設計能力，開始了對 生物的模仿，并通過創造性的勞動，制造出簡單的工具，增強了自己與自然界斗爭的本領 和能力。
本文通過利用 Inspire 的優化獲取接近自然的仿生結構，同時通過 3D 打印與鑄造工藝-熔 模鑄造的方法獲得結構鑄件，其中，Inspire Cast 在模具設計中能輔助工程師快速發現模具 缺陷，指導修改澆注系統，減少模具開發周期，最后通過 Evolve 渲染獲得該結構在公交車 站頂棚的表現。
2 有限元模型的建立
由于頂棚支撐結構常年暴露室外，所受環境因素多變，現對支撐結構的常見載荷情況 進行有限元分析及獲取仿生結構。
2.1建立初始模型
Inspire 無需手動劃分網格，同時為了保證獲得優化空間最大化，建立的模型更偏向無 孔盒子狀。
展開 設計重新定義制造
創成式帶來的新世界
仿生學不是復制自然形狀，而是復制自然解決問題的方法。仿生學和創成式設計之間的真正聯系是一些軟件如何利用自然界中發現的邏輯來獲得其中算法的奧秘。Autodesk Fusion 360內置的 Project Dreamcatcher是目前創成式設計軟件的一個典型代表。
▲ 創成式設計優化航空航天零件
? Autodesk
在 Autodesk Fusion 360 的案例中，創成式設計的想法受到仿生學中自下而上的方法的啟發。令人著迷的是，有一個算法來自“白蟻巢穴，以及白蟻使用信息素相互發送信號的方式，開發人員創造了壓力或信息素梯度，核心方法非常簡單，但結果卻很復雜。
有了這種受自然啟發的邏輯作為其創成算法的核心，創成設計程序必然會不時創成有機形狀，以不對稱和復雜的表面為標志。但目前的制造方法無法與大自然所創造的奇跡相媲美，這使得創成式設計軟件本身還有著很多進化的空間。
▲ 創成式設計
? 3D科學谷白皮書
譬如大自然中的人體，人體是單一的組件來促進流體流動和交互結果，而這在航空航天領域也有類似的活動。那么未來或許創成式設計還可以進化到如何結合流體流動和結構功能，雖然這在創成式設計中目前還不是主流。
歐特克的開發團隊已經在研究框架創成系統，這些系統可能在未來用于商業發布。那么創成式設計對制造所帶來的范式改變，最突出的有哪幾點呢？
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制造感知技術
Fusion 360 中的創成式設計包括制造感知技術，這意味著它可以生成多個受可用設計約束影響的設計選項。此外，減材和增材制造技術可幫助用戶了解設計的可能性。創成式設計還可以通過創建人類無法想象的可加工幾何形狀來提高生產力。
展開 
仿生學的最新內容
這正是威睛光學技術體系的仿生學原型。
第二章 威睛光學的相位調制體系：三層硬件 + 一層算法
2.1 整體架構：一個閉環的相位調制-解調系統
威睛光學的核心技術體系，可被理解為一套完整閉環的“相位調制-解調”架構：
l 前端硬件層（編碼）：自由曲面、超構表面、液體透鏡，分別從不同維度對入射光波前施加可設計的、已知的相位調制。
這些技術的突破，不僅依賴AI算法的進步，更得益于材料科學、仿生學、神經科學等多學科的交叉融合。
跨界對話將成為大會的另一亮點。來自機器人、AI、生物工程、金融等不同領域的專家將共同探討具身智能的倫理、法規及商業模式。例如，當機器人具備更高自主性時，如何界定法律責任？具身智能在醫療領域的應用如何平衡效率與隱私安全？這些問題需要技術、法律、社會學等多方視角的碰撞。
為了解決這一教學難點，亟須開發一款線上師生互動式的數字仿生藥物代謝動力學系統，以輔助學習解答關于藥動學的諸多問題，這將極大地激發學生的學習興趣，培養學生自我學習探究的能力。
Simulink是一種內嵌于Matlab軟件中的面向多領域仿真模型設計的模塊圖式樣的工具軟件，適合于線性系統或非線性系統的動態建模與仿真[3,4]。
另外在表面處理方面，結合疏水和親水（等離子）表面的仿生學及電暈處理（電擊處理，它使承印物的表面具有更高的附著性），將增強未來小型化設備的物理黏合強度和性能。對于以技術和工程為重點的公司來說，在「閃亮的東西」上偏離軌道是很常見的；然而，要真正實現增長，與關鍵客戶建立合作伙伴關系并滿足他們的需求是提供持續增長和繁榮的核心。
GE航空發動機
01
蠕蟲機器人的仿生學原理
報道稱，Sensiworm仿生機器人自帶內置電源和機載系統，通過仿生學原理可模擬尺蠖的蠕動姿態
NPCM的結構仿生學包括模仿干細胞、蜘蛛絲、或竹子的納米結構，并基于納米約束效應實現pcm的包封。然后，許多仿生納米約束結構，包括核殼，縱向，和多孔結構，被廣泛提出。同時，附著力、范德華相互作用和毛細作用在這一過程中也起著重要作用。然而，NPCM的功能仿生學側重于通過功能組件的整合實現仿生功能化。通過功能結構的宏觀構成，實現多功能集成。結構仿生學和功能仿生學的結合是開發下一代NPCM的有效途徑。
NPCM的結構仿生學包括模仿干細胞、蜘蛛絲、或竹子的納米結構，并基于納米約束效應實現pcm的包封。然后，許多仿生納米約束結構，包括核殼，縱向，和多孔結構，被廣泛提出。同時，附著力、范德華相互作用和毛細作用在這一過程中也起著重要作用。然而，NPCM的功能仿生學側重于通過功能組件的整合實現仿生功能化。通過功能結構的宏觀構成，實現多功能集成。結構仿生學和功能仿生學的結合是開發下一代NPCM的有效途徑。
本文站在仿生學角度思考這一問題。
由上圖可以看出二者，既有聯系又有區別，前者是計算機技術的延伸，而后者是基于仿生學的應用。仿生學基于人的目的，而對生物進行仿制。
從仿生學角度出發，使用逆向思維推理車輛自動駕駛：
車輛運動的本質，遇到靜態障礙物避開，遇到動態障礙物保持相對運動。
上述所有過程中，未設計任何路徑規劃算法。
通過仿生學直接改變葉片翼型的研究得出了不同翼型下的不同氣動特性，對通風機噪聲在巷道內的傳播規律做了研究，然而對通風機 內部氣動噪聲的產生及傳播規律的研究并不充分。隨著計算機技術的發展 ，數值模擬法得 到廣泛進行數值 模擬法大大減少了試驗時間和成本。
除了表面結構的仿生學應用，生物體的形態和動作也可以為工程設計提供靈感。例如，極地熊的前掌和企鵝的翅膀在水下游動時都具有很好的推進力和穩定性，這些運動特點被應用于設計水下機器人和潛艇。
CFD 與仿生學的結合為工程設計提供了很好的靈感和指導，使得設計的產品具有更好的性能和適應性。
