仿生學(xué)的案例
研究人員利用仿生學(xué)和3D打印開發(fā)機(jī)器魚
來自土耳其菲拉特大學(xué)的一組工程研究人員正在使用仿生設(shè)計(jì)為不同的海洋應(yīng)用提供靈活的解決方案，如觀察生物、檢查水下資源、發(fā)現(xiàn)和防治污染、海岸線安全、測量淹沒區(qū)域和管道故障檢測等。
3D打印機(jī)器魚詳細(xì)機(jī)械配置
據(jù)悉，研究人員受鯉魚啟發(fā)，最近發(fā)表了一篇關(guān)于他們使用3D打印、機(jī)器人和仿生學(xué)開發(fā)自主水下航行器（AUV）的“智能仿生機(jī)器魚設(shè)計(jì)與制造”的論文。
在設(shè)計(jì)3D打印仿生機(jī)器魚時，需著重考慮的是其身體結(jié)構(gòu)和游泳模式，因此研究人員花了很多時間進(jìn)行觀察和研究。據(jù)研究表明，超過85％的魚是通過彎曲身體或尾鰭（也稱為BCF）進(jìn)行游泳，而其余魚則用奇鰭或胸鰭（MPF）進(jìn)行游泳。
一段時間內(nèi)鯽魚向前和轉(zhuǎn)泳模式說明圖
“機(jī)器魚設(shè)計(jì)有兩種方法。首先是仿生設(shè)計(jì)，它具有一定的要求，例如尾部的大小和關(guān)節(jié)數(shù)量，以提供身體行波，以及能夠控制重心保持在一定深度。”研究人員寫道。“第二種設(shè)計(jì)方法僅使用魚類的運(yùn)動效果。”
機(jī)器魚原型的自主游泳性能
據(jù)了解，菲拉特大學(xué)的機(jī)器魚原型復(fù)制了BCF型游泳模式及其推進(jìn)式伺服電機(jī)驅(qū)動尾部機(jī)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(shè)備，當(dāng)然，還有重心（CoG）控制機(jī)構(gòu)，用于上下移動。
因?yàn)闄C(jī)器魚在游泳時需要能夠感知環(huán)境中的靜態(tài)和動態(tài)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(zhǔn)器和瞄準(zhǔn)角設(shè)計(jì)
這項(xiàng)研究提出了基于生物游泳啟發(fā)的智能機(jī)器魚原型（i-RoF）的仿生設(shè)計(jì)和制造，以執(zhí)行現(xiàn)實(shí)世界的探索和測量任務(wù)。為了測試安裝部件的密封性能，研究人員在測試池中運(yùn)行了6小時。
未來，研究人員將圍繞使用不同的控制結(jié)構(gòu)檢查3D打印機(jī)器魚原型的閉環(huán)控制性能，以及測試其在不同水道中的游泳能力。
展開 車輛自動駕駛（個人理解）
本文站在仿生學(xué)角度思考這一問題。
由上圖可以看出二者，既有聯(lián)系又有區(qū)別，前者是計(jì)算機(jī)技術(shù)的延伸，而后者是基于仿生學(xué)的應(yīng)用。仿生學(xué)基于人的目的，而對生物進(jìn)行仿制。
從仿生學(xué)角度出發(fā)，使用逆向思維推理車輛自動駕駛：
車輛運(yùn)動的本質(zhì)，遇到靜態(tài)障礙物避開，遇到動態(tài)障礙物保持相對運(yùn)動。
上述所有過程中，未設(shè)計(jì)任何路徑規(guī)劃算法。
動物教會我的流體力學(xué)
這些自然界中的設(shè)計(jì)靈感，啟發(fā)了科學(xué)家們將動物們的“絕技”應(yīng)用于技術(shù)領(lǐng)域中，這也就是仿生學(xué)的范疇。
長期以來，古生物學(xué)家利用化石遺跡來研究不同物種的生理特征和進(jìn)化歷程。達(dá)爾文用長達(dá) 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(jié)出了生物進(jìn)化論。
CFD與仿生學(xué)是兩個看似不相關(guān)的領(lǐng)域，但它們卻有著緊密的聯(lián)系。CFD（計(jì)算流體力學(xué)）是一種利用數(shù)值計(jì)算方法研究流體運(yùn)動的技術(shù)，而仿生學(xué)則是研究自然界中生物體的結(jié)構(gòu)、功能和行為，并從中獲取啟示，開發(fā)出新的技術(shù)和材料的學(xué)科。
在自然界中，生物體的形態(tài)和結(jié)構(gòu)都是經(jīng)過長期演化所形成的，它們的結(jié)構(gòu)和形態(tài)在各種環(huán)境中都具有很好的適應(yīng)性和優(yōu)越性能。這些自然界中的設(shè)計(jì)靈感，啟發(fā)了科學(xué)家們將仿生學(xué)的思想應(yīng)用于技術(shù)領(lǐng)域中。
在 CFD 領(lǐng)域，仿生學(xué)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在流體動力學(xué)中。生物體的運(yùn)動和環(huán)境適應(yīng)性使得它們的外形和表面結(jié)構(gòu)具有特殊的流體力學(xué)特性，比如減阻、增加升力、減小湍流等等。將這些特性應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)靈感被應(yīng)用在飛機(jī)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(xì)小的羽毛，這些羽毛可以減小湍流的產(chǎn)生，使得燕子在飛行時更加穩(wěn)定。
展開 基于Inspire的公交站臺頂棚支架結(jié)構(gòu)及鑄造工藝澆注系統(tǒng)優(yōu)化
1 概述
仿生設(shè)計(jì)以自然界萬事萬物的“形”、“色”、“音”、“功能”、“結(jié)構(gòu)”等為研究對象，有選擇 地在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用這些特征原理進(jìn)行的設(shè)計(jì)，同時結(jié)合仿生學(xué)的研究成果，為設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)學(xué)可以說是仿生學(xué) 的延續(xù)和發(fā)展，是仿生學(xué)研究成果在人類生存方式中的反映。
仿生設(shè)計(jì)學(xué)作為人類社會生產(chǎn)活動與自然界的鍥合點(diǎn)，使人類社會與自然達(dá)到了高度 的統(tǒng)一，正逐漸成為設(shè)計(jì)發(fā)展過程中新的亮點(diǎn)。自古以來，自然界就是人類各種科學(xué)技術(shù) 原理及重大發(fā)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(lǐng)，吸引著人們?nèi)ハ胂蠛湍７隆Ｈ祟愡\(yùn)用其觀察、思維和設(shè)計(jì)能力，開始了對 生物的模仿，并通過創(chuàng)造性的勞動，制造出簡單的工具，增強(qiáng)了自己與自然界斗爭的本領(lǐng) 和能力。
本文通過利用 Inspire 的優(yōu)化獲取接近自然的仿生結(jié)構(gòu)，同時通過 3D 打印與鑄造工藝-熔 模鑄造的方法獲得結(jié)構(gòu)鑄件，其中，Inspire Cast 在模具設(shè)計(jì)中能輔助工程師快速發(fā)現(xiàn)模具 缺陷，指導(dǎo)修改澆注系統(tǒng)，減少模具開發(fā)周期，最后通過 Evolve 渲染獲得該結(jié)構(gòu)在公交車 站頂棚的表現(xiàn)。
2 有限元模型的建立
由于頂棚支撐結(jié)構(gòu)常年暴露室外，所受環(huán)境因素多變，現(xiàn)對支撐結(jié)構(gòu)的常見載荷情況 進(jìn)行有限元分析及獲取仿生結(jié)構(gòu)。
2.1建立初始模型
Inspire 無需手動劃分網(wǎng)格，同時為了保證獲得優(yōu)化空間最大化，建立的模型更偏向無 孔盒子狀。
展開 
重新定義制造，賦予零件“生命力”，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的八大價值
設(shè)計(jì)重新定義制造
創(chuàng)成式帶來的新世界
仿生學(xué)不是復(fù)制自然形狀，而是復(fù)制自然解決問題的方法。仿生學(xué)和創(chuàng)成式設(shè)計(jì)之間的真正聯(lián)系是一些軟件如何利用自然界中發(fā)現(xiàn)的邏輯來獲得其中算法的奧秘。Autodesk Fusion 360內(nèi)置的 Project Dreamcatcher是目前創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件的一個典型代表。
▲ 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)優(yōu)化航空航天零件
? Autodesk
在 Autodesk Fusion 360 的案例中，創(chuàng)成式設(shè)計(jì)的想法受到仿生學(xué)中自下而上的方法的啟發(fā)。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(fā)送信號的方式，開發(fā)人員創(chuàng)造了壓力或信息素梯度，核心方法非常簡單，但結(jié)果卻很復(fù)雜。
有了這種受自然啟發(fā)的邏輯作為其創(chuàng)成算法的核心，創(chuàng)成設(shè)計(jì)程序必然會不時創(chuàng)成有機(jī)形狀，以不對稱和復(fù)雜的表面為標(biāo)志。但目前的制造方法無法與大自然所創(chuàng)造的奇跡相媲美，這使得創(chuàng)成式設(shè)計(jì)軟件本身還有著很多進(jìn)化的空間。
▲ 創(chuàng)成式設(shè)計(jì)
? 3D科學(xué)谷白皮書
譬如大自然中的人體，人體是單一的組件來促進(jìn)流體流動和交互結(jié)果，而這在航空航天領(lǐng)域也有類似的活動。那么未來或許創(chuàng)成式設(shè)計(jì)還可以進(jìn)化到如何結(jié)合流體流動和結(jié)構(gòu)功能，雖然這在創(chuàng)成式設(shè)計(jì)中目前還不是主流。
歐特克的開發(fā)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在研究框架創(chuàng)成系統(tǒng)，這些系統(tǒng)可能在未來用于商業(yè)發(fā)布。那么創(chuàng)成式設(shè)計(jì)對制造所帶來的范式改變，最突出的有哪幾點(diǎn)呢？
1
制造感知技術(shù)
Fusion 360 中的創(chuàng)成式設(shè)計(jì)包括制造感知技術(shù)，這意味著它可以生成多個受可用設(shè)計(jì)約束影響的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。此外，減材和增材制造技術(shù)可幫助用戶了解設(shè)計(jì)的可能性。創(chuàng)成式設(shè)計(jì)還可以通過創(chuàng)建人類無法想象的可加工幾何形狀來提高生產(chǎn)力。
展開 仿生機(jī)器魚艏向擺動動力學(xué)仿真及分析
該文首次運(yùn)用Adamas軟件對北京航空航天
大學(xué)機(jī)器人研究所“SPC - II”仿生機(jī)器魚進(jìn)行了尾鰭受力分析和動力學(xué)仿真。從魚體和尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)質(zhì)量比、拍動頻率以
及對尾鰭攻角的影響三個方面對仿真結(jié)果進(jìn)行了分析,得出以下結(jié)論:隨著魚體和尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)質(zhì)量比的增大以及頻率的
增大,艏搖不斷減小;魚體和尾鰭推進(jìn)機(jī)構(gòu)質(zhì)量比小于78,沒有出現(xiàn)共振現(xiàn)象;艏搖的存在會明顯的衰減尾柄主臂和尾鰭攻
角的角位移。
仿生機(jī)器魚艏向擺動動力學(xué)仿真及分析.pdf
大自然是PCM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、行為和理論的源泉之一
高度智能化和大批量生產(chǎn)仍然是功能仿生學(xué)未來發(fā)展的趨勢。從本質(zhì)上講，npcm與仿生微結(jié)構(gòu)的集成是實(shí)現(xiàn)功能仿生的有效途徑，需要進(jìn)一步研究。
表2.類自然熱響應(yīng)系統(tǒng)綜述。
3.3 類似自然的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-功能關(guān)系
根據(jù)中國古代哲學(xué)，《易經(jīng)》指出，太極作為宇宙的“終極”，產(chǎn)生了陰陽模式，構(gòu)成了整個世界的基礎(chǔ)。同樣，受大自然的啟發(fā)，NPCM也可以根據(jù)其側(cè)重點(diǎn)分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料(圖14)。NPCM的結(jié)構(gòu)仿生學(xué)包括模仿干細(xì)胞、蜘蛛絲、或竹子的納米結(jié)構(gòu)，并基于納米約束效應(yīng)實(shí)現(xiàn)pcm的包封。然后，許多仿生納米約束結(jié)構(gòu)，包括核殼，縱向，和多孔結(jié)構(gòu)，被廣泛提出。同時，附著力、范德華相互作用和毛細(xì)作用在這一過程中也起著重要作用。然而，NPCM的功能仿生學(xué)側(cè)重于通過功能組件的整合實(shí)現(xiàn)仿生功能化。通過功能結(jié)構(gòu)的宏觀構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)多功能集成。結(jié)構(gòu)仿生學(xué)和功能仿生學(xué)的結(jié)合是開發(fā)下一代NPCM的有效途徑。受半邊蓮(Lobelia telekii)的結(jié)構(gòu)和不凍結(jié)特性的啟發(fā)，He小組報道了通過微觀結(jié)構(gòu)限制和宏觀功能集成具有太陽能防冰功能的新型NPCM。此外，選擇合適的支撐材料可以事半功倍。得益于易于接枝和MXenes光熱特性，Tang團(tuán)隊(duì)報道了一種具有仿生三明治結(jié)構(gòu)的新型NPCM，它具有優(yōu)越的光熱存儲能力。同時，陰和陽是彼此產(chǎn)生的。這類似于NPCM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能之間的關(guān)系，兩者之間有著千絲萬縷的聯(lián)系和相互補(bǔ)充。值得注意的是，結(jié)構(gòu)與功能的整合是NPCM研究的前沿。一個成功的仿生系統(tǒng)不僅需要結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一，還需要部分與整體的協(xié)調(diào)。因此，研究NPCM仿生結(jié)構(gòu)-功能集成具有重要的科學(xué)意義，在人體運(yùn)動、醫(yī)學(xué)、智能熱管理設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
展開 大自然是PCM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、行為和理論的源泉之一
高度智能化和大批量生產(chǎn)仍然是功能仿生學(xué)未來發(fā)展的趨勢。從本質(zhì)上講，npcm與仿生微結(jié)構(gòu)的集成是實(shí)現(xiàn)功能仿生的有效途徑，需要進(jìn)一步研究。
表2.類自然熱響應(yīng)系統(tǒng)綜述。
3.3 類似自然的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-功能關(guān)系
根據(jù)中國古代哲學(xué)，《易經(jīng)》指出，太極作為宇宙的“終極”，產(chǎn)生了陰陽模式，構(gòu)成了整個世界的基礎(chǔ)。同樣，受大自然的啟發(fā)，NPCM也可以根據(jù)其側(cè)重點(diǎn)分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料(圖14)。NPCM的結(jié)構(gòu)仿生學(xué)包括模仿干細(xì)胞、蜘蛛絲、或竹子的納米結(jié)構(gòu)，并基于納米約束效應(yīng)實(shí)現(xiàn)pcm的包封。然后，許多仿生納米約束結(jié)構(gòu)，包括核殼，縱向，和多孔結(jié)構(gòu)，被廣泛提出。同時，附著力、范德華相互作用和毛細(xì)作用在這一過程中也起著重要作用。然而，NPCM的功能仿生學(xué)側(cè)重于通過功能組件的整合實(shí)現(xiàn)仿生功能化。通過功能結(jié)構(gòu)的宏觀構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)多功能集成。結(jié)構(gòu)仿生學(xué)和功能仿生學(xué)的結(jié)合是開發(fā)下一代NPCM的有效途徑。受半邊蓮(Lobelia telekii)的結(jié)構(gòu)和不凍結(jié)特性的啟發(fā)，He小組報道了通過微觀結(jié)構(gòu)限制和宏觀功能集成具有太陽能防冰功能的新型NPCM。此外，選擇合適的支撐材料可以事半功倍。得益于易于接枝和MXenes光熱特性，Tang團(tuán)隊(duì)報道了一種具有仿生三明治結(jié)構(gòu)的新型NPCM，它具有優(yōu)越的光熱存儲能力。同時，陰和陽是彼此產(chǎn)生的。這類似于NPCM的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能之間的關(guān)系，兩者之間有著千絲萬縷的聯(lián)系和相互補(bǔ)充。值得注意的是，結(jié)構(gòu)與功能的整合是NPCM研究的前沿。一個成功的仿生系統(tǒng)不僅需要結(jié)構(gòu)與功能的統(tǒng)一，還需要部分與整體的協(xié)調(diào)。因此，研究NPCM仿生結(jié)構(gòu)-功能集成具有重要的科學(xué)意義，在人體運(yùn)動、醫(yī)學(xué)、智能熱管理設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
展開 GE研發(fā)仿生檢修機(jī)器人，新技術(shù)如何為發(fā)動機(jī)進(jìn)行“微創(chuàng)手術(shù)”？
據(jù)簡單飛行網(wǎng)站（SimpleFlying）9月10日報道稱，通用電氣集團(tuán)（GE）航空航天研究所與紐約賓漢姆頓大學(xué)合作，研發(fā)出了一款仿生檢修機(jī)器人Sensiworm，能進(jìn)入發(fā)動機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，探查潛在的安全隱患。
報道稱，這一技術(shù)為提升飛機(jī)檢測效率，縮短飛機(jī)運(yùn)行成本提供了新的可能。
GE航空發(fā)動機(jī)
01
蠕蟲機(jī)器人的仿生學(xué)原理
報道稱，Sensiworm仿生機(jī)器人自帶內(nèi)置電源和機(jī)載系統(tǒng)，通過仿生學(xué)原理可模擬尺蠖的蠕動姿態(tài)，鉆入結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部檢測故障，這樣可排查到發(fā)動機(jī)內(nèi)細(xì)微角落，不會像內(nèi)窺鏡那樣留下死角，更不必反復(fù)拆卸發(fā)動機(jī)。
靠身體蠕動前行的尺蠖。
當(dāng)Sensiworm仿生機(jī)器人進(jìn)入發(fā)動機(jī)后，其頭部安裝的攝像頭會實(shí)時反饋拍攝畫面，幫助技術(shù)人員識別零部件內(nèi)，可能出現(xiàn)的裂縫、腐蝕等問題。
而機(jī)器人周身安裝的傳感器，能嗅出氣體泄漏并測量發(fā)動機(jī)部件隔熱涂層的厚度。
Sensiworm能夠在曲面上蠕動前行。
報道稱，Sensiworm仿生機(jī)器人的能力，能夠給航空發(fā)動機(jī)來一場“微創(chuàng)手術(shù)”。
不過，目前Sensiworm僅能做到對發(fā)動機(jī)部件的檢測。研發(fā)人員未來的目標(biāo)是，在其發(fā)現(xiàn)缺陷后，能夠通過自主維修能力對部分發(fā)動機(jī)問題進(jìn)行維修。
展開 融合電子與生物學(xué)，看3D打印仿生眼背后的3D打印技術(shù)
不久前，美國明尼蘇達(dá)大學(xué)Michael McAlpine研究團(tuán)隊(duì)在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)期刊上發(fā)表了新的研究成果-3D打印仿生眼。研究團(tuán)隊(duì)通過一種復(fù)合材料3D打印機(jī)以及導(dǎo)電的油墨材料，在玻璃半球的自由曲面上制造出圖像傳感陣列。
本期，3D科學(xué)谷就與谷友一起來了解明尼蘇達(dá)大學(xué)團(tuán)隊(duì)在制造3D打印仿生眼時所使用的3D打印技術(shù)。
電子技術(shù)與生物學(xué)相融合
McAlpine研究團(tuán)隊(duì)所從事的領(lǐng)域?qū)儆趯⑸镫娮?em>學(xué)領(lǐng)域，他們通過復(fù)合材料3D打印技術(shù)，在自由曲面和基底上制造打印納米級的電子油墨。通過3D打印技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⒂性措娮釉O(shè)備與生物學(xué)相結(jié)合，制造自由幾何形狀的仿生器官，例如仿生眼、智能假肢。
明尼蘇達(dá)大學(xué)Michael McAlpine的團(tuán)隊(duì)正在研究多種3D打印材料，用于制造生物電子裝置，左邊第一張圖即為前不久發(fā)布的3D打印仿生眼。圖片來源：明尼蘇達(dá)大學(xué)。
生物體的器官、組織是柔性的、三維的，并且對溫度敏感，而通常功能電子器件是平面的、剛性的，如果通過常用技術(shù)來制造仿生電子裝置，與生物學(xué)(人體)的器官、組織的特性并不相符。
3D科學(xué)谷了解到，明尼蘇達(dá)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)解決以上問題的方式是使用3D打印技術(shù)，提供自由幾何形狀的制造。該方法解決了許多可能性：（1）使用3D打印實(shí)現(xiàn)個性化的多功能設(shè)備架構(gòu); （2）采用納米油墨作為引入各種材料功能的有利途徑; （3）3D打印一系列功能性墨水，以實(shí)現(xiàn)從生物到電子的各種材料的交織。
3D打印提供了一個多尺度平臺，可以結(jié)合功能納米級墨水，創(chuàng)建微尺度特征，并最終創(chuàng)建宏觀打印對象。
展開 天津大學(xué)仰大勇團(tuán)隊(duì)綜述：生物功能電紡納米材料——從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到生物應(yīng)用
圖17 納米纖維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在仿生學(xué)方面的應(yīng)用
A：頂部：啞鈴狀納米纖維的SEM圖像；底部：在不同時間對啞鈴狀納米纖維進(jìn)行霧收集實(shí)驗(yàn)；
B：上：疏水性銀色狗舌草葉的數(shù)碼照片；下：多孔聚苯乙烯（PS）納米纖維SEM圖像和納米纖維疏水性測試結(jié)果；
C：聚苯乙烯基微孔結(jié)構(gòu)的SEM圖像及疏水性測試結(jié)果；
D：具有多通道結(jié)構(gòu)的電紡納米材料的TEM和SEM圖像；
E：定向排列纖維培養(yǎng)的大鼠背根神經(jīng)節(jié)（DRG）生長的熒光圖像。 抗β-微管蛋白III染成綠色，細(xì)胞核染成藍(lán)色；
F：盤繞植物卷須的數(shù)碼照片（左）；使用卷曲纖維吸附原油的示意圖（右）。
【結(jié)論和展望】
該綜述總結(jié)了過去幾十年已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的電紡納米材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并繪制了“拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)周期表”，為研究者提供參考，以便選擇具有所需功能的特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和相應(yīng)制備策略。大量的工作已經(jīng)證明，電紡納米材料具有很高的潛力來解決生物學(xué)應(yīng)用中的實(shí)際問題，包括組織工程、傷口愈合、藥物/生物活性分子遞送、醫(yī)學(xué)診斷和仿生學(xué)。盡管如此，電紡納米材料的制造和應(yīng)用仍然存在挑戰(zhàn)。
1）放大化生產(chǎn)。雖然已經(jīng)有一些靜電紡絲工業(yè)產(chǎn)品，如電紡絲無紡布膜，但大多數(shù)具有特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的材料仍然僅在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模制備。因此，需要放大的制造策略來滿足應(yīng)用。
2）均質(zhì)性制備。迄今為止，制造具有高質(zhì)量的均勻電紡納米材料仍然是關(guān)鍵的挑戰(zhàn)，良好的生物學(xué)性能強(qiáng)烈依賴于材料的均質(zhì)性。
3）生物應(yīng)用實(shí)際問題。雖然電紡納米材料已被證明是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用潛在候選，但仍存在一些問題需要加以解決。例如，體內(nèi)的同種異體移植排斥反應(yīng)、納米材料使用過程中產(chǎn)生的收縮、膨脹或吸附現(xiàn)象。
4）多學(xué)科整合。目前，探索電紡技術(shù)與其他生物技術(shù)之間的深度整合還不足以滿足生物應(yīng)用的各種需求。
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蜻蜓為何是飛行界的王牌？詭異的飛行，科學(xué)家研究多年依然頭痛
從萊特兄弟的雙翼飛機(jī)到超級波音寬體機(jī)，再到21世紀(jì)的無人機(jī)，隨著近現(xiàn)代工業(yè)的急速發(fā)展，人類已經(jīng)不滿足于傳統(tǒng)機(jī)械的發(fā)明制造，仿生學(xué)逐漸成為一項(xiàng)重大的科技突破途徑。
仿生學(xué)是上世紀(jì)60年代由美國科學(xué)家提出的一種科學(xué)術(shù)語，它主要是將人類的工業(yè)技術(shù)與生物學(xué)技術(shù)結(jié)合，建造出更符合大自然規(guī)律的工業(yè)產(chǎn)品和建筑藝術(shù)。
人們從其他生物身上學(xué)習(xí)那些鬼斧神工的特長，然后發(fā)明創(chuàng)造，為人類的生活帶來便利。但是人類目前還無法做到像其他生物那樣自由自在地掌控飛翔技能和自己的“翅膀”。
大自然中可以飛行的生物有很多種，除了常見的飛禽類，還有許多昆蟲也十分擅長飛行。
它們不同于飛禽那樣龐大，身材特質(zhì)的優(yōu)勢使得它們在飛行特技界擁有穩(wěn)固的一席之地。
也因?yàn)樯聿牡谋憷鼈冿w行的方式千奇百怪，令科學(xué)家們?yōu)橹偪瘢谔剿骼コ嵴駝拥目茖W(xué)道路上泥足深陷，比如對蜻蜓的研究。
飛行特技王者——顏值與技術(shù)并存的蜻蜓
蜻蜓是大自然中十分常見的一種生物，它是無脊椎食肉昆蟲，主要捕食蚊蟲，蒼蠅等。對于人類來說，蜻蜓是一種益蟲。
蜻蜓屬于差翅亞目昆蟲，翅膀上分布有半透明網(wǎng)狀翅脈，屬于膜質(zhì)翅，前后兩對翅膀幾乎等長，并且普遍細(xì)窄。
蜻蜓的翅膀震動頻率達(dá)到每秒鐘十幾次，蜻蜓能在很小的推力下快速起飛翱翔，飛行中可以隨時且任意改變方向，這讓科學(xué)家不禁為之好奇，是什么樣的飛行動力導(dǎo)致蜻蜓在空中如此靈巧？
研究發(fā)現(xiàn)，蜻蜓飛行主要是由于翅膀的震動產(chǎn)生渦流而抬升軀體。
如果說飛行靈巧的秘訣是因?yàn)槌岚蛘饎拥念l率很高的話，那么蜂鳥的震動頻率為每秒鐘50次，它應(yīng)該是飛行界當(dāng)之無愧的王者。
但是蜂鳥的飛行方式又與蜻蜓完全不相同，翅膀的震動頻率與飛行技能縱然息息相關(guān)，但是想要成為真正頂尖的飛行王者，還有許多其他技能需要掌握。
展開 《黑鏡》中的殺人蜜蜂無人機(jī)，離我們不遠(yuǎn)了！
還記得《黑鏡》第三季中
那些仿生蜜蜂的超小無人機(jī)么？
它們既是生物蜜蜂的替代品
又是監(jiān)控器
最后
還是瘋狂的殺人利器...
但你造嗎？？雖然《黑鏡》只是一部科幻劇，但在現(xiàn)實(shí)中，蜜蜂無人機(jī)也早已開始變成現(xiàn)實(shí)！
來自哈佛大學(xué)的研究學(xué)者們經(jīng)過不斷地嘗試，成功研發(fā)出一款名為RoboBees的機(jī)器人！
RoboBees已被研發(fā)了20年，是飛行昆蟲的首個實(shí)用模型。其重量僅有86毫克，比普通定義中的小型飛行器還要小，甚至比一只真的蜜蜂還要輕。
別看這個蜜蜂形狀的微型飛行器機(jī)器人很小，卻五臟俱全，它不僅安裝有一個微型計(jì)算機(jī)“大腦”和一個既小又輕、足以將它帶上高空的電池組，還有著傳感器觸角和多條腿～
RoboBees的設(shè)計(jì)靈感來自蒼蠅仿生學(xué)。它擁有極薄的翅膀和由壓電致動器制成的“飛行肌肉”，一對飛行時嗡嗡作響的翅膀被固定在了細(xì)長碳纖維軀干的頂部。
利用仿生學(xué)原理，RoboBees能像蜜蜂一樣利用高頻震動的雙翼進(jìn)行短距離飛行，每秒鐘拍打120次。
和真正的蒼蠅一樣，這些翅膀可獨(dú)立活動、旋轉(zhuǎn)和拍打。拍打翅膀產(chǎn)生向下氣流，使蜜蜂機(jī)器人升到空中，其向前和向后飛行是靠傾斜身體完成的。
展開 “仿生飛魚無人機(jī)”飛上天
最終，研制團(tuán)隊(duì)通過對飛魚的氣動外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和仿生學(xué)設(shè)計(jì)，獲得了具有優(yōu)異氣動外形的無人機(jī)。完成后的飛魚無人機(jī)翼展1.5米、身長1.8米，后三點(diǎn)起落架布局，安裝了雙葉高效率螺旋槳，由一枚大功率電機(jī)和6S鋰電池提供動力。
試飛定在上海松山區(qū)佘山附近的玄風(fēng)航空飛行基地進(jìn)行。該飛行基地是上海地區(qū)官方指定的試飛點(diǎn)，擁有一條200米的跑道，以及一片寬闊的空域，完全滿足試飛需求。
試飛現(xiàn)場，在緊張的試飛準(zhǔn)備工作與調(diào)試完成后，隨著一聲令下，飛機(jī)啟動、滑跑、加速，最終一躍而起。無人機(jī)經(jīng)過空中兩圈的巡航后，平穩(wěn)緩慢地降落。在短暫的試飛中，無人機(jī)橫側(cè)、掉頭，表現(xiàn)得十分靈活，最終安然落地。
“研制仿生飛魚無人機(jī)，并讓其飛上藍(lán)天，是一件激動人心的事。這項(xiàng)工作展示了仿生飛行學(xué)的神奇魅力，對于人類發(fā)展和設(shè)計(jì)新型飛行器有重要價值。”沈海軍表示。
<完>
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北京國際無人機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)博覽會UAS EXPO CHINA為每年舉辦一屆，先后得到了廣大主流無人機(jī)系統(tǒng)科研生產(chǎn)單位的積極參與，產(chǎn)生了巨大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)過多年的歷練發(fā)展已成為我國無人機(jī)領(lǐng)域公認(rèn)的重要交流平臺。2021北京國際無人機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)博覽會將于7月9日-11日在北京亦創(chuàng)國際會展中心再度榮耀亮相，是集學(xué)術(shù)交流、展覽展示、商業(yè)洽談、飛行表演、模擬體驗(yàn)于一體的高檔次、大規(guī)模、較權(quán)威的綜合性專業(yè)活動，對于推動國內(nèi)無人機(jī)科技創(chuàng)新、加強(qiáng)國際間的交流與合作、促進(jìn)航空航天和無人機(jī)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展將發(fā)揮重要的橋梁作用。
展開 故障診斷的類比
從仿生學(xué)的角度看，診斷設(shè)備的故障診斷類似于確定人的病因：醫(yī)生需要向患者詢問病情、病史、切脈(聽診)以及量體溫、測血相、測心電圖等，根據(jù)獲得的多種數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合分析才能得出診斷結(jié)果，提出治療方案。同樣，對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷，也應(yīng)在獲取機(jī)器的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)、瞬態(tài)數(shù)據(jù)以及過程參數(shù)和運(yùn)行狀態(tài)等信息的基礎(chǔ)上，通過信號分析和數(shù)據(jù)處理提取機(jī)器特有的故障征兆及故障敏感參數(shù)等，通過綜合分析判斷，才能確定故障原因，做出符合實(shí)際的診斷結(jié)論，提出治理措施。
