創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂, 是國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力。一個(gè)國(guó)家的創(chuàng)新能力決定了它在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)和世界總格局中的地位, 因此, 我國(guó)正在為創(chuàng)建一個(gè)國(guó)家創(chuàng)新體系而努力。國(guó)家創(chuàng)新體系包括知識(shí)創(chuàng)新系統(tǒng)、技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)、知識(shí)傳播系統(tǒng)和知識(shí)應(yīng)用系統(tǒng)。其中, 知識(shí)創(chuàng)新系統(tǒng)的核心部分是國(guó)家科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和研究型的大學(xué); 技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的核心部分是企業(yè); 知識(shí)傳播系統(tǒng)的核心部分是高等教育系統(tǒng)以及職業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng); 知識(shí)應(yīng)用系統(tǒng)的主體則是企業(yè)和社會(huì), 主要是知識(shí)和技術(shù)的應(yīng)用。
仿生學(xué)則是通往創(chuàng)新的重要途徑, 為人類(lèi)的創(chuàng)新活動(dòng)提供創(chuàng)新思維的靈感和方法,已經(jīng)為科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。
在全人類(lèi)的文明史中, 我國(guó)最早涉及仿生學(xué)的應(yīng)用。我們的漢字就是典型的仿生結(jié)果。漢字是象形文字, 其實(shí)就是模仿生物界各種形狀的文字, 經(jīng)過(guò)多年的演化, 形成了現(xiàn)在的漢字。因此, 中國(guó)人很早就留下了模仿自然界植物與動(dòng)物特征的痕跡。我們的祖先巢氏模仿鳥(niǎo)類(lèi)在樹(shù)上筑巢, 以躲避兇猛動(dòng)物的攻擊; 相傳在春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期的魯班借鑒草葉的齒形邊緣, 制造出木鋸, 推動(dòng)了木材加工及木質(zhì)建筑的發(fā)展; 據(jù)《韓非子》記載, 魯班曾用竹木作鳥(niǎo)“ 成而飛之, 三日不下” 。古人通過(guò)對(duì)水中魚(yú)類(lèi)的觀察與模仿,伐木鑿船, 做成魚(yú)形的船體, 仿照魚(yú)的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓, 由此實(shí)現(xiàn)了水上自由航行, 促進(jìn)了水上交通的發(fā)展; 我國(guó)河北省的趙州橋和西北地區(qū)的窯洞, 采用了承受外力很強(qiáng)的拱形設(shè)計(jì), 這些都是典型的仿生學(xué)的具體應(yīng)用。但人類(lèi)早期的仿生研究是在長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)中進(jìn)行的, 沒(méi)有形成仿生學(xué)的基本理論與方法。
仿生學(xué)正式誕生于1960 年9 月, 在美國(guó)俄亥俄州的戴頓召開(kāi)的第一次世界仿生學(xué)會(huì)議中, 美國(guó)的生物學(xué)家J. E. 斯梯爾把仿生學(xué)定義為“ 模仿生物原理來(lái)建造技術(shù)系統(tǒng),或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或類(lèi)似于生物特征的科學(xué)” , 并將這一新興的科學(xué)命名為“ Bionics”
。1963 年, 我國(guó)學(xué)者將“ Bionics” 譯為“ 仿生學(xué)” 。通過(guò)研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和性能機(jī)理, 并將這些機(jī)理移植于工程技術(shù)之中, 發(fā)明性能更加優(yōu)越的儀器、裝置或機(jī)器, 創(chuàng)造新技術(shù), 是研究仿生學(xué)的主要目的。
隨著生物科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展, 其他科學(xué)技術(shù)學(xué)科的科技人員逐漸發(fā)現(xiàn)了模仿自然界的生物可以提供許多更好的設(shè)計(jì)思想并能解決許多技術(shù)問(wèn)題, 因此在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上, 分別在機(jī)械工程領(lǐng)域、建筑工程領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、化學(xué)工程領(lǐng)域、電子工程領(lǐng)域、材料工程領(lǐng)域、信息工程領(lǐng)域、控制領(lǐng)域等許多學(xué)科開(kāi)展了仿生的研究, 促進(jìn)了仿生學(xué)的迅速發(fā)展和與其他學(xué)科的交叉、滲透與融合, 并形成了許多分支, 仿生學(xué)已經(jīng)成為推動(dòng)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力和連接生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間的橋梁。
作為一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科, 仿生學(xué)就是模仿生物的科學(xué)。從生物學(xué)的角度來(lái)說(shuō), 仿生學(xué)屬于“ 應(yīng)用生物學(xué)” 的一個(gè)分支; 從工程技術(shù)方面來(lái)看, 仿生學(xué)根據(jù)對(duì)生物系統(tǒng)的研究, 為設(shè)計(jì)和建造新的技術(shù)設(shè)備提供了新原理、新方法和新途徑。進(jìn)入21 世紀(jì)后, 仿　Ⅳ 仿生機(jī)械學(xué)生學(xué)取得了快速發(fā)展, 并形成了許多分支, 如仿生化學(xué)、仿生電子學(xué)、仿生機(jī)械學(xué)、仿生建筑學(xué)、仿生信息學(xué)、仿生昆蟲(chóng)學(xué)、仿生材料學(xué)、仿生醫(yī)學(xué)等。其中, 發(fā)展最迅速、影響力最大、應(yīng)用最廣泛的是仿生機(jī)械學(xué), 如仿生機(jī)器人已經(jīng)成為世人皆知的智能化仿生機(jī)械。
為了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與時(shí)俱進(jìn), 很多高等工科學(xué)校的本科生或研究生都開(kāi)設(shè)了仿生機(jī)械學(xué)的課程, 有些大學(xué)還將仿生機(jī)械學(xué)列入學(xué)科研究方向, 各種具體的仿生機(jī)器人的研究論文涉及面非常廣泛, 研究仿生學(xué)的學(xué)校和教師也非常多。但是, 反映仿生機(jī)械學(xué)內(nèi)容的相關(guān)書(shū)籍卻很少, 更缺少相應(yīng)的教科書(shū)。主要原因是仿生機(jī)械學(xué)是21 世紀(jì)新興的學(xué)科, 對(duì)該學(xué)科還沒(méi)有形成廣泛的共識(shí)。另外, 仿生機(jī)械學(xué)涉及生物學(xué)、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、建筑學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、信息與控制學(xué)等多學(xué)科的知識(shí), 編寫(xiě)覆蓋這樣龐大知識(shí)體系的教材難度很大, 且編寫(xiě)體系與內(nèi)容的選擇也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn), 存在很大的難度。
考慮到社會(huì)的需求以及我們?cè)趶氖路律鷮W(xué)、生物力學(xué)和機(jī)械學(xué)領(lǐng)域中的科研與教學(xué)經(jīng)歷, 我們決定嘗試編寫(xiě)“ 仿生機(jī)械學(xué)” 。
1. 編寫(xiě)指導(dǎo)思想系統(tǒng)性、知識(shí)性、趣味性、新穎性、科普性和應(yīng)用性相結(jié)合是編寫(xiě)本書(shū)的指導(dǎo)思想。在格式上力求圖文并茂。
(1) 系統(tǒng)性　本書(shū)力求從生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、仿生學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)到各種仿生機(jī)械的設(shè)計(jì)與分析, 形成一個(gè)完整的仿生機(jī)械學(xué)的新體系。
(2) 知識(shí)性　本書(shū)第一篇從生物進(jìn)化、植物分類(lèi)及其運(yùn)動(dòng)特性, 動(dòng)物分類(lèi)及其運(yùn)動(dòng)特性開(kāi)始, 闡述人類(lèi)模仿這些動(dòng)植物特性對(duì)人類(lèi)社會(huì)的貢獻(xiàn), 進(jìn)而論述仿生學(xué)科的誕生以及仿生學(xué)的分類(lèi), 使讀者得到一個(gè)完整的仿生學(xué)和仿生機(jī)械學(xué)的基本概念。第二篇的內(nèi)容為學(xué)習(xí)仿生機(jī)械學(xué)打下基礎(chǔ), 主要介紹機(jī)械學(xué)的基本知識(shí): 為了把待模仿動(dòng)物的肢體結(jié)構(gòu)用機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖來(lái)描述, 就必須首先學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制, 這一過(guò)程是把動(dòng)物肢體結(jié)構(gòu)機(jī)械化的過(guò)程, 是學(xué)習(xí)仿生機(jī)械的根本。為模仿動(dòng)物的運(yùn)動(dòng), 必須對(duì)仿生機(jī)械的肢體實(shí)施控制, 而計(jì)算機(jī)構(gòu)自由度則是控制仿生機(jī)械協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的依據(jù); 此外,還要學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析和受力分析, 全面了解仿生機(jī)械的運(yùn)動(dòng)特性和力學(xué)特性, 這是仿生機(jī)械能否實(shí)用的基本標(biāo)準(zhǔn)。第三篇?jiǎng)t介紹具體的仿生機(jī)械的設(shè)計(jì)與分析, 如模仿陸地上的步行動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)、爬行動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)以及跳躍動(dòng)物的運(yùn)動(dòng), 模仿天上飛的鳥(niǎo)類(lèi)以及昆蟲(chóng)類(lèi)的飛行運(yùn)動(dòng)、模仿水中游動(dòng)動(dòng)物的運(yùn)動(dòng), 形成從陸地動(dòng)物、海洋動(dòng)物到空中飛行動(dòng)物的完整的仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析內(nèi)容。最后, 結(jié)合人體結(jié)構(gòu)與損傷修復(fù), 介紹模仿人體關(guān)節(jié)、上肢與下肢的設(shè)計(jì)機(jī)理與方法, 完善仿生機(jī)械學(xué)的內(nèi)容。全書(shū)不僅自成系統(tǒng),還特別突出、加強(qiáng)了知識(shí)性?xún)?nèi)容。
(3) 趣味性　為了突出趣味性, 本書(shū)在知識(shí)性的基礎(chǔ)上, 加強(qiáng)了具有科普性的趣味內(nèi)容。比如, 動(dòng)物按其運(yùn)動(dòng)形態(tài)分為步行動(dòng)物、有腿爬行動(dòng)物和走行動(dòng)物, 它們之間的異同點(diǎn)在哪里? 如何區(qū)別它們的運(yùn)動(dòng)差別呢? 本書(shū)給予詳細(xì)說(shuō)明。走行動(dòng)物是指步行肢向下垂直于動(dòng)物身體, 如馬、牛、羊等, 它們是依靠四肢支承體重的, 它們的邁步稱(chēng)為走行, 如同人類(lèi)的行走一樣。有腿爬行動(dòng)物的肢體由身體兩側(cè)向外伸出。如鱷魚(yú)、蜥蜴、螞蟻等動(dòng)物, 由于它們的腿向身體外側(cè)伸出, 不能長(zhǎng)期支承其體重, 邁步時(shí)只能肚前　　言Ⅴ　皮著地, 分擔(dān)腿部的承受力, 故稱(chēng)為爬行動(dòng)物。這類(lèi)爬行動(dòng)物和前述走行動(dòng)物都是依靠腿的邁步實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的, 故統(tǒng)稱(chēng)為步行動(dòng)物。爬行動(dòng)物又分為三類(lèi): 有腿爬行動(dòng)物( 蜥蜴等) 、有足爬行動(dòng)物( 尺蠖等) 和無(wú)足爬行動(dòng)物( 蛇類(lèi)等) , 對(duì)它們的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行分析, 具有知識(shí)性和趣味性。又比如, 國(guó)外文獻(xiàn)記載人體有206 塊骨骼, 中國(guó)研究人員發(fā)現(xiàn)中國(guó)人只有204 塊骨骼, 差異在何處呢? 經(jīng)過(guò)大量反復(fù)研究, 發(fā)現(xiàn)中國(guó)人的小腳趾骨有兩個(gè)關(guān)節(jié), 而歐美人有3 個(gè)關(guān)節(jié), 正好相差兩塊骨骼。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)日本人與中國(guó)人一樣, 同樣有204 塊骨骼。又如本書(shū)中提到的仿生學(xué)遐想中人類(lèi)冬眠問(wèn)題, 既是遐想, 但又具有前瞻性和趣味性�？傊�, 本書(shū)的趣味性?xún)?nèi)容與知識(shí)性、科學(xué)性?xún)?nèi)容相結(jié)合, 但又與課程內(nèi)容密切相關(guān), 增強(qiáng)了本書(shū)的可讀性。
(4) 新穎性　仿生機(jī)械學(xué)的內(nèi)容極其復(fù)雜, 涉及植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、仿生學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、控制理論、信息科學(xué)等大量一級(jí)學(xué)科的交叉知識(shí), 且找不到類(lèi)似文獻(xiàn), 如何編排本書(shū)的體系與內(nèi)容, 成為最大挑戰(zhàn)。本書(shū)提出了生物學(xué)基礎(chǔ)、機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)和仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析的總體結(jié)構(gòu)體系; 具體內(nèi)容包括植物及其運(yùn)動(dòng)特性, 動(dòng)物及其運(yùn)動(dòng)特性, 模仿動(dòng)植物結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)的仿生學(xué), 動(dòng)物的結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)的機(jī)械化描述以及運(yùn)動(dòng)自由度的計(jì)算, 肢體運(yùn)動(dòng)分析與受力分析, 模仿地上跑的、天上飛的、水里游的仿生機(jī)械設(shè)計(jì)等。
從內(nèi)容和體系都比較新穎完整, 是我國(guó)第一部全面介紹仿生機(jī)械學(xué)的書(shū)籍。
本書(shū)除介紹國(guó)內(nèi)外的最新研究進(jìn)展外, 還介紹了作者的觀點(diǎn)與研究成果, 如提出了主動(dòng)關(guān)節(jié)和被動(dòng)關(guān)節(jié)的概念。機(jī)器人手臂關(guān)節(jié)需要關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng), 稱(chēng)為主動(dòng)關(guān)節(jié); 而人類(lèi)肢體上的仿生人工關(guān)節(jié), 則稱(chēng)為被動(dòng)關(guān)節(jié)。這是因?yàn)樵擃?lèi)人工關(guān)節(jié)由肌肉驅(qū)動(dòng), 所以和主動(dòng)關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)有很大的不同。如肩關(guān)節(jié)是3 個(gè)自由度的球面副, 在主動(dòng)關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)中, 就不能采用3 個(gè)自由度的球面副, 或采用1 個(gè)單自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)副, 或采用2 個(gè)單自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)副組合代替, 其原因是很難控制球面副的3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)。但是, 在被動(dòng)肩關(guān)節(jié)中, 就必須采用3 個(gè)自由度的球面副, 因?yàn)閺募珉喂堑诫殴侵�間由肌肉群驅(qū)動(dòng)。鑒于上述原因, 在主動(dòng)球面關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)中, 本書(shū)采用3 個(gè)自由度的空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)代替肩關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)的球面副; 在仿生機(jī)械魚(yú)的魚(yú)鰭設(shè)計(jì)中, 大都采用單自由度擺動(dòng)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu), 本書(shū)提出了逼真的模仿魚(yú)鰭運(yùn)動(dòng)的2 個(gè)擺動(dòng)副組合設(shè)計(jì)方案。
(5) 科普性　本書(shū)略去了仿生機(jī)械的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、傳感系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制算法等比較復(fù)雜的課程內(nèi)容, 保留了動(dòng)物運(yùn)動(dòng)形態(tài)的機(jī)械化描述以及運(yùn)動(dòng)分析與設(shè)計(jì)等仿生機(jī)械學(xué)的基本內(nèi)容, 內(nèi)容編排涉及面寬, 具有很好的仿生機(jī)械學(xué)的科學(xué)普及性, 很多人都能看懂, 也具有可讀性。
(6) 應(yīng)用性　學(xué)習(xí)就是為了用。本書(shū)突出各類(lèi)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)特征的仿生設(shè)計(jì), 并給出相應(yīng)的仿生設(shè)計(jì)實(shí)例, 以適合仿生機(jī)械學(xué)的研究?jī)?nèi)容和具體的實(shí)際應(yīng)用。
2. 體系與內(nèi)容仿生機(jī)械學(xué)涉及仿生學(xué)和機(jī)械學(xué), 而仿生學(xué)又涉及生物學(xué)、植物學(xué)及動(dòng)物學(xué)。因此, 本書(shū)的體系是在介紹生物學(xué)、植物學(xué)以及動(dòng)物學(xué)的基礎(chǔ)上, 再介紹仿生學(xué)基礎(chǔ)知識(shí), 然后介紹機(jī)械學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí), 最后介紹仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析。形成生物學(xué)、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、仿生學(xué)、機(jī)械學(xué)和仿生機(jī)械學(xué)的體系。
本書(shū)內(nèi)容除去緒論外, 分為三篇, 第一篇為仿生學(xué)綜述, 主要介紹仿生學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí), 包括生物分類(lèi)與進(jìn)化, 植物及其運(yùn)動(dòng)特性、動(dòng)物及其運(yùn)動(dòng)特性; 介紹仿生學(xué)的基本�、� 仿生機(jī)械學(xué)概念及分類(lèi), 包括電子仿生、信息與控制仿生、機(jī)械仿生、化學(xué)仿生、建筑仿生、醫(yī)學(xué)仿生以及生物界的奇特現(xiàn)象與仿生等內(nèi)容。本篇內(nèi)容主要體現(xiàn)知識(shí)的科普性和趣味性。
第二篇為機(jī)械學(xué)基礎(chǔ), 主要介紹機(jī)械的基本知識(shí)、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖的繪制、機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算、自由度與控制、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、機(jī)構(gòu)受力分析以及機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方法等內(nèi)容, 其目的是把動(dòng)物結(jié)構(gòu)用機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖來(lái)表示, 然后計(jì)算其自由度, 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力分析, 把動(dòng)物結(jié)構(gòu)機(jī)械化, 用機(jī)械學(xué)的知識(shí)解決動(dòng)物的組成與運(yùn)動(dòng)等問(wèn)題。本篇內(nèi)容主要說(shuō)明仿生學(xué)向仿生機(jī)械學(xué)過(guò)渡中的基本知識(shí)。第三篇為仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析, 主要介紹模仿動(dòng)物步行的仿生機(jī)械步態(tài)分析、腿部結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)、步行的穩(wěn)定性等; 介紹模仿動(dòng)物爬行的仿生機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理及其設(shè)計(jì)、模仿鳥(niǎo)類(lèi)及昆蟲(chóng)飛行的仿生機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理及其設(shè)計(jì); 介紹模仿魚(yú)類(lèi)和其他動(dòng)物在水中游動(dòng)的仿生機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理及其設(shè)計(jì); 介紹仿生機(jī)械關(guān)節(jié)以及仿生機(jī)械假肢的設(shè)計(jì)與分析等。本篇內(nèi)容是本書(shū)的重點(diǎn)內(nèi)容, 涉及各類(lèi)仿生機(jī)械的設(shè)計(jì)與分析。
3. 一些說(shuō)明1) 本書(shū)在介紹生物學(xué)、植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)的基本知識(shí)時(shí), 沒(méi)有嚴(yán)格按照它們的分類(lèi)進(jìn)行說(shuō)明, 而是按照與仿生學(xué)相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行大幅度的簡(jiǎn)化與歸納, 為介紹仿生學(xué)綜述奠定基礎(chǔ)。例如: 本書(shū)中的爬行動(dòng)物就沒(méi)有按照動(dòng)物學(xué)的分類(lèi)去討論, 而是按照腿足特性將爬行動(dòng)物分為三類(lèi): 有腿爬行動(dòng)物( 蜥蜴、鱷魚(yú)等具有典型的關(guān)節(jié)腿) 、有足類(lèi)爬行動(dòng)物( 尺蠖等蝶蛾幼蟲(chóng), 沒(méi)有典型的關(guān)節(jié)腿, 只有露出體外的足) 和無(wú)足類(lèi)爬行動(dòng)物( 蛇、蚯蚓等, 沒(méi)有腿和足) , 有足類(lèi)爬行動(dòng)物是作者的命名, 是否適合動(dòng)物學(xué)家的分類(lèi)尚不得而知, 但這樣的分類(lèi)法從仿生機(jī)械學(xué)的觀點(diǎn)看是清楚的。
2) 在介紹機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)時(shí), 重點(diǎn)突出動(dòng)物結(jié)構(gòu)的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖的繪制, 自由度的計(jì)算, 按機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析、受力分析, 以及機(jī)構(gòu)的尺度設(shè)計(jì)等內(nèi)容, 為生物體的機(jī)械設(shè)計(jì)奠定理論與方法基礎(chǔ)。由于仿生機(jī)械的運(yùn)動(dòng)主要是依靠連桿機(jī)構(gòu)完成的, 所以連桿機(jī)構(gòu)( 含閉鏈和開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)) 是機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)的主體內(nèi)容。
3) 第三篇仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析是本書(shū)的重點(diǎn)內(nèi)容, 主要是模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿生設(shè)計(jì), 如各類(lèi)動(dòng)物的陸地步行、爬行、空中飛行、水中游動(dòng)的仿生設(shè)計(jì)及相應(yīng)的仿生機(jī)械。
4) 仿生研究不能照搬生物原型, 主要是從中吸取設(shè)計(jì)思想和創(chuàng)新靈感, 否則會(huì)走彎路。如撲翼結(jié)構(gòu)的飛行器永遠(yuǎn)不如固定翼飛行器飛得快、飛得高、飛得遠(yuǎn)。因此, 本書(shū)在用機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖描述動(dòng)物形體結(jié)構(gòu)時(shí), 往往進(jìn)行適度簡(jiǎn)化, 以簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)和便于進(jìn)行控制。這是人類(lèi)在進(jìn)行仿生研究中得到的寶貴經(jīng)驗(yàn)。
5) 生物種類(lèi)繁多, 對(duì)應(yīng)的仿生機(jī)械種類(lèi)很多, 本書(shū)不能面面俱到, 只能涉及典型動(dòng)物的仿生設(shè)計(jì)及其仿生裝置。
6) 關(guān)于仿生學(xué)中的一些名詞, 本書(shū)給予了一定的說(shuō)明。由于仿生學(xué)是一門(mén)新興學(xué)科, 涉及的內(nèi)容極其廣泛, 故有很多詞語(yǔ)的表達(dá)有很多的不同論述, 容易引起誤解。如力學(xué)仿生與仿生力學(xué)、醫(yī)學(xué)仿生與仿生醫(yī)學(xué)、電子仿生與仿生電子學(xué)、建筑仿生與仿生建筑學(xué)、機(jī)械仿生與仿生機(jī)械學(xué)等許多用語(yǔ)大都是混用的, 極易引起誤解。仿生機(jī)械與機(jī)械仿生也是混用的詞匯, 本書(shū)對(duì)這些術(shù)語(yǔ)做了界定, 說(shuō)明這些提法是有區(qū)別的。
7) 本書(shū)在緒論中增加了仿生學(xué)遐想, 雖然只是一點(diǎn)點(diǎn)遐想, 但遐想有助于創(chuàng)新思前　　言Ⅶ　維的培養(yǎng)與提高。這里提出遐想的目的僅僅是為了啟發(fā)讀者, 不是空想, 而是通往創(chuàng)新之路的途徑。
8) 仿生機(jī)械學(xué)包含的知識(shí)面極其廣泛, 從植物學(xué)、動(dòng)物學(xué)、生物學(xué)、仿生學(xué)、力學(xué), 再到機(jī)械學(xué), 很難把一些從表面上看去互不相關(guān)的內(nèi)容融合在一起, 從而形成一個(gè)完整的仿生機(jī)械學(xué)新體系。雖然很多學(xué)校開(kāi)設(shè)了仿生機(jī)械學(xué)課程, 但沒(méi)有教材, 只有個(gè)別的電子課件。各個(gè)課件內(nèi)容都圍繞某一具體的仿生機(jī)械進(jìn)行討論, 各說(shuō)各話(huà), 難以發(fā)現(xiàn)它們的體系與普適內(nèi)容。編者思考良久后, 擬訂出本書(shū)的編寫(xiě)體系。確定編寫(xiě)體系后, 又遇到內(nèi)容的編排問(wèn)題, 如嚴(yán)格按照植物學(xué)和動(dòng)物學(xué)介紹它們的組成與分類(lèi), 則對(duì)于非生物專(zhuān)業(yè)的人員來(lái)講, 過(guò)于煩瑣和專(zhuān)業(yè), 一般不易看懂。所以本書(shū)將這些內(nèi)容按照仿生機(jī)械學(xué)認(rèn)知規(guī)律進(jìn)行改編。同樣的道理, 對(duì)機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)也進(jìn)行了簡(jiǎn)化, 以適合非機(jī)械專(zhuān)業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)。
9) 本書(shū)的編寫(xiě)過(guò)程是編者邊寫(xiě)作、邊學(xué)習(xí)、邊研究、邊提高的過(guò)程。在編寫(xiě)過(guò)程中, 編者也明白了以前許多不明白、不清楚的地方。譬如說(shuō), 吃了多年的鯉魚(yú), 竟然不知道有多少魚(yú)鰭! 哪里是偶鰭? 哪里是奇鰭? 為何魚(yú)尾附近的肉好吃? 原來(lái)魚(yú)的游動(dòng)主要擺動(dòng)身體的后1/ 3 的部分, 當(dāng)然肌肉發(fā)達(dá)就好吃。又例如, 鳥(niǎo)類(lèi)上下扇動(dòng)翅膀則可前進(jìn)飛行, 而蜻蜓類(lèi)的昆蟲(chóng)上下扇動(dòng)翅膀則不能向前飛行, 通過(guò)學(xué)習(xí)空氣動(dòng)力學(xué)才弄清楚。為了弄清楚魚(yú)類(lèi)擺動(dòng)尾鰭引起的反卡門(mén)渦街現(xiàn)象, 需要研究流體力學(xué)的基本知識(shí)。
這樣類(lèi)似邊學(xué)習(xí)、邊研究、邊提高的例子很多, 編者在書(shū)中都有論述。
10) 在仿生機(jī)械設(shè)計(jì)與分析的內(nèi)容中, 有些內(nèi)容是團(tuán)隊(duì)的研究與探索對(duì)象, 僅供參考。
參加本書(shū)編寫(xiě)的有: 張春林( 前言、緒論、第三章、第四章) 、張穎( 第一章、第二章) 、趙自強(qiáng)( 第五章、第六章、第七章) 、司麗娜( 第八章、第九章) 、趙嘉珩( 第十章) 。全書(shū)由張春林和趙自強(qiáng)任主編并負(fù)責(zé)統(tǒng)稿。
機(jī)械工業(yè)出版社為本書(shū)的構(gòu)思、編寫(xiě)以及出版提供了大力幫助與支持, 在此表示感謝。
總之, 由于編寫(xiě)難度大、編寫(xiě)時(shí)間長(zhǎng), 且涉及多學(xué)科知識(shí)的融合, 加之編者水平有限, 難免存在錯(cuò)誤、疏漏之處, 敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。
編　者