仿生制造

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仿生制造(Bionic Manufacturing)

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仿生制造概述

  模仿生物的组织结构和运行模式的制造系统与制造过程称为“仿生制造”它通过模拟生物器官的自组织、自愈、自增长与自进化等功能,以迅速响应市场需求并保护自然环境。

  制造过程与生命过程有很强的相似性。生物体能够通过诸如自我识别、自我发展、自我恢复和进化等功能使自己适应环境的变化来维持自己的生命并得以发展和完善。生物体的上述功能是通过传递两种生物信息来实现的:一种为DNA类型信息,即基因信息,它是通过代与代的继承和进化而先天得到的;另一种是BN类型信 息,是个体在后天通过学习获得的信息。这两种生物信息协调统一使生物体能够适应复杂的和动态的生存环境。生物的细胞分裂、个体的发育和种群的繁殖,涉及遗传信息的复制、转录和解释等一系列复杂的过程,这个过程的实质在于按照生物的信息模型准确无误地复制出生物个体来。这与人类的制造过程中按数控程序加工零件或按产品模型制造产品非常相似。制造过程中的几乎每一个要素或概念都可以在生命现象中找到它的对应物。

  就制造系统而言,现在已越来越趋向于大规模、复杂化、动态及高度非线性化。因此,在生命科学的基础研究成果中选取富含对工程技术有启发作用的内容,将这些 研究成果同制造科学结合起来,建立新的制造模式和研究新的仿生加工方法,将为制造科学提供新的研究课题并丰富制造科学的内涵。此外,进行与仿生机械相关的生物力学原理研究,将昆虫运动仿生研究与微系统的研究相结合,并开发出新型智能仿生机械和结构,将在军事、生物医学工程和人工康复等方面有重要的应用前景。

仿生制造研究内容

面向生命的仿生制造

  研究生命现象的一般规律和模型,例如人工生命、细胞自动机、生物的信息处理技巧、生物智能、生物型的组织结构和运行模式以及生物的进化和趋优机制等。

面向制造的仿生制造

  研究仿生制造系统的自组织机制与方法,例如:基于充分信息共享的仿生设计原理,基于多自律单元协同的分布式控制和基于进化机制的寻优策略;研究仿生制造的概念体系及其基础,例如:仿生空间的形式化描述及其信息映射关系,仿生系统及其演化过程的复杂度计量方法。机械仿生与仿生制造是机械科学与生命科学、信息科学、材料科学等学科的高度融合,其研究内容包括生长成形工艺、仿生设计和制造系统、智能仿生机械和生物成形 制造等。目前所做的研究工作大多属前沿探索性的工作,具有鲜明的基础研究的特点,如果抓住机遇研究下去,将可能产生革命性的突破。今后应关注的研究领域有生物加工技术、仿生制造系统、基于快速原型制造技术的组织工程学,以及与生物工程相关的关键技术基础等。

  • 自生长成形工艺,即在制造过程中模仿生物外形结构的生长过程,使零件结构最外层各处形状随其应力值与理想状态的差距作自适应伸缩直至满意状态为止;又如,将组织工程材料与快速成形制造相结合,制造生长单元的框架,在生长单元内部注入生长因子,使各生长单元并行生长,以解决与人体的相容性和与个体的适配 性及快速生成的需求,实现人体器官的人工制造。
  • 仿生设计和仿生制造系统,即对先进制造系统采用生物比喻的方法进行研究,以解决先进制造系统中的一些关键技术问题。
  • 智能仿生机械。
  • 生物成形制造,如采用生物的方法制造微小复杂零件,开辟制造新工艺。

  仿生制造为人类制造开辟了一个新的广阔领域。人们在"仿生制造"中不仅是师法大自然,而且是开始学习与借鉴他们自身内秉的组织方式与运行模式。如果说制造 过程的机械化、自动化延伸了人类的体力,智能化延伸了人类的智力,那么,"仿生制造"则是延伸人类自身的组织结构和进化过程。

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