关于向大自然学习去解决机械工程问题的一些思考

摘要：机械设计制造的手段和方法也不断更新和升级，许多新理论和新技术不断向机械设计领域移植和渗透，其中仿生学的发展为机械设计提供了更广阔的外延空间。生物经过长期与自然环境的物质、能量及信息交换，造就了适应生态环境的生物系统，许多机械工程难题在生物界已经得到圆满解决。这个思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决机械工程技术难题提供了帮助。最终体现了天然自然与人工自然的和谐和人与人工自然的和谐。

关键词：仿生机械；机械工程；人与自然和谐

人们总是在不断地认识自然、改造自然。在此过程中，必然会发现各种各样的问题，对其产生种种困惑和怀疑，进而进行科学探索，以期加以解决。机械工程问题也是如此，随着计算机技术的飞速发展，机械设计制造的手段和方法也不断更新和升级，许多新理论和新技术不断向机械设计领域移植和渗透，其中仿生学的发展为机械设计提供了更广阔的外延空间。生物经过长期与自然环境的物质、能量及信息交换，造就了适应生态环境的生物系统，许多机械工程难题在生物界已经得到圆满解决。

机械工程是一门古老的学科，二十世纪后期以来得益于微电子技术的飞速发展，现代的机械工程已远非传统意义的机械工程，而是变成了包含机电一体化的大领域。但是从整个机械学科发展的视角来看，微电子技术对于机械工程的发展只不过是外因，机械本身的性能才是决定机械工程发展的起决定性作用的内因。机械设备自身的构成、运动、控制、能耗上的合理性是机械设备现代化的基础。合理性的标准可以通过比较做出合理性的判断。这个比较的对象就是大自然和生物界。虽然不能苛求每一项机械技术都能在自然界找到对应的样本，但是在许多情况下人造的机械系统无法与生物体的功能相媲美，这是不争的事实。为了能制造出在结构、功能、材料、控制、能耗等诸方面合理的机械系统，从仿生的角度对机械系统进行研究是机械工程的一个必将越来越受到重视的发展方向。从而产生了专门研究仿生机械的学科，也即仿生机械学，它是由生物学、生物力学、机械工程、控制论和电子技术等学科相互渗透、结合而形成的一门边缘学科。在长期的观察大自然中，人们发现一些关于植物和动物的相类似的功能，实际上是超越了人类自身在此方面的技术设计方案的。仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能。这个思想在生物学和技术之间架起了一座桥梁，并且对解决机械工程技术难题提供了帮助。通过再现生物学的原理，人类不仅找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要。在自然界中,生物通过物竞天择和长期的自身进化,已对自然环境具有高度的适应性。它们的感知、决策、指令、反馈、运动等机能和器官结构远比人类所曾经制造的机械更为完善。

仿生机械学体现了天然自然与人工自然的和谐。所谓人工自然又叫“第一自然”，是指人类尚未认识到的那部分自然和人类观测所及但尚未受到人类实践活动影响的那部分自然，所谓人工自然又叫“第二自然”，是指人类实践活动变革了的那部分自然，它包括受人类实践活动直接影响的那部分自然和人类利用自然界的材料所创造的人工自然物，如各种机械设备，工业产品等，它们是人工自然的主体。例如，人们想测量水中的多种污染物，如工厂排放入得污染物、轮船泄漏的燃油或其他化学物等，需要设计一种机械装备来在所需测量的水域中进行自动测量，而且这种机械设备必须可以在所需测量的水域中自由运动，同时也需节约能源。此时，人们通过科学的观察水中鲤鱼的运动，设计制造一种机器鱼形似鲤鱼，身上装备有探测传感器，而且这种机器鱼是科学家们根据仿生学原理设计制造的，它们游动起来酷似真正的鲤鱼，身体在耗能很小的发动机的推动下来回摆动，并用鳍和尾来改变它们的游动方向，其游动速度可望达每秒半米。即使没有科学家的控制，它们也能根据此前设定的程序协同合作。当一条机器鱼“嗅出”一片水域中的有害物质时，它们就通过无线连接彼此交流数据，然后适时向研究人员和环保部门发出警报。这个案例中，人们成功的利用对大自然中的鲤鱼在水中游动所学到的知识理论，设计制造了一种机械鱼，很好地解决了这一机械工程问题。所以在解决机械工程问题时，在利用已有理论体系时遇到困境，不妨多对大自然中的一些类似的物种或系统进行科学的观察，通过分析、类比、综合来找到合理地解决方案。此外，这一案例也体现了天然自然和人工自然的和谐，试想一下一群真实的鲤鱼和一群机械鱼在水域中同时存在，真实的鲤鱼在水中为生存而奔波，机械鱼在水中为人类提供水中的有效数据方便人类从采取措施改善水体环境，从而更加有利于真实鱼的生存，二者在一定意义上达到了某中程度的和谐。

仿生机械学也体现了人与人工自然的和谐。人工自然是人的本质力量对象化的结果，人的本质力量是为了人类争生存求发展的，这就意味着人工自然的出现必然在一定程度上有利于人类的生存发展。仿生智能算法在机械工程的应用更加说明了这一点。下面举一例子，人类的神经网络是人类进行学习和记忆的基础。人们通过研究人类大脑神经系统的组成和工作原理以及处理信息的方式，模拟大脑神经系统，提出了了人工神经网络，它是从微观结构和功能上对人脑生物网络的某种抽象、简化和模拟。而在机械设计中，实际零件的设计图纸上往往根据机械性能等方面的要求，除了标注一定的尺寸、形状和位置公差等信息外，还要标明有关表面的表面粗糙度信息等，但却不注明其具体的加工方法。而在零件实际加工时，加工方法的选择则是主要依据表面粗糙度等信息来确定的。由于表面粗糙度大小主要取决于加工方法，且不同大小范围的表面粗糙度基本上对应着不同的加工方法，因此，基于这些情况，若忽略不同加工方法之间存在的表面纹理的差异所引起的影响，可以将加工方法和表面粗糙度综合作为一个影响因素，并以表面粗糙度这个量化变量反映之。实际上这种处理和描述方法也为所建的结合面动态基础特性参数神经网络模型在机械结构设计阶段的结构动态特性的计算和预测中的应用。

机械工程技术将继续向综合化方向发展，如机、电、液、磁、光等一体化，面对的问题也将越来越复杂，这些问题的解决常常涉及多个领域的知识。传统的建模手段已不能适应未来发展的需要，从生物进化中吸取精华的神经网络模型已成为解决复杂问题的有力工具。通过学习人脑的智能提出人工智能的解决方法，体现了人工自然对客观规律的遵守，其和谐程度主要取决于科学技术的发展及其应用水平。向大自然学习不仅有助于我们更加深刻的认识自然的本质和规律，进而去掌握有效地科学技术手段，从而更加合理去解决机械工程问题以及其他学科的问题，而且还可以在原有的基础上进行更加合理地创新。

参考文献：

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