仿生机械学涉及到仿生学和机械学，而仿生学又涉及到生物学、植物学以及动物学。因此，本书的体系是在介绍生物学、植物学以及动物学的基础上，再介绍仿生学基础知识，然后介绍机械学的基础知识，后介绍仿生机械学。形成生物学、植物学、动物学，仿生学、机械学和仿生机械学的体系。本书内容分为三篇，第壹篇仿生学综述，主要介绍仿生学的基础知识，包括生物分类与进化，植物特征与力学特性、动物特征与运动特性；介绍仿生学的基本概念及其分类，包括电子仿生、信息与控制仿生、机械仿生、化学仿生、建筑仿生、医学仿生以及生物界的奇特现象与仿生等内容。本篇内容主要体现知识的科普性和趣味性。第二篇机械学基础，主要介绍机械的基本知识、机构运动简图的绘制、机构自由度的计算、自由度与控制、变胞机构、机构运动分析、机构受力分析以及各种机械传动机构，其目的把动物结构用机构简图来表示，然后计算其自由度、进行运动与动力分析，把动物结构机械化，用机械学的知识解决动物的组成与运动等问题。本篇内容主要说明仿生学向仿生机械学过渡中的基本知识；第三篇仿生机械学，主要介绍模仿动物步行的机器人的步态分析、腿部结构与设计、步行的稳定性等；介绍模仿动物爬行的机器人的运动原理及其设计、介绍模仿鸟类及昆虫飞行的机器人的运动原理及其设计；介绍模仿鱼类和其他动物在水中游动的机器人的运动原理及其设计；介绍微型机器人的运动原理与设计方法以及仿生机械关节以及仿生机械臂的设计等。该篇内容是本书重点内容，设计到各类仿生机械的设计。

创新是一个民族进步的灵魂, 是国家兴旺发达的不竭动力。一个国家的创新能力决定了它在国际竞争和世界总格局中的地位, 因此, 我国正在为创建一个国家创新体系而努力。国家创新体系包括知识创新系统、技术创新系统、知识传播系统和知识应用系统。其中, 知识创新系统的核心部分是国家科学研究机构和研究型的大学; 技术创新系统的核心部分是企业; 知识传播系统的核心部分是高等教育系统以及职业培训系统; 知识应用系统的主体则是企业和社会, 主要是知识和技术的应用。
仿生学则是通往创新的重要途径, 为人类的创新活动提供创新思维的灵感和方法,已经为科学技术的发展和人类社会的发展做出了重大贡献。
在全人类的文明史中, 我国最早涉及仿生学的应用。我们的汉字就是典型的仿生结果。汉字是象形文字, 其实就是模仿生物界各种形状的文字, 经过多年的演化, 形成了现在的汉字。因此, 中国人很早就留下了模仿自然界植物与动物特征的痕迹。我们的祖先巢氏模仿鸟类在树上筑巢, 以躲避凶猛动物的攻击; 相传在春秋战国时期的鲁班借鉴草叶的齿形边缘, 制造出木锯, 推动了木材加工及木质建筑的发展; 据《韩非子》记载, 鲁班曾用竹木作鸟“ 成而飞之, 三日不下” 。古人通过对水中鱼类的观察与模仿,伐木凿船, 做成鱼形的船体, 仿照鱼的胸鳍和尾鳍制成双桨和单橹, 由此实现了水上自由航行, 促进了水上交通的发展; 我国河北省的赵州桥和西北地区的窑洞, 采用了承受外力很强的拱形设计, 这些都是典型的仿生学的具体应用。但人类早期的仿生研究是在长期生产实践活动中进行的, 没有形成仿生学的基本理论与方法。
仿生学正式诞生于1960 年9 月, 在美国俄亥俄州的戴顿召开的第一次世界仿生学会议中, 美国的生物学家J. E. 斯梯尔把仿生学定义为“ 模仿生物原理来建造技术系统,或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学” , 并将这一新兴的科学命名为“ Bionics”
。1963 年, 我国学者将“ Bionics” 译为“ 仿生学” 。通过研究生物体的结构、功能和性能机理, 并将这些机理移植于工程技术之中, 发明性能更加优越的仪器、装置或机器, 创造新技术, 是研究仿生学的主要目的。
随着生物科学技术的飞速发展, 其他科学技术学科的科技人员逐渐发现了模仿自然界的生物可以提供许多更好的设计思想并能解决许多技术问题, 因此在仿生学的基础上, 分别在机械工程领域、建筑工程领域、医学领域、化学工程领域、电子工程领域、材料工程领域、信息工程领域、控制领域等许多学科开展了仿生的研究, 促进了仿生学的迅速发展和与其他学科的交叉、渗透与融合, 并形成了许多分支, 仿生学已经成为推动科学技术发展的强大动力和连接生物科学与技术科学之间的桥梁。
作为一门独立的学科, 仿生学就是模仿生物的科学。从生物学的角度来说, 仿生学属于“ 应用生物学” 的一个分支; 从工程技术方面来看, 仿生学根据对生物系统的研究, 为设计和建造新的技术设备提供了新原理、新方法和新途径。进入21 世纪后, 仿　Ⅳ 仿生机械学生学取得了快速发展, 并形成了许多分支, 如仿生化学、仿生电子学、仿生机械学、仿生建筑学、仿生信息学、仿生昆虫学、仿生材料学、仿生医学等。其中, 发展最迅速、影响力最大、应用最广泛的是仿生机械学, 如仿生机器人已经成为世人皆知的智能化仿生机械。
为了科学技术的发展与时俱进, 很多高等工科学校的本科生或研究生都开设了仿生机械学的课程, 有些大学还将仿生机械学列入学科研究方向, 各种具体的仿生机器人的研究论文涉及面非常广泛, 研究仿生学的学校和教师也非常多。但是, 反映仿生机械学内容的相关书籍却很少, 更缺少相应的教科书。主要原因是仿生机械学是21 世纪新兴的学科, 对该学科还没有形成广泛的共识。另外, 仿生机械学涉及生物学、植物学、动物学、力学、化学、物理学、建筑学、医学、机械学、材料学、计算机科学、传感器技术、电子技术、信息与控制学等多学科的知识, 编写覆盖这样庞大知识体系的教材难度很大, 且编写体系与内容的选择也是一个巨大的挑战, 存在很大的难度。
考虑到社会的需求以及我们在从事仿生学、生物力学和机械学领域中的科研与教学经历, 我们决定尝试编写“ 仿生机械学” 。
1. 编写指导思想系统性、知识性、趣味性、新颖性、科普性和应用性相结合是编写本书的指导思想。在格式上力求图文并茂。
(1) 系统性　本书力求从生物学基础知识、仿生学基础知识、机械学基础知识到各种仿生机械的设计与分析, 形成一个完整的仿生机械学的新体系。
(2) 知识性　本书第一篇从生物进化、植物分类及其运动特性, 动物分类及其运动特性开始, 阐述人类模仿这些动植物特性对人类社会的贡献, 进而论述仿生学科的诞生以及仿生学的分类, 使读者得到一个完整的仿生学和仿生机械学的基本概念。第二篇的内容为学习仿生机械学打下基础, 主要介绍机械学的基本知识: 为了把待模仿动物的肢体结构用机构简图来描述, 就必须首先学习机构以及机构运动简图的绘制, 这一过程是把动物肢体结构机械化的过程, 是学习仿生机械的根本。为模仿动物的运动, 必须对仿生机械的肢体实施控制, 而计算机构自由度则是控制仿生机械协调运动的依据; 此外,还要学习机构的运动分析和受力分析, 全面了解仿生机械的运动特性和力学特性, 这是仿生机械能否实用的基本标准。第三篇则介绍具体的仿生机械的设计与分析, 如模仿陆地上的步行动物的运动、爬行动物的运动以及跳跃动物的运动, 模仿天上飞的鸟类以及昆虫类的飞行运动、模仿水中游动动物的运动, 形成从陆地动物、海洋动物到空中飞行动物的完整的仿生机械设计与分析内容。最后, 结合人体结构与损伤修复, 介绍模仿人体关节、上肢与下肢的设计机理与方法, 完善仿生机械学的内容。全书不仅自成系统,还特别突出、加强了知识性内容。
(3) 趣味性　为了突出趣味性, 本书在知识性的基础上, 加强了具有科普性的趣味内容。比如, 动物按其运动形态分为步行动物、有腿爬行动物和走行动物, 它们之间的异同点在哪里? 如何区别它们的运动差别呢? 本书给予详细说明。走行动物是指步行肢向下垂直于动物身体, 如马、牛、羊等, 它们是依靠四肢支承体重的, 它们的迈步称为走行, 如同人类的行走一样。有腿爬行动物的肢体由身体两侧向外伸出。如鳄鱼、蜥蜴、蚂蚁等动物, 由于它们的腿向身体外侧伸出, 不能长期支承其体重, 迈步时只能肚前　　言Ⅴ　皮着地, 分担腿部的承受力, 故称为爬行动物。这类爬行动物和前述走行动物都是依靠腿的迈步实现运动的, 故统称为步行动物。爬行动物又分为三类: 有腿爬行动物( 蜥蜴等) 、有足爬行动物( 尺蠖等) 和无足爬行动物( 蛇类等) , 对它们的运动机理进行分析, 具有知识性和趣味性。又比如, 国外文献记载人体有206 块骨骼, 中国研究人员发现中国人只有204 块骨骼, 差异在何处呢? 经过大量反复研究, 发现中国人的小脚趾骨有两个关节, 而欧美人有3 个关节, 正好相差两块骨骼。后来又发现日本人与中国人一样, 同样有204 块骨骼。又如本书中提到的仿生学遐想中人类冬眠问题, 既是遐想, 但又具有前瞻性和趣味性。总之, 本书的趣味性内容与知识性、科学性内容相结合, 但又与课程内容密切相关, 增强了本书的可读性。
(4) 新颖性　仿生机械学的内容极其复杂, 涉及植物学、动物学、仿生学、医学、机械学、控制理论、信息科学等大量一级学科的交叉知识, 且找不到类似文献, 如何编排本书的体系与内容, 成为最大挑战。本书提出了生物学基础、机械学基础和仿生机械设计与分析的总体结构体系; 具体内容包括植物及其运动特性, 动物及其运动特性, 模仿动植物结构与运动的仿生学, 动物的结构与运动的机械化描述以及运动自由度的计算, 肢体运动分析与受力分析, 模仿地上跑的、天上飞的、水里游的仿生机械设计等。
从内容和体系都比较新颖完整, 是我国第一部全面介绍仿生机械学的书籍。
本书除介绍国内外的最新研究进展外, 还介绍了作者的观点与研究成果, 如提出了主动关节和被动关节的概念。机器人手臂关节需要关节电动机驱动, 称为主动关节; 而人类肢体上的仿生人工关节, 则称为被动关节。这是因为该类人工关节由肌肉驱动, 所以和主动关节的设计有很大的不同。如肩关节是3 个自由度的球面副, 在主动关节设计中, 就不能采用3 个自由度的球面副, 或采用1 个单自由度的转动副, 或采用2 个单自由度的转动副组合代替, 其原因是很难控制球面副的3 个转动。但是, 在被动肩关节中, 就必须采用3 个自由度的球面副, 因为从肩胛骨到肱骨之间由肌肉群驱动。鉴于上述原因, 在主动球面关节的设计中, 本书采用3 个自由度的空间并联机构代替肩关节或髋关节的球面副; 在仿生机械鱼的鱼鳍设计中, 大都采用单自由度摆动关节结构, 本书提出了逼真的模仿鱼鳍运动的2 个摆动副组合设计方案。
(5) 科普性　本书略去了仿生机械的动力学设计、传感系统以及计算机控制算法等比较复杂的课程内容, 保留了动物运动形态的机械化描述以及运动分析与设计等仿生机械学的基本内容, 内容编排涉及面宽, 具有很好的仿生机械学的科学普及性, 很多人都能看懂, 也具有可读性。
(6) 应用性　学习就是为了用。本书突出各类动物运动特征的仿生设计, 并给出相应的仿生设计实例, 以适合仿生机械学的研究内容和具体的实际应用。
2. 体系与内容仿生机械学涉及仿生学和机械学, 而仿生学又涉及生物学、植物学及动物学。因此, 本书的体系是在介绍生物学、植物学以及动物学的基础上, 再介绍仿生学基础知识, 然后介绍机械学的基础知识, 最后介绍仿生机械设计与分析。形成生物学、植物学、动物学、仿生学、机械学和仿生机械学的体系。
本书内容除去绪论外, 分为三篇, 第一篇为仿生学综述, 主要介绍仿生学的基础知识, 包括生物分类与进化, 植物及其运动特性、动物及其运动特性; 介绍仿生学的基本　Ⅵ 仿生机械学概念及分类, 包括电子仿生、信息与控制仿生、机械仿生、化学仿生、建筑仿生、医学仿生以及生物界的奇特现象与仿生等内容。本篇内容主要体现知识的科普性和趣味性。
第二篇为机械学基础, 主要介绍机械的基本知识、机构运动简图的绘制、机构自由度的计算、自由度与控制、机构运动分析、机构受力分析以及机构设计方法等内容, 其目的是把动物结构用机构简图来表示, 然后计算其自由度, 进行运动与动力分析, 把动物结构机械化, 用机械学的知识解决动物的组成与运动等问题。本篇内容主要说明仿生学向仿生机械学过渡中的基本知识。第三篇为仿生机械设计与分析, 主要介绍模仿动物步行的仿生机械步态分析、腿部结构与设计、步行的稳定性等; 介绍模仿动物爬行的仿生机械运动原理及其设计、模仿鸟类及昆虫飞行的仿生机械运动原理及其设计; 介绍模仿鱼类和其他动物在水中游动的仿生机械运动原理及其设计; 介绍仿生机械关节以及仿生机械假肢的设计与分析等。本篇内容是本书的重点内容, 涉及各类仿生机械的设计与分析。
3. 一些说明1) 本书在介绍生物学、植物学、动物学的基本知识时, 没有严格按照它们的分类进行说明, 而是按照与仿生学相关的内容进行大幅度的简化与归纳, 为介绍仿生学综述奠定基础。例如: 本书中的爬行动物就没有按照动物学的分类去讨论, 而是按照腿足特性将爬行动物分为三类: 有腿爬行动物( 蜥蜴、鳄鱼等具有典型的关节腿) 、有足类爬行动物( 尺蠖等蝶蛾幼虫, 没有典型的关节腿, 只有露出体外的足) 和无足类爬行动物( 蛇、蚯蚓等, 没有腿和足) , 有足类爬行动物是作者的命名, 是否适合动物学家的分类尚不得而知, 但这样的分类法从仿生机械学的观点看是清楚的。
2) 在介绍机械学基础知识时, 重点突出动物结构的机构简图的绘制, 自由度的计算, 按机构简图进行运动分析、受力分析, 以及机构的尺度设计等内容, 为生物体的机械设计奠定理论与方法基础。由于仿生机械的运动主要是依靠连杆机构完成的, 所以连杆机构( 含闭链和开链机构) 是机械学基础的主体内容。
3) 第三篇仿生机械设计与分析是本书的重点内容, 主要是模拟动物的运动特性进行仿生设计, 如各类动物的陆地步行、爬行、空中飞行、水中游动的仿生设计及相应的仿生机械。
4) 仿生研究不能照搬生物原型, 主要是从中吸取设计思想和创新灵感, 否则会走弯路。如扑翼结构的飞行器永远不如固定翼飞行器飞得快、飞得高、飞得远。因此, 本书在用机构简图描述动物形体结构时, 往往进行适度简化, 以简化机械结构和便于进行控制。这是人类在进行仿生研究中得到的宝贵经验。
5) 生物种类繁多, 对应的仿生机械种类很多, 本书不能面面俱到, 只能涉及典型动物的仿生设计及其仿生装置。
6) 关于仿生学中的一些名词, 本书给予了一定的说明。由于仿生学是一门新兴学科, 涉及的内容极其广泛, 故有很多词语的表达有很多的不同论述, 容易引起误解。如力学仿生与仿生力学、医学仿生与仿生医学、电子仿生与仿生电子学、建筑仿生与仿生建筑学、机械仿生与仿生机械学等许多用语大都是混用的, 极易引起误解。仿生机械与机械仿生也是混用的词汇, 本书对这些术语做了界定, 说明这些提法是有区别的。
7) 本书在绪论中增加了仿生学遐想, 虽然只是一点点遐想, 但遐想有助于创新思前　　言Ⅶ　维的培养与提高。这里提出遐想的目的仅仅是为了启发读者, 不是空想, 而是通往创新之路的途径。
8) 仿生机械学包含的知识面极其广泛, 从植物学、动物学、生物学、仿生学、力学, 再到机械学, 很难把一些从表面上看去互不相关的内容融合在一起, 从而形成一个完整的仿生机械学新体系。虽然很多学校开设了仿生机械学课程, 但没有教材, 只有个别的电子课件。各个课件内容都围绕某一具体的仿生机械进行讨论, 各说各话, 难以发现它们的体系与普适内容。编者思考良久后, 拟订出本书的编写体系。确定编写体系后, 又遇到内容的编排问题, 如严格按照植物学和动物学介绍它们的组成与分类, 则对于非生物专业的人员来讲, 过于烦琐和专业, 一般不易看懂。所以本书将这些内容按照仿生机械学认知规律进行改编。同样的道理, 对机械学基础也进行了简化, 以适合非机械专业的学生学习。
9) 本书的编写过程是编者边写作、边学习、边研究、边提高的过程。在编写过程中, 编者也明白了以前许多不明白、不清楚的地方。譬如说, 吃了多年的鲤鱼, 竟然不知道有多少鱼鳍! 哪里是偶鳍? 哪里是奇鳍? 为何鱼尾附近的肉好吃? 原来鱼的游动主要摆动身体的后1/ 3 的部分, 当然肌肉发达就好吃。又例如, 鸟类上下扇动翅膀则可前进飞行, 而蜻蜓类的昆虫上下扇动翅膀则不能向前飞行, 通过学习空气动力学才弄清楚。为了弄清楚鱼类摆动尾鳍引起的反卡门涡街现象, 需要研究流体力学的基本知识。
这样类似边学习、边研究、边提高的例子很多, 编者在书中都有论述。
10) 在仿生机械设计与分析的内容中, 有些内容是团队的研究与探索对象, 仅供参考。
参加本书编写的有: 张春林( 前言、绪论、第三章、第四章) 、张颖( 第一章、第二章) 、赵自强( 第五章、第六章、第七章) 、司丽娜( 第八章、第九章) 、赵嘉珩( 第十章) 。全书由张春林和赵自强任主编并负责统稿。
机械工业出版社为本书的构思、编写以及出版提供了大力帮助与支持, 在此表示感谢。
总之, 由于编写难度大、编写时间长, 且涉及多学科知识的融合, 加之编者水平有限, 难免存在错误、疏漏之处, 敬请广大读者批评指正。
编　者

前言
绪论 1
　第一节　仿生学概述 1
　第二节　仿生机械学的研究内容、目的与
意义 4
　第三节　仿生遐想 10
第一篇　仿生学综述
第一章　生物学基础 14
　第一节　生物及其分类 14
　第二节　生物的多样性 17
　第三节　生物的进化 19
　第四节　植物及其运动特性 22
　第五节　动物及其运动特性 30
　第六节　仿植物机器人综述 42
第二章　仿生学简介 47
　第一节　仿生学及其研究内容 47
　第二节　电子仿生 51
　第三节　信息与控制仿生 54
　第四节　机械仿生 56
　第五节　化学仿生 64
　第六节　建筑仿生 65
　第七节　医学仿生 68
　第八节　动物界的奇特现象与仿生 72
第二篇　机械学基础
第三章　机械结构学基础 78
　第一节　机械的基本概念及组成 78
　第二节　运动链与机构 80
　第三节　机构运动简图 88
　第四节　机构自由度的计算 91
　第五节　机构的结构分析 99
第四章　机械运动学基础 105
　第一节　机械运动学概述 105
　第二节　平面连杆机构的基本类型及
演化 107
　第三节　平面连杆机构的基本性质 110
　第四节　平面连杆机构的设计 114
　第五节　平面连杆机构的运动分析 121
　第六节　平面开链机构的设计与分析 132
第五章　机械力学基础 137
　第一节　力分析概述 137
　第二节　平面闭链机构的力分析 139
　第三节　平面开链机构的力分析 143
第三篇　仿生机械设计与分析
第六章　仿动物步行的机械及其设计 148
　第一节　步行机械概述 148
　第二节　步行机械的腿及其设计 149
　第三节　步行机械的步态分析 156
　第四节　仿生步行机械系统的运动方程 162
　第五节　仿生跳跃机械的设计与分析 167
第七章　仿动物爬行的机械及其设计 171
　第一节　爬行动物概述 171
　第二节　仿生机械尺蠖及其设计 175
　第三节　仿生机械蚯蚓及其设计 176
　第四节　仿生机械蛇及其设计 178
第八章　仿动物飞行的机械及其设计 187
　第一节　飞行动物概述 187
　第二节　飞行机理简介 193
　第三节　昆虫的飞行与仿生设计 195
　第四节　鸟类的飞行与仿生设计 199
第九章　仿动物水中游动的机械及其
设计 205
　第一节　水中游动的动物概述 205
　第二节　游动机理分析 208
目　　录Ⅸ　
　第三节　仿生机械鱼的设计与分析 211
　第四节　仿生机械水母的设计与分析 217
　第五节　仿生机械墨鱼的设计与分析 221
第十章　仿人体组织结构的机械及其
设计 225
　第一节　概述 225
　第二节　仿生关节的设计与分析 230
　第三节　仿生人体上肢的设计与分析 235
　第四节　仿生人体下肢的设计与分析 241
参考文献 246