仿生学运动特性分析，带来了哪些科研成果？

生物界一直是人类技术发展的重要知识来源，动物经过亿万年的进化，形成了适应各自生存环境的特性。人类根据动物这些惊人的特点，不断受到启发，寻找到解决工程、军事、科研等不同领域的现实问题。仿生思维的应用极大促进了人类文明的进程，比如根据鱼的形状设计船、根据鸟双翼设计飞机翼型等。

仿生技术，就是通过模仿生物的运动形态和身体结构设计制造出的效率更高的机械，融合了生物学、生物力学、医学、机械工程、自动控制和电子技术等学科。

仿生技术近年来快速发展，广泛应用于军事、科研、医疗和航空航天等领域，取代或辅助人类进行极端环境工作。

比如近些年热门的波士顿动力四足机器人。

科技公司Festo更是推出了多种仿生机器人“全家桶“。

随着对动物研究的深入以及科研设备的不断升级更新，对于动物外形的模仿学习已不足以满足需求，科研人员开始对动物的运动特性进行研究。

运动特性分析是仿生装置的设计前提。为了获取动物准确的运动数据，越来越多的研究团队选择使用被动式光学动作捕捉系统。实验中将反光标识点粘贴在目标物上，利用红外光学动作捕捉镜头捕捉反光标识点，通过计算重构标识点的三维空间位置信息来获取目标物的运动数据。

吉林大学的研究人员以德国牧羊犬为研究对象，利用8台光学动作捕捉镜头，实时捕捉德国牧羊犬各关节三维空间坐标信息，为运动学分析提供可靠的数据。通过对其不同步态的时序进行运动学分析，来研究德国牧羊犬步态运动学特性，定量分析德国牧羊犬的运动稳定性，建立仿犬四足运动的运动学及动力学计算模型，为四足机器人仿生设计及稳定性判断提供理论依据[1]。

吉林大学的另一支研究团队主要以雕鸮与长耳鸮两种静音鸮为研究对象，对比分析静音鸮的飞行声学特性、翅膀及羽毛的几何形态学特征以及飞行运动学特征，并将静音鸮的消音特征进行仿生应用研究，为仿生降噪技术提供生物模型。

实验中，在对象鸟类翅膀上的关键部位贴上反光标识点，包括腕关节、翅膀前缘根部、翅膀尾缘根部等部位。利用三维运动捕捉镜头定位反光标识点，对长耳鸮、雕鸮与雀鹰的扑翼运动学参数进行采集，并分析计算运动学参数（扑翼频率和关节角度等）与飞行轨迹（翼尖轨迹）[2]。

南京航空航天大学研究人员针对仿生干黏附机器人在许多具有外直角的环境下(如航天器舱内机箱外表面的外直角过渡)难以进行壁面过渡运动的问题进行了研究。实验在大壁虎身上粘贴18个反光标识点，利用四台光学动作捕捉镜头得到大壁虎各主要关节处的反光标识点的三维坐标，并建立了生物模型，分析其各脚掌的足端轨迹以及腰关节的俯仰角、偏航角和滚动角。

实验得到了大壁虎腰关节在外直角过渡时的变化范围和足端轨迹的生成规律，通过深入研究大壁虎外直角过渡的运动协调机制，对仿生干黏附机器人进行了结构优化，并基于生物学规律实现了机器人在模拟微重力环境下的外直角壁面过渡行为[3]。

NOKOV度量动作捕捉客户案例

吉林大学威海仿生研究院

吉林大学威海仿生研究院的研究人员在进行生物原型研究及数学建模时，需要获取蜥蜴运动时的姿态信息，他们在蜥蜴的身体及四肢上各贴了一些反光标识点，使用NOKOV（度量）光学三维动作捕捉系统进行捕捉。

通过后处理模块计算出蜥蜴足端与脊椎的三维运动轨迹、运动时身体的摆动角度、运动的速度与加速度，利用这些生物原型的特征点信息，研究者可建立蜥蜴运动的数学模型。

参考文献

[1]   田为军. 德国牧羊犬运动特性及其运动模型研究[D].吉林大学,2011.

[2]   陈坤. 三种鸮形态学、飞行运动学特征规律及其仿生研究[D].吉林大学,2012.

[3]   刘琦. 壁虎黏附接触面积与跨外角行为的仿生研究[D].南京航空航天大学,2019.

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