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机械设计中的生物启发方法是否存在严重限制
摘要
在技术系统的设计中，从自然界，特别是从生命系统中汲取灵感的想法是相当普遍的，它起源于许多研究工作。然而，尽管在材料领域，这种方法允许构建高复杂度的系统，但同时又便宜且能够批量生产，但在更广泛的背景下，必须对自然系统进行优化的想法似乎是不合理的。优化决不能与进化相混淆：在达尔文之后，我们了解到进化过程中没有终结论，而产生活生物体“设计”的机制不能导致最优设计完成任何给定的任务，而只能导致连续不断的发展。适应环境。同样无根据的想法似乎是机器和设备，一定要比从传统设计方法获得的那些更好，可以从自然界中汲取灵感来进行设计。在仿生学原理的支持下，试错法在将科学原理应用于技术方面表现出挫折，这对现代世界的技术进步做出了巨大贡献。
关键词：仿生；仿生；进化算法；机器设计；优化
引言
术语“生物形态”和“仿生主义”通常用于艺术领域，以表示一种艺术形式，它采用自然界中出现的图案或形状，这些图案或形状让人联想到自然界，尤其是在生物中。前一个术语于1935年[1]引入，然后在关于立体主义和抽象艺术的展览中使用。在建筑领域，受生物形态学启发的杰作之一是巴塞罗那的安东尼高迪的圣家堂大教堂。
后一个术语是在 1950年代由Otto Schmitt[2][3]在他的博士研究中引入的，该博士研究致力于设计一种复制神经传播生物系统的设备。他说：生物物理学不是一个主题，而是一个观点。它是一种利用物理科学的理论和技术解决生物科学问题的方法。相反，生物物理学也是生物学家解决物理科学问题的方法和工程，尽管在很大程度上忽略了这一方面。最近，它们被用来表示尝试设计机器或机器元件的尝试，这些机器或机器元件受完成类似任务的自然设备的启发。在这个意义上，还使用了术语生物灵感[4]和仿生[5]。Nachtigall将后者定义为在工程和建筑领域向自然学习的过程。
仿生学有时不仅被视为与仿生学不同的方法，而且在某种程度上与仿生学相反。例如，在 Wahl[6]中，第一个被认为具有负面影响，过于注重技术，而第二个则被认为是有益的。
冯·格里奇（Von Gleich）等[7]收集了许多仿生学的定义。例如，VDI的定义（1993年）是：仿生学作为一门科学学科，系统地研究了生物系统中结构，工艺和发展原理的技术转化和应用。无论如何，从更深的意义上讲，这些方法的主要目的不是从自然界中汲取灵感来定义人造设备的形状和一般特征，而是从自然界中抽象出来，并转换成可以设计机器设计的技术基本原理。有时将这些原理定义为优于以前的技术。
Nachtigall 在10条设计原则中总结了这些原则，他还将仿生学的10条诫命称为：1.集成而不是附加设计；2.优化整体设计，而不是最大化单个元素；3.多功能而非单功能；4.对环境进行微调；5.节约能源而不是浪费能源；6.直接和间接使用太阳能；7.有限寿命代替的不必要耐久性；8.完全回收利用而不是浪费；9.网络而不是线性连接；10.通过反复试验进行开发。其中一些“诫命”（例如＃2和＃5）是常识性规则，通常适用于任何类型的设计，或者像＃7 一样是司空见惯：即使定义了“不必要的”，很少有现代机械设计用于无限期的使用寿命可能很难。其他人，例如＃6，可能适用范围有限，最后，如果有其他选择，则＃10可能会受到质疑。他还明确表示，仿生学的本质不仅是复制自然，而且如前所述，是向自然学习，并将如此获得的思想应用于技术设计。在这个过程中，从自然界中学到的某些方面可能会改变为可能变成现实。
这些从自然中提取原理的有趣示例，将其应用到与最初考虑的“自然机械”完全不同的事物上,在Kiessling 等人的研究中进行了展示，其中提出了从人类胸腔中提取的溶液用于飞艇的结构。尽管如此,在很多情况下，从自然中汲取的教训却直接应用于机器的形状或工作方式。这在机翼襟翼飞机和无人机的情况下是显而易见的（请参阅“固定式和旋转式与襟翼机翼的飞机”部分）。Lepora 等人在对大约18000[8]个出版物的数据库中出现在标题中的最常见单词对进行了分析。第三个最常见的单词是“拍打翅膀”，第14个是“拍打昆虫”，第19个是“拍打昆虫”，第28个是“昆虫拍打”,以此类推。在同一篇论文中，仿生机器人的例子包括哈佛微型机器人实验室的Robobee，一种类似于昆虫的微型飞行器。
图 1 恒应力曲线
图1通过遗传算法获得的恒定应力曲线。显示了随机生成的初始配置文件之一，以及经过1000和5000代后获得的最佳配置文件。后者不能与解析得到的经典恒应力曲线区分开。这些配置文件以无量纲形式报告。
从历史上看，模仿自然的观念已经很久了，并在15和16世纪由莱昂纳多·达·芬奇和伽利略·伽利莱等发明家和科学家明确提出。有时引用莱昂纳多的一句话：“那些以自然为标准的人（所有主人的情妇）以自己的标准为己任的人白白地疲倦了自己”。1798年，皮埃尔·西蒙·吉拉德（Pierre Simon Girard）将特殊的哲学意义归因于恒定强度固体形式的结构优化。在他的《固体和固体抗力的特质分析》中，他写道：因此要在情况允许的情况下减小为这种形状[恒定应力的形状]，所有进入机器构造的物体都应尽可能地接近完美以令人钦佩的方式描绘了自然界的所有成就。一言以蔽之，就是要适应她的观点（在Genta[9]中引用）。该声明暗示自然形状已自然优化，设计人员应遵循这些优化程序来生产更好的机器。必须明确指出的是，当吉拉德（Girard）写下这些文字时，进化的观念已经开始，但是最常见的方法是每个物种都是固定不变的，并且是由神灵明确设计的，他优化了每个物种以执行特定任务。
达尔文进化论方法是在很久以后才提出的，它确定了进化是突变，竞争和自然选择的混合机制。随着时间的流逝，人们开始对进化的发生方式有了一些了解，现在整个事情已经很清楚了。进化的基本宗旨是排除过程中的任何目的论：新物种既不比其替代的物种更好，也没有更高的价值，但更适合其进化的特定环境。因此产生了一个矛盾：据说自然界通过其演化的过程产生了优化的结果（参见上文，不仅指古老的前身，而且涉及仿生学的最新论文），但与此同时，该过程被定义为无法改善或优化的东西。
术语“进化”通常与优化思想联系在一起的事实通过使用称为进化算法的独特的优化算法得到了证明。在“杰出的仿生技术创新”中明确列出了 8 种“优化技术和遗传算法”。遗传算法的思想在设计中应用的方法是构建大量（通常是大量）要优化的对象（机器、结构、元素、零件等）的虚拟“标本”，每个均由基因组定义。该种群受到通常的动力学影响，包括有性生殖（将两个基因组合并，然后从组合中提取一个基因组）、突变和自然选择（由适应性规则促动），以便从该种群获得新一代物体。一代又一代的人口朝着优化配置的方向发展，这表明进化实际上导致了优化。在Bassani和Genta[9]中显示了来自Genta[9]（恒应力固体）中描述的一个古老示例的例子：经过数代的随机获取的圆盘群，获得了与旋转圆盘的解析恒定应力轮廓相同的轮廓（图1）。但是，进化算法的情况可能没有定论，因为它们总是在比真正发生进化和适应性规则是有意建立的条件简单得多的条件下应用，从而准确地获得设计者想要获得的东西。在自然界中，不仅结果中没有目的论，而且在过程本身中也没有不受某人规定的规则约束的目的论。可能会限制这种方法：机器及其组件可能不是通过通常的设计来获得的，而是像家庭植物或动物一样繁殖的。每台机器都有自己的基因组，育种者在虚拟环境中进行人工选择，以获得更适用途的新机器。
将达尔文进化论应用于机器的想法可以追溯到巴特勒（Butler）于1863年发表的一篇论文[]，该过程与自然界发生的事情无关：如前所述这种工作方式是人工的，而不是自然的选择。
换句话说，如果我们相信智能设计方法，那么从自然界中汲取灵感是有道理的，而在世界进化观的框架内则少得多。这种说法没有形而上学，道德或宗教的涵义，现在大多数宗教都接受进化论，通常以达尔文形式出现，并清楚地表明科学和宗教在不同的层面上运作，在前者中没有发现终结论。
2.生物的进化设计
如前所述，“自然”机械的设计源于达尔文式的过程，在这种过程中，一切都留给了机会（实际上甚至在这种情况下，说到设计都是不正确的），并且与进化算法所发生的情况相反，没有适应性设计师规定的规则。但是还有一个重要的观点：在技术对象中，基本单位是个体，而在进化的生物中，基本单位是物种，个体的生存起着很小的作用。这导致对性能的更大压力，对可靠性和安全性的较小压力。一个例子是那些以速度为生存依据的猎物：它们通常被大大地设计不足，因为偶发动物的“运行机构”偶尔发生的故障远没有该物种的平均标本超过掠食者的能力重要。赛车设计师经常采用类似的方法（这次是通过有意识的设计过程）：如果这是为获得出色性能而付出的代价，则有时可以容忍偶尔的发动机故障。换句话说，赢得许多比赛不是只完成一些比赛比完成所有比赛而不是赢得任何比赛更好。另一个例子是赛马，其中人工选择（再次由人为思维）导致非常精细的跑步装备，这需要很多注意，并可能导致无法修复的故障。但从来没有赢过另一个例子是赛马，其中人工选择（再次由人为思维）导致非常精细的跑步装备，这需要很多注意，并可能导致无法修复的故障。但从来没有赢过 另一个例子是赛马，其中人工选择（再次由人为思维）导致非常精细的跑步装备，这需要很多注意，并可能导致无法修复的故障。
这不仅是给定设计中内置的安全程度的问题，而且通常是导致配置本质上设计不足的过程（盲目演变，或者就技术而言，设计）的结果。换句话说，如果不从根本上改变设计，就不可能解决这个问题。由于这种设计实践渗透到自然系统中，因此，如果不能通过对某些基本原理的通用启发，那么从自然界中获取的实例是否可以指导机器设计就值得怀疑[10]。
其中一个似乎是很可疑的：纳赫蒂伽尔的仿生学诫命的最后（第十个）（在其他地方广泛引用）说：“通过反复试验来发展”。这正是古代技术所做的，并且从中世纪开始就已被基于世界科学知识的发展逐渐取代。[11]“科学”技术的最大优点是完全避免反复试验，甚至在计划原型构造之前就可以预测我们正在设计的产品的性能。这个过程远未完成，我们对世界法律的有限了解仍然迫使有时诉诸于试错程序，但这是我们必须设法减少的事情，而不是我们必须寻求的东西。特别是，在某些领域中确实如此，在这些领域中，不仅在开发延迟和金钱方面，而且在人类，环境等方面，尤其是在成本方面，错误的成本使得必须积极避免错误。核技术和航空航天技术是绝对不可能通过试错法进行加工的两个行业示例，但在汽车行业也是如此。
3.生物启发的材料
关于生物形态和仿生学的研究更加先进的领域之一是材料的研究。据说，至少在许多选定的应用中，生物材料比人造材料要好得多，并且具有通常被许多生物装置开发的特性，这些特性也可以在人造机械中使用。例如，其中一些材料能够重塑和修复自己，像骨头一样。执行能量转换，像肌肉一样充当执行器。肌肉是致动器，可直接利用它们的化学能提供很大的力而产生很小的位移,汽油在同一材料或多材料混合组件中集成不同的功能（例如，结构，转换等功能）。直接从其基本分子成分开始，采用自下而上的方法进行构建。所有生物材料均具有此特性。通过不涉及高温，高压或其他极端条件（毒性，化学侵蚀性等）的工艺来构建，这与许多技术材料的典型情况相反。存储执行前面所述的操作并产生包含这些操作的生物的副本所需的信息。所有这些特性，特别是后两种特性，由于可用资源和所需时间的限制，只能无限次地生产生物装置。每个标本的“成本”如此之低，以至于单个生物被认为是完全消耗性的，如前所述。通过使用自下而上的过程进行构建，可以使生物结构具有独特的性能，而采用通常的自上而下的工艺所获得的材料无法实现这些性能。
这些生物材料的另一个有趣的方面是，以综合的方式利用最不同类型的属性（物理，化学，美学等）的混合来获得新的，常常是出乎意料的属性。这是材料科学中生物启发方法的优势之一：通过观察天然存在的材料和设备，可以找到设计人员从未想过的问题的解决方案。在过去的几亿年（主要是从寒武纪开始）中，自然进行了大量的实验（显然，这是一种非常形象的方式：自然无法进行实验，而经过“测试”的多种材料仅仅是盲目，反复试验，达尔文过程的结果。
尽管技术材料通常依赖于相对简单的结构， 但基于自然界中罕见的多种元素，并且需要涉及高温和/或高能的构造过程， 生物材料通常会通过复杂的方式达到其独特的性能，有时极其复杂，结构从一些基本元素开始。复制它们的本质是理解它们的结构和属性之间的关系，以便为应用程序定制它们。
天然设备和活生物体的性能与它们制成的材料的特性严格相关，并且如果没有合适的材料，就无法制造出真正具有生物启发性的机器。因此，受生物启发的材料是一个重要 且快速发展的 研究领域，总体上将从中受益。在许多论文和书籍中都可以找到调查表和广泛的书目，例如 Sanchez 等人[12]和Fratzl[13]， 即使这种生物启发材料的实际应用还不是很广泛。
必须指出，自下而上的制造过程可能会发生在不同的规模，对于生物材料，这是在纳米级完成的，直接组装原子和分子。这不是绝对必要的，并且自下而上的构造可以像各种增材制造（或 3D 打印）过程中那样大规模地发生。实际上，在这种情况下，组装直接在微观甚至宏观上进行，而经典的自底向上构造的优点（例如，构建具有复杂形状和内部空腔的零件的可能性）与以下优点相结合：可以承受极端条件的传统建筑材料。在某种程度上，受生物启发的材料的某些优势与技术材料的优势相结合。
正如泰勒所指出的，在任何情况下，如果与最佳工程材料相比，绝对机械性能通
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