Биологический мир всегда был важным источником знаний для развития человеческих технологий.Животные эволюционировали миллионы лет, чтобы развить характеристики, приспособленные к их окружающей среде.Люди вдохновлялись этими удивительными особенностями животных, находя решения для реальных проблем в области инженерии, военных технологий, научных исследований и других областей.Применение биомимикрии значительно продвинуло человеческую цивилизацию, что можно увидеть в конструкции кораблей, основанной на форме рыбы, или в конструкции крыльев самолетов, смоделированных по образу крыльев птиц.

Бионика включает в себя разработку и производство более эффективной техники путем имитации движений и структур тела биологических организмов, интегрируя дисциплины такие как биология, биомеханика, медицина, механическое инженерное дело, автоматическое управление и электронные технологии.

Бионика быстро развивается в последние годы и широко используется в военной, научно-исследовательской, медицинской и аэрокосмической сферах для замены или помощи людям в выполнении задач в экстремальных условиях окружающей среды. Например, популярные четвероногие роботы Boston Dynamics последних лет.

Технологическая компания Festo запустила разнообразие бионических роботов в качестве комплексной линейки продукции.

По мере углубления исследований животных и продолжения модернизации научного оборудования, простое копирование формы животных уже недостаточно для удовлетворения требований. Исследователи начали изучать характеристики движения животных.

Анализ характеристик движения является предпосылкой для проектирования биомиметических устройств. Чтобы получить точные данные о движении животных, все больше исследовательских групп предпочитают использовать пассивные оптические системы захвата движения. В экспериментах рефлективные маркеры крепятся к целевому объекту, а инфракрасные оптические камеры используются для захвата рефлективных маркеров. Данные о движении объекта получаются путем вычисления и реконструкции трехмерной пространственной позиции маркеров.

Исследователи из Университета Цзилин изучают немецких овчарок и используют восемь оптических систем захвата движения для регистрации трехмерных пространственных координат суставов собаки в реальном времени. Это обеспечивает надежные данные для кинематического анализа. Анализируя время выполнения различных походок, они стремятся понять кинематические характеристики походки немецкой овчарки и количественно проанализировать устойчивость движения животного. Они разрабатывают кинематические и динамические модели расчета для квадрупедного роботизированного моделирования движения, имитирующего движения собаки. Эта работа призвана предоставить теоретическую основу для биомиметического проектирования и оценки стабильности квадрупедальных роботов.

Команду исследователей из Университета Цзилинь в первую очередь интересуют два вида бесшумных сов - восточная воробьиная сова и сипуха, которые являются объектами их изучения. Они анализируют и сравнивают акустику бесшумного полета, морфологию крыльев и перьев, а также кинематику полета этих сов. Команда также проводит биомиметические исследования по характеристикам снижения шума у этих сов, предоставляя биологические модели для биомиметических технологий снижения шума.

В экспериментах с птицами на ключевые части крыльев, включая запястье, основание переднего и заднего края крыльев, крепятся отражающие маркеры. С помощью трехмерных камер захвата движения определяются местоположения этих отражающих маркеров, собираются и анализируются кинематические параметры махового движения для таких видов, как длинноухая сова, великая филин и ястреб-перепелятник. Исследование вычисляет кинематические параметры (такие как частота маха и углы сочленений) и их отношение к траектории полета (такой как путь кончика крыла).

Ученые Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики изучили проблемы, с которыми сталкиваются биомиметические роботы с сухими клеевыми поверхностями при переходе через поверхности с внешними прямыми углами (например, внешний переход через прямые углы на поверхности кабин космических кораблей). В ходе своих экспериментов крупной ящерице было прикреплено 18 отражающих маркеров, и для получения трехмерных координат отражающих маркеров на основных суставах ящерицы использовались четыре оптические камеры для захвата движения. Была создана биологическая модель для анализа траекторий лап каждой лапы и углов тангажа, рысканья и крена сустава талии.

Эксперимент дал диапазон движения сустава таза крупной ящерицы во время внешнего перехода под прямым углом и закон формирования траектории лапы. Путем изучения механизма координации движения ящерицы при внешнем переходе под прямым углом в глубину была проведена структурная оптимизация биоинспирированного робота сухой адгезии, и на основе биологических принципов было реализовано поведение робота при внешнем переходе под прямым углом на стене в симулированной микрогравитационной среде.

Клиентский кейс по Motion Capture системам от NOKOV

Исследовательский институт бионики Уэйхай Цзилинского университета

Научно-исследовательский институт бионики Университета Цзилин в городе Уэйхай занимается изучением биологических прототипов и математическим моделированием для захвата информации о позах ящериц во время движения. Они прикрепляют отражающие маркеры к телу и конечностям ящерицы и используют оптическую 3D систему захвата движения NOKOV для регистрации движения. Модуль постобработки вычисляет траектории движения 3D конечностей и позвоночника ящерицы, углы наклона тела и скорость с ускорением во время движения. Затем исследователи могут использовать эти характерные точки для создания математической модели движения ящерицы.

Инструментальные книги

[1]Тянь Вэйцзюн. Исследование характеристик движения и модели движения немецких овчарок [Д]. Университет Цзилинь, 2011.

[2]Чэнь Кун. Морфологические и кинематические характеристики полета трех видов сов и их биомиметическое изучение [Д]. Университет Цзилинь, 2012.

[3] Лю Ци. Биомиметическое изучение области контакта и поведения при склеивании гекконов на внешних углах [Д]. Нанкинский университет авиации и астронавтики, 2019.