前言

創(chuàng)新是一個民族進(jìn)步的靈魂，是國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動力。一個國家的創(chuàng)新能力決定了它在國際競爭和世界總格局中的地位。目前，我國正在為創(chuàng)建一個國家創(chuàng)新體系而努力。國家創(chuàng)新體系包括知識創(chuàng)新系統(tǒng)、技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)、知識傳播系統(tǒng)和知識應(yīng)用系統(tǒng)。其中，知識創(chuàng)新系統(tǒng)的核心部分是國家科學(xué)研究機(jī)構(gòu)和研究型的大學(xué)；技術(shù)創(chuàng)新系統(tǒng)的核心部分是企業(yè)；知識傳播系統(tǒng)的核心部分是高等教育系統(tǒng)以及職業(yè)培訓(xùn)系統(tǒng)；知識應(yīng)用系統(tǒng)的主體則是企業(yè)和社會，主要是知識和技術(shù)的應(yīng)用。
仿生學(xué)是通往創(chuàng)新的重要途徑，它可以為人類的創(chuàng)新活動提供創(chuàng)新思維的靈感和方法，長久以來已經(jīng)為科學(xué)技術(shù)和人類社會的發(fā)展做出了重大貢獻(xiàn)。
在全人類的文明史中，我國是最早涉及仿生學(xué)應(yīng)用的。我們的漢字就是典型的仿生結(jié)果。漢字是象形文字，其實就是模仿事物各種形狀的文字，經(jīng)過多年的演化，形成了現(xiàn)在的漢字。因此，我們很早就留下了模仿自然界植物與動物特征的痕跡。我們的祖先有巢氏模仿鳥類在樹上筑巢，以躲避兇猛動物的攻擊；相傳春秋戰(zhàn)國時期的魯班借鑒草葉的齒形邊緣，制造出木鋸，推動了木材加工及木質(zhì)建筑的發(fā)展；據(jù)《墨子》記載，魯班曾用竹木做鳥，成而飛之，三日不下。古人通過對水中魚類的觀察與模仿，伐木鑿船，做成魚形的船體，仿照魚的胸鰭和尾鰭制成雙槳和單櫓，由此實現(xiàn)了水上自由航行，促進(jìn)了水上交通的發(fā)展；我國河北省的趙州橋和西北地區(qū)的窯洞，采用了承受外力很強的拱形設(shè)計，這些都是典型的仿生學(xué)的具體應(yīng)用。但人類早期的仿生研究是在長期生產(chǎn)實踐活動中進(jìn)行的，沒有形成仿生學(xué)的基本理論與方法。
仿生學(xué)正式誕生是在1960年9月，在美國俄亥俄州的戴頓召開的第一次世界仿生學(xué)會議中，美國生物學(xué)家J�盓�彼固轄柊逊律鷮W(xué)定義為模仿生物原理來建造技術(shù)系統(tǒng)，或者使人造技術(shù)系統(tǒng)具有或類似于生物特征的科學(xué)，并將這一新興的科學(xué)命名為Bionics。1963年，我國學(xué)者將Bionics譯為仿生學(xué)。通過研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和性能機(jī)理，并將這些機(jī)理移植于工程技術(shù)之中，發(fā)明性能更加優(yōu)越的儀器、裝置或機(jī)器，設(shè)計新產(chǎn)品，是仿生學(xué)研究的主要目的。
隨著生物科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，各領(lǐng)域的科技人員逐漸發(fā)現(xiàn)模仿自然界的生物可以提供許多更好的設(shè)計思想并能解決許多技術(shù)問題，因此在仿生學(xué)的基礎(chǔ)上，分別在機(jī)械工程領(lǐng)域、建筑工程領(lǐng)域、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、化學(xué)工程領(lǐng)域、電子工程領(lǐng)域、材料工程領(lǐng)域、信息工程領(lǐng)域、控制領(lǐng)域等許多學(xué)科開展了仿生的研究，促進(jìn)了仿生學(xué)的迅速發(fā)展和與其他學(xué)科的交叉、滲透與融合，并形成了許多分支，仿生學(xué)已經(jīng)成為推動科學(xué)技術(shù)發(fā)展的強大動力和連接生物科學(xué)與技術(shù)科學(xué)之間的橋梁。
作為一門獨立的學(xué)科，仿生學(xué)就是模仿生物的科學(xué)。從生物學(xué)的角度來說，仿生學(xué)屬于應(yīng)用生物學(xué)的一個分支；從工程技術(shù)方面來看，仿生學(xué)根據(jù)對生物系統(tǒng)的研究，為設(shè)計和建造新的技術(shù)設(shè)備提供了新原理、新方法和新途徑。進(jìn)入21世紀(jì)后，仿生學(xué)獲得了快速發(fā)展，并形成了許多分支，如仿生化學(xué)、仿生電子學(xué)、仿生機(jī)械學(xué)、仿生建筑學(xué)、仿生信息學(xué)、仿生材料學(xué)、仿生醫(yī)學(xué)等。其中，發(fā)展最迅速、影響力最大、應(yīng)用最廣泛的是仿生機(jī)械學(xué)，如仿生機(jī)器人已經(jīng)成為世人皆知的智能化仿生機(jī)械。
為使科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與時俱進(jìn)，很多高等工科學(xué)校都為本科生或研究生開設(shè)了仿生機(jī)械學(xué)的課程，有些大學(xué)還將仿生機(jī)械學(xué)列入學(xué)科研究方向，還有的學(xué)校將仿生學(xué)列為新專業(yè)，各種仿生機(jī)器人的研究論文涉及面非常廣泛，研究仿生學(xué)的學(xué)校和教師也非常多。但是，反映仿生機(jī)械學(xué)內(nèi)容的相關(guān)書籍卻很少，更缺少相應(yīng)的教科書。主要原因是仿生機(jī)械學(xué)是21世紀(jì)新興的學(xué)科，對該學(xué)科還沒有形成廣泛的共識。另外，仿生機(jī)械學(xué)涉及生物學(xué)、植物學(xué)、動物學(xué)、力學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、醫(yī)學(xué)、機(jī)械學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)、信息與控制學(xué)等多學(xué)科的知識，編寫覆蓋這樣龐大知識體系的教材難度很大，且編寫體系與內(nèi)容的選擇也是一個巨大的挑戰(zhàn)，存在很大的難度。
考慮到社會的需求以及我們在從事仿生學(xué)、生物力學(xué)和機(jī)械學(xué)領(lǐng)域中的科研與教學(xué)經(jīng)歷，我們決定嘗試編寫仿生機(jī)械學(xué)。
1�本帉懼笇�(dǎo)思想
系統(tǒng)性、知識性、趣味性、新穎性、科普性和應(yīng)用性相結(jié)合是編寫本書的指導(dǎo)思想，在形式上力求圖文并茂。
（1）系統(tǒng)性本書力求從生物學(xué)基礎(chǔ)知識、仿生學(xué)基礎(chǔ)知識、機(jī)械學(xué)基礎(chǔ)知識到各種仿生機(jī)械的設(shè)計與分析，形成一個完整的仿生機(jī)械學(xué)的新體系。
（2）知識性本書從生物進(jìn)化、植物分類及其運動特性、動物分類及其運動特性開始，闡述人類模仿動、植物的這些特性對社會發(fā)展做出的貢獻(xiàn)，進(jìn)而論述仿生學(xué)的誕生及其分類，使讀者獲得一個完整的仿生學(xué)及仿生機(jī)械學(xué)的概念，最后講述陸地上跑的、天上飛的、水中游的各類動物的運動機(jī)理以及仿生設(shè)計方法，具有系統(tǒng)、完整的知識結(jié)構(gòu)。
（3）趣味性本書在知識性的基礎(chǔ)上，加強了具有科普性的趣味內(nèi)容。比如，步行動物分為爬行動物和走行動物，它們之間的異同點在哪里？如何區(qū)別它們的運動差別呢？本書不僅給予了詳細(xì)說明，還對它們的運動機(jī)理進(jìn)行了分析，具有知識性和趣味性。又