生物界一直是人類技術發展的重要知識來源，動物經過億萬年的進化，形成了適應各自生存環境的特性。人類根據動物這些驚人的特點，不斷受到啟發，尋找到解決工程、軍事、科研等不同領域的現實問題。仿生思維的應用極大促進了人類文明的進程，比如根據魚的形狀設計船、根據鳥雙翼設計飛機翼型等。

仿生技術，就是通過模仿生物的運動形態和身體結構設計制造出的效率更高的機械，融合了生物學、生物力學、醫學、機械工程、自動控制和電子技術等學科。

仿生技術近年來快速發展，廣泛應用于軍事、科研、醫療和航空航天等領域，取代或輔助人類進行極端環境工作。比如近些年熱門的波士頓動力四足機器人。

科技公司Festo更是推出了多種仿生機器人“全家桶“。

隨著對動物研究的深入以及科研設備的不斷升級更新，對于動物外形的模仿學習已不足以滿足需求，科研人員開始對動物的運動特性進行研究。

運動特性分析是仿生裝置的設計前提。為了獲取動物準確的運動數據，越來越多的研究團隊選擇使用被動式光學動作捕捉系統。實驗中將反光標識點粘貼在目標物上，利用紅外光學鏡頭捕捉反光標識點，通過計算重構標識點的三維空間位置信息來獲取目標物的運動數據。

吉林大學的研究人員以德國牧羊犬為研究對象，利用8臺光學動作捕捉鏡頭，實時捕捉德國牧羊犬各關節三維空間坐標信息，為運動學分析提供可靠的數據。通過對其不同步態的時序進行運動學分析，來研究德國牧羊犬步態運動學特性，定量分析德國牧羊犬的運動穩定性，建立仿犬四足運動模型的運動學及動力學計算模型，為四足機器人仿生設計及穩定性判斷提供理論依據[1]。

吉林大學的另一支研究團隊主要以雕鸮與長耳鸮兩種靜音鸮為研究對象，對比分析靜音鸮的飛行聲學特性、翅膀及羽毛的幾何形態學特征以及飛行運動學特征，并將靜音鸮的消音特征進行仿生應用研究，為仿生降噪技術提供生物模型。

實驗中，在對象鳥類翅膀上的關鍵部位貼上反光標識點，包括腕關節、翅膀前緣根部、翅膀尾緣根部等部位。利用三維運動捕捉鏡頭定位反光標識點，對長耳鸮、雕鸮與雀鷹的撲翼運動學參數進行采集，并分析計算運動學參數（撲翼頻率和關節角度等）與飛行軌跡（翼尖軌跡）[2]。

南京航空航天大學研究人員針對仿生干黏附機器人在許多具有外直角的環境下(如航天器艙內機箱外表面的外直角過渡)難以進行壁面過渡運動的問題進行了研究。實驗在大壁虎身上粘貼18個反光標識點，利用四臺光學動作捕捉鏡頭得到大壁虎各主要關節處的反光標識點的三維坐標，并建立了生物模型，分析其各腳掌的足端軌跡以及腰關節的俯仰角、偏航角和滾動角。

實驗得到了大壁虎腰關節在外直角過渡時的變化范圍和足端軌跡的生成規律，通過深入研究大壁虎外直角過渡的運動協調機制，對仿生干黏附機器人進行了結構優化，并基于生物學規律實現了機器人在模擬微重力環境下的外直角壁面過渡行為[3]。

NOKOV度量動作捕捉客戶案例

吉林大學威海仿生研究院

吉林大學威海仿生研究院的研究人員在進行生物原型研究及數學建模時，需要獲取蜥蜴運動時的姿態信息，他們在蜥蜴的身體及四肢上各貼了一些反光標識點，使用NOKOV（度量）光學三維動作捕捉系統進行捕捉。通過后處理模塊計算出蜥蜴足端與脊椎的三維運動軌跡、運動時身體的擺動角度、運動的速度與加速度，利用這些生物原型的特征點信息，研究者可建立蜥蜴運動的數學模型。

參考文獻

[1]    田為軍. 德國牧羊犬運動特性及其運動模型研究[D].吉林大學,2011.

[2]    陳坤. 三種鸮形態學、飛行運動學特征規律及其仿生研究[D].吉林大學,2012.

[3]    劉琦. 壁虎黏附接觸面積與跨外角行為的仿生研究[D].南京航空航天大學,2019.