刍议机械原理逻辑架构重建之四：

机械原理的结构层次划分

一、类比和层次划分问题的提出

大约是二零一五年，随着关于机械原理疑问的增多和研究的深入，想到，应该是做一个整理，对这个机构学作一个改动或整合。而且还产生了一个新的想法，把生物学和机械做一个类比。这是一个跨界的想法。而作者对生物学的知识几乎一无所知。因为，我们那个时候，上中小学正是文化大革命，没有生物课程。我们学的是农业基础知识。虽然老师很好（借文化大革命的“光”），教我们农业基础知识的老师是一个大学的教授，华林宝老师，右派，带着自己的女儿被下放农村中学。估计这个教授知识很丰富。但是，传授给我们的仅仅是书本的可怜的一点知识。后来大学学机械，再没有接触过生物学。

为了补脑，就买了几本书。从高中的生物学教材看起，后来逐渐看到大学生物学教程。更多的更高深的没有接下去看。

还有类比方法，作者也是比较生疏的。据说，国外以下大学是开逻辑学的。国内我们上学时是不开逻辑学的。于是，有买了几本逻辑学书籍，恶补一下逻辑学和类比方法。

于是，一个特殊的旅程开始了：在机械原理方面不够精深，生物学所知甚少，类比方法也不太熟悉的大背景下，就是说，拿着一个不太熟悉的方法工具，对于两个知之不多的学科进行类比，类比还要有创造性，生成新知识。回想起来，说心里话，感觉有点奇葩。但是这是真实的情况。你可以说不知天高地厚，你可以说无知者无畏。但是作为一名退役老兵，要不惧艰险勇往直前！

这注定是充满困难的过程，是一个不断探索的旅程，也是一个不断学习的过程。
  以下说的类比，是生物与机械的类比。是物与物的类比。考虑对等型，先从生物与人工物类比说起。下面，不失一般性，机械部件称为机械人工物。 

二、关于类比

类比是把不同的两类对象进行比较，根据两类对象在一系列属性上的相似，指出两个不同领域或不同问题之间的相似性，以便更好地理解和预测事物之间或后一个事物之间的关系，从而获得新的知识的方法。

我们试图做如下的推理：如果生物体具有属性a 、 b 、 c 、d 、e，我们假定机械人工物也有类似的相似特性，例如具有a,b,c,d,e,f 等中的一部分或全部或更多属性。我们的任务是寻找或探索或发现甚至去重建这个相似性。

相似性可以从多个维度进行判断，例如形状、功能、结构、属性,理论等。所以相似性是宽泛的，是开放的。思维是可以放开的。

类比，作为一种推理方法，是通过比较不同对象或不同领域之间的某些属性相似，从而推导出另一属性也相似。它既不同于演绎推理从一般推导到个别，也不同于归纳推理从个别外推导到一般，而类比推理是从某一特定的对象或领域外推到另一个不同的特定的对象或不同的领域。所以类比推理具有或然性。类比得到的结论是需要严格论证和严格捡验的。

我们提出了大胆类比，小心验证的思路。勇敢的提出自己的构想，形成自己的假说。然后认真的逐一的验证。一切类比结果以检验正确为准。要求新理论新概念新逻辑架构能够说明现有现象，不能与原有理论有冲突，能够自洽等等。

三、生物的特性

（一） 生物共同的特性

  生物学的科学知识，内容十分丰富。我们关心的是最基本的东西。经过筛选，有两个方面的内容值得关注。一个是生物的基本特征，一个是严整的生命结构和层次，包括各个层次的生命体的生成逻辑。
  生物的基本特征，有多种不同的叙述方式。但是，本质都是相同的。以下是浙江大学出版社的高中生物学教科书给出的八个基本特征。
  第一，生物体具有共同的物质基础和结构基础。以细胞为基本结构单位和功能单位。

第二，生物具有相同的化学成分。
第三，生物体都具有新陈代谢作用。新陈代谢是一切生命活动的基础。
第四，生物体都有应激性。
第五，生物体都能维持生物体内的稳态

第六， 生物体都有生长、发育的现象。
第七，生物体都有生殖和遗传的特性。
第八，生物体都有变异、进化和适应环境的能力。
如果类比，可以探讨从这八个方面的某个方面或全部内容进行类比。

（二）生命系统的结构层次

 生命系统来源于非生命系统，所以一方面生物比非生物高级，另一方面生物具有和非生物共同的属性，包括具有一定的结构层次。

首先，组成生物体的化合物和无机化合物，主要包括水和无机盐，有机化合物主要包括脂质，蛋白质，核酸和糖类。这些非生命物质，是构成生命体的基础。在这个基础之上，按照从简单到复杂的顺序，生物的结构层次表现为以下几个层次。

细胞层次，细胞是生物体结构和功能的基本单位。例如心肌细胞
　　组织层次，由形态相似，结构、功能相同的细胞联合在一起。例如，心肌组织。
　　器官层次，不同的组织按照一定的次序结合在一起形成器官。例如，心脏。
　　系统层次，系统是能够共同完成一种或几种生理功能的多个器官按照一定的次序组合在一起的整体。如循环系统。
　　个体层次：个体由各种器官或系统协调配合共同完成复杂的生命活动的生物。例如鲫鱼。单细胞生物由一个细胞构成的生物体。
　　种群层次，是在一定的自然区域内，同种生物的所有个体是一个种群。例如一个鱼塘里所有鲫鱼。
　　群落层次，是在一定的自然区域内，所有的种群组成一个整体。一个鱼塘里所有生物是一个群落。
　　生态系统层次，是生物群落与它的无机环境相互作用而形成的统一整体。例如池塘生态系统
　　生物圈层次，由地球上所有的生物和这些生物生活的无机环境共同组成。地球只有一个生物圈。 

（二） 生物的生成关系

  生物体具有严整的结构.也就是说细胞是生物体结构和功能的基本单位。生物具有严格有序的层次。严格有序的层次还包括如下生成关系。

生物的基本结构和功能单元是细胞。由细胞生成组织，组织生成器官，器官组成系统，系统生成动物个体。而植物没有系统，直接由器官生成个体。这是生物的结构严整性。

生物体中，单个细胞可以组成个体，多个器官可以组成植物个体，多个系统可以组成动物个体。单个组织，单个器官，单个器官似乎不能独立的构成一个生物个体。

四、 机械人工物与生物类比什么？   

（一） 确定类比的范围和层次    

自然界的物质按照产生的时代不同，可以分成三大类。一个是无生命的自然物质世界，有150亿——200亿年历史。第二个是生物世界。（据科学家推测，直到40亿年前，海洋中才有生命的诞生），第三个是人工物。人工物是在人类出现后才有的。对于自然界的物质结构，经历代科学家的不断探索，已经建立的比较完整的物质结构理论，包括原子学说，元素周期律，天体运行理论等等。可以说，物质世界有了严整的结构层次。天然产生的生物是进化得来的。对于生物，细胞学说的建立，形成了生物自己独特的结构严整性理论。

研究发现，生物与自然物，在广义进化方面有相似性。

而人工物是人造的，也有自己的独特的进化规律。人工物的发展很快，有研究表明，现在所有人工物存量已经超过了所有生物的存量。现有的人工物也有自己的结构理论。只是，专家认为结构比较分散，结构缺乏系统性。

  机械人工物属于技术人工物的范畴。机械人工物与生物体的类比，是部分人工物与全部生物体的类比，是不对等的类比。生物体与人工物在宏观上是对等的。有两种对比策略，一个是先整体再局部，一个是先局部再整体。生物体与机械人工物的类比，我们可以从更大的范围去考察观察。先考察人工物与生物的类比可能性。然后从局部对比开始，逐步扩大对比范围。

我们发现，与生物相比，人工物与生物之间，在某些方面，还是可以找到不少的相似性的。我们用类比的方法，将人工物与生物类比，从严整的结构角度，探讨他们之间的关系，有望形成新的技术人工物的结构理论体系。
  人工物包括两种，一个是材料人工物，一个是制品人工物。材料人工物是一切制品人工物的构成物质。材料人工物是衡量人类社会进步的一个重要标度。制品人工物是用材料人工物制成的具有可进行物质或精神消费的制成品。材料人工物是材料学的研究对象，机械原理仅研究制品人工物。在人工物的结构严整性的研究中，材料人工物和制品人工物二者的地位是不相同的。材料人工物是人工物研究的基础.他是人工物细胞的基本组成材料，是连接子和基体的构成部件。人工物严整形重点研究制品人工物。

通常我们在谈人工物的结构严整性的时候，通常指的是制品人工物，而不包含材料人工物。如此一来，我们就把我们的对比对象，做了一个比较好的界定。外延范围划去了整整一半。为研究方便，如果我们再把研究范围进一步限制，限制在技术人工物的范畴，则范围更小。再进一步限制，限制在机械人工物。则附合我们的初心。或者说，先研究机械人工物，解剖一个麻雀，建立一个机械子系统的理论框架，然后，如果有必要，从这个理论框架为基础，开始逐渐扩展，再逐步扩展延伸到其它技术人工物，例如液压气动，建筑，电工电子等。

（二） 寻找类比的内容   生物的七大特征与机械部件的简单对比  

生物体有八个特征。我们是与全部八大特征类比，还是仅比较几个方面？对这个问题，有必要做简单的分析，给出一个思路。

关于生物体八个基本特征，我们与技术人工物的技术特征，一一简单对比，看一看，人工物与生物类比的可能性。
  1、生物体具有严整的结构。生物体是一个系统，有自己的结构和结构层次。机械也是一个系统，有自己的结构。这是我们进行类比的一个基础。在这一个方面似乎是可以类比的。

2、生物具有相同的化学成分。机械人工物也有类似的特性。虽然各自涉及的材料大不相同，但是仍有相当的可比性。
  3、关于生物体能进行新陈代谢。这个新陈代谢包括的内容太多，太广泛，机械人工物还欠缺这个方面的能力，可以进行对比的东西几乎没有。故，在这一个层面不能类比.

4、关于生物体具有应激性。机械人工物的这个方面的性能也算仅仅刚起步。例如现在生产的一种柔性的物质，在重力的冲击下马上变硬，那么这样可以理解为他的的一种应激性，这种应急性特性可以做防弹背心。这是简单的初级的应变。不说了，这个层面也是不可类比的。

5，生物体都能维持生物体的稳态。技术人工物也有类似的稳定性。这个层面，具有可比性。

   6、关于生物体能生长、发育。 现在的机械人工物也表现出了其生长的这个趋势，例如液晶的可控的生长，还有前段时间检索到的就是一个化学物质的结构性生长，中国的一个院士做出来的可控的一个生长过程，那么都可以理解为一个生长。当然了，这是很简单的，机械的生长，与生物的生长是不可同日而语的。故不便类比。

7、关于生物体能生殖和发育。生殖和发育目前在机械人工物或其它人工物中当中，还没有看到成功的先例。所以暂时不能类比。
  8、关于生物体具有遗传和变异的特性。遗传和变异，机械人工物是不能与生物类比的。

综上，生物的八大特征，都与生命活性有关，而人工物缺乏这个特性。但是仍有可类比之处。例如逻辑架构层次性，结构稳定性，和特殊的物质成分。经过思考认为，我们选择的是生物结构的完整性和层次性进行类比。

五、 研究过程的三个阶段及研究成果  

  类比的过程是一个比较漫长的探索过程。历时近十年，大致经过这样几个阶段。每个阶段都有对应的成果。

  （一）第一阶段：定义实体运动副概念，形成简单层次结构

  1 发现问题

 深入分析，我们发现机械的层次十分有限。从概念上看，基本概念有零件构件，组件，运动副，高副，低副，运动链，机构等。在这几个概念中，运动副只是一个连接，高副低副也是一种连接，不是一个实体部件。不能作为一个实体层次。零件和构件、组件，是同一类部件，构件可以代表零件，可合并为一个层次。运动链与机构，是十分接近的两个概念，而且运动链是不能独立应用的部件。机构可以代表运动链。

于是，机械原理的实实在在的部件层次，仅剩下的就是一个构件，一个机构。就两个层次。这是从机械原理归纳得到的层次，我们称为二层次说。从机构的定义知道，机构是由构件组成的构件系统。这个定义也证实了二层次说。一个复杂的机构或机械系统仅仅两个层次，直觉上，有欠完美之嫌----层次有点少。

2、 构建实运动副

我们最先想到的是把这个运动副变为一个实体。目的比较简单，就是要增加一个层次。把虚运动副变成为一实实在在的实体层次。这是实体运动副产生的动因。后来发现这个实体运动副的概念产生，具有重要的理论意义和实际意义。这个以后再慢慢说。

如前所述，实体运动副是由两个构件一个耦合子组成的实体部件。完全有资格作为一个实体层次。生活中，作为个体的实体运动副十分常见。如剪子，钳子，曲别针等。

3、归纳发现三层次说

到这一阶段，由于引入实体运动副层次，初步形成了三个层次。构件，实体运动副和机构。初步认为，机构的层次中，没组织层次，没系统层次。认为，植物就没有系统层次。机构中缺少两个层次也是很正常的。

这三个层次也有合乎逻辑的生成关系，由构件生成实体运动副，实体运动副生成机构。逻辑架构虽然略显粗糙，但顺理成章，亦可自圆其说。

 （二）  第二阶段 增加类比层次， 补全对应物。

三层次说，虽然形成了初步的结构层次。但是，有些不尽人意。与生物体的5个层次（不讨论种群、群落等更复杂层次）比较，还有深入研究的空间。我们的科学问题是，机械人工物中，还存在有其它层次的对应物吗？如果有，是哪些，是实际存在的还是需要重新定义的？一种追求完美的意愿，促使我们做出继续努力，找到或配置缺少的层次。 

  1、 机构层次再划分

我们发现，如果把这个生物个体对应成一个机构，我们会发现这个机构是一个庞大的群体，一个庞大的层次，系统。包含的内容太多，十分复杂。单是从复杂性说，有简单的机构，有复杂的机构。一个指甲钳是一个机构。一个四足步行机器人是一个机构。一个复杂的航空发动机是一个机构，一架飞机也是一个机构或机器。

机构进行新的划分，把它分成不同的层次，我们的初步想法是分成两部分：一个是简单机构，一个是复杂机构。

简单结构包括两个大部分。一个是经典机构的元机构，包括基本的齿轮机构凸轮机构连杆机构和间歇运动机构。一个机器人机构，主要是二自由度或多自由度连杆机构。本文研究后一种。下面的简单机构就是指串联机构，并联机构，混连机构和网联机构。复杂机构就是简单机构以外的机构。简单机构的对应物是生物中的系统。那么复杂机构在生物中的对应物是个体。于是，一个机构被分为两个层次，简单机构，和复杂机构，都有恰当的对应物。原来的三个层次变为四个层次。

2、为生物组织寻找对应物

生物组织层次的对应物是出现最晚的一个层次，是一个硬拼出来的一个层次。我们发现，建筑学科中的构筑物，缺少对应的层次，可以与生物组织对应。于是把生物的组织层次与构筑物联系起来。推广到其它机械领域，形成了一个新层次，发展成为定常结构。组织层次出来之后，就发现，很多刚性结构与之相对应，是确确实实存在的一个实际的类别，一个实实在在的层次。特别是，定常结构的生成方式，不仅仅构件可以组成定常结构，有时实体运动副单独也可以组成定常结构。例如，实体转动副固定连接成三角形网格，就是一个定常结构。在这种定常结构中，实体运动副失去活动能力。有时构件与实体运动副配合也可以组成定常结构，实体运动副的活动能力仍然存在。例如一些大跨度梁，其端部连接多采用一组移动副，应对温度等形成的变形。所以，定常结构是一个含有反馈部件的部件。不能完全用构件代替。定常结构作为一个独立存在的层次，毋容置疑。

至此，四个层次变为五个层次。各个层次，基本上都找全了对应物，形成了对应关系。构件层次，定常结构层次，实体运动副层次，简单机构层次，复杂机构层次。与生物体的五个层次有了一一对应关系 

  3、为复杂机构再划分层次

对复杂机构进行一个重新划分，进行分类，也是随着认识的深入，逐渐逐渐产生的，这是近三四年的事情。5个层次已经形成了比较好的对应。后来发现这个复杂机构太过繁多。有些复杂机构包含十多个串联机构。它们之间缺少简单的生成关系。还应该再划分一个层次。

在工程机械当中，是把动物的腿，动物的臂，作为一个独立的部件、仿生的部件，形成产品，获得广泛的应用。例如，各种工业机器人。称为腿臂机构。这应该是代表一个层次。所以按照工程界的情况，把复杂机构称为机构群。把机构群一分为二。一类如工业机器人，称为单机构群，一类如步行机器人或机床，称为复机构群。 

单机构群是对多足动物腿部、臂部，脖子，脊椎，尾巴等机构的高度概括和总结。通常，单机构群有一个机构，有一个输出，自己独立完成工作。例如一个装配机器人。复机构群是二个或多个机构的组合体，有两个或多个输出端配合完成工作。例如，一个人形机器人，一个机床。

  在增加了新的划分层次后，得到以下结构层次：

从简单到复杂，依次排列：构件层次，定常结构层次，实体运动副层次，简单机构层次，单机构群层次和复机构群层次。每一个层次都可以形成独立的个体。这是六层次说。生物体的个体对应单机构群和复机构群。  

（三）第三阶段  简单机构的子层次再划分

后来又发现基本机构中的连杆机构（可称为机器人机构），也存在自己的层次。包括串联机构层次、并连机构层次、混连机构层次和网联机构层次。他们之间也存在着一个生成关系。实体运动副生成串联机构；实体运动副是串联机构的基本结构和功能单元。串联机构（串联运动链）生成并联机构。串联机构是并联机构的基本结构和功能单元；并联机构、串联机构生成混连机构，串联机构和并联机构生成网联机构。并联机构和串联机构是混连机构和网联机构的基本结构和功能单元。

网联机构是一个新提法。是作者为串联并联混连找到的新伙伴。网联机构就是可展机构。是与串联并联并列的一种机构。网联机构的名称为可展机构在机构家族安排了一个位置。

顺便指出，在表达生成关系时，使用了不太严谨的表达。例如，“串联机构是并联机构的基本结构和功能单元”中的串联机构应当是含有一个驱动的串联运动链。说并联机构的基本结构和功能单元是含驱动（不是满驱动）的串联运动链，是比较准确的。说并联机构的基本结构和功能单元是串联机构，不太准确。因为串联机构的运动副都是有驱动的。

在不至于引起混淆的前提下，两种说法都是可以接受的。这儿，在不至于引起混淆的前提下，串联运动链与串联机构，构件与定常结构可以互相替代使用。并联机构混连机构网联机构的生成也有类似的情况。

特别是论述生成关系时，互相替代应用，比较方便。串联机构的每一个运动副都是主动副，而构成并联机构的支链，如果是串联运动链，则至少一个运动副不是主动副。

（四）、第四阶段  验证过程和结论解读

1、验证过程

层次划分和建立的过程就是一个不断调整迭代修正的过程。确定一个结论时，必须满足基本的逻辑自洽。例如，三层次说，可以做到基本自洽。建立后，还要在更广泛的基础上，去核实验证，从各个层次的关联中去对比查证。

  新的逻辑架构，只是对原有知识体系的重新组合，解读。原则上不会出现大的冲突。只是一些新概念的引入，使得少数知识点的表达要做适当的调整。前面的博文指出了一些。例如，平面机构的自由度计算公式的调整，机构的定义，机构的基本结构和功能单元等。以后，在适当的时机，还会指出需要调整的小问题。

机械原理体现的理论，在引入了新的概念之后，原来的理论仍然可以使用。新逻辑架构对原理论根基不产生实质性的影响。如果有个别的影响，经过适当的调整之后，仍然可以应用。

2、结论：各个层次及其生成关系

一般说，各个层次的生成关系基本是这个样子的：材料生成构件，由构件通过固定连接生成定常结构（对应生物组织组织），构件是定常结构的基本结构单元。构件生成耦合子，构件（含定常结构）和耦合子生成实运动副（对应生物器官）。构件是实运动副的基本结构单元。耦合子是实运动副的基本功能单元。实体运动副生成简单机构（机构对应生物系统），实体运动副是简单机构的基本结构和功能单元。简单机构生成复杂机构（复杂对应生物个体）。或者说。简单机构构成单机构群，单机构群生成复机构群。简单机构就是单机构群的基本结构和功能单元。单机构群就是复机构群的基本结构和功能单元。这就是基本的生成关系，就是机械人工物的结构严整性。

这就是机构层次划分的大致的一个产生过程。这个过程比较漫长，用了十多年的时间逐渐推进，完成的。这个过程，也不是作为一个特殊的任务要解决，刻意完成的，好像是自然而然，慢慢形成的一个过程。因为，这么多年，作者的主要任务，重点工作是机器人方面专利的申请和推介。逻辑架构的重建只是附带的一项工作。

六、生物与机械人工物在结构层次上的其它异同

  一方面，作为生物与非生物，二者表现出很大的不同。最大的不同点是生物体具有生命现象，而技术人工物和机械人工物是无生命的系统。这是最大的不同，也是大家都知道的一个事实，这是无可非议的。所以我们仅仅做结构和层次方面的类比。

第二方面，生物体的结构层次与机械人工物的结构层次对比，经过调整重建，又展示出在结构层次上令人惊奇的一致性。他们有着相似的结构层次，每个层次，都有着类似的生成关系。其中深层的原因还有待进一步分析。
  其它的异同主要有以下两点。

（一）存在相似的嵌套式的生成关系

 生物中存在复杂的嵌套关系。例如，果实中含有种子，种子中含有遗传因子。机械人工物中也存在嵌套现象。
    一个是，在机械产品中的生成过程中有反馈现象。也就是说。高层次部件可能出现在低层次的部件中。例如，一个运动副，会包括机构；一个定常结构，会包括基本运动副。

（二）单个层次的部件可以构成个体

  生物当中，只有细胞，可以独立的组成一个生物个体。而单个组织，单个器官，单个系统都不能独立的组成生物个体。而多个组织，多种器官可以构成植物，多个系统可以组成动物个体。

并不是单一的每个层次的生物体都可以构成一个个体。但是，机械人工物不同。机械人工物当中的每一个层次的部件，单个部件都可以组成一个独立的个体，组成一个独立的产品，投入应用。一个构件，可以构成一个实用的个体，例如一个钉子。实际应用当中，一个机械组织（定常机构），可以形成一个独立的个体。例如一把梳子，一个耙子，都是单独的一个定常机构，都可以独立应用。例如，实体运动副可以构成一个钳子，一把剪刀。系统作为一个简单机构，一个机构就可以构成一个独立的产品。例如一个剥线钳，一个大力钳等都是一个简单的独立的机构。它们都可以独立的作为一个产品应用。简单机构群，可以独立的构成一个产品。例如，一个装配机器人可以作为一个独立的产品。复杂机构群，例如人形机器人、四足步行机器人等都可以做一个独立的个体。 

七、类比的启示和后期工作展望

类比的过程，这是一个逐步扩展的过程，是一个逐步登高望远的过程。这个过程还远没有完结。一方面，因为就生物学的八个特征来看，我们所做的仅仅是结构严整性层面的类比。有七个方面没有进行类比。当然，这八七个方面可类比的内容现在比较少。可以说类比没有太大的意义。另一方面，仅仅是机械人工物与生物主体的类比，不具有对称性。完全对称的类比是整个人工物与生物的类比，至少是技术人工物与生物的全面类比。

本次结构层次的类比，将会是一个推动力。推动二者相互学习，相互借鉴，从而建立更多的相似性。因为在其它层面，现在可类比的东西太少，以后要在这个推动力的推动下，将逐渐建立起他们之间的相似性，完善他们的可比较性。从而形成两个完全可比较的物种，最后推动两个物种走向统一，走向融合。    

在新的基础逻辑架构的重建研究中，产生了若干新概念。其中实体运动副概念和单机构群概念致为重要。 单体机构群模型的一般构造和生成方式及应用，复机构群的生成等等，在以后的博文中叙述。