121世纪测试理论与仪器的特征
1.1测试对象的微型化和特性化
生命科学的发展和MEMS产品的研究与产业化，提出了一系列微测试问题，如基因、大分子、细胞、微器件、微系统、微芯片的测试。这些微测试问题不仅包括了几何尺寸、形状和运动规律，还包括了其它特性参数的综合测试。这些微测试问题，在通常情况下是不能用常规方法解决的，必须寻求新的测试理论、测试方法和仪器系统。
1.2测试尺度的大型化、巨型化
现代武器、船舶、飞机、汽车、建筑、农用机械、大型化工、石油及电力成套设备，其空间尺寸从几米已扩展到几十米、几百米，甚至到上千米。随着制造的精细化，其尺寸、形状、表面特征和安装精度越来越高，如汽车、导弹、飞机的外形尺寸及装配精度已提高到毫米、亚毫米级，甚至更高，而且必须在制造和装配现场进行测试。传统的“以大测小”的方法已不再适用，必须寻求新的测试理论，更加灵活的测试方法和测试设备。
1.3测试精度向超精密和纳米量级推进
超精密与纳米测量技术是超精密加工与纳米加工的先导和保证。中小尺寸常规机械加工、精密加工和超精密加工精度，预计2000年可分别达到1Λm、0101Λm和01001Λm，因此解决超精密和纳米精度测量问题，仍然是21世纪测试理论和仪器要解决的问题。
1.4测量规模的大型化、复杂化、全程化
伴随制造系统的信息化、集成化、网络化和全球化的特点，21世纪测量系统的规模必然越来越大，越来越复杂：一个测量系统的测量控制参数可能成千上万，测量对象不仅是一个零件或一台设备，还要解决离散制造系统和流程工业制造系统全程的动态测试、决策和最优控制问题，以及网络化制造中的测试和质量保证问题。测试、制造、控制、管理、决策的一体化是21世纪测试理论和仪器的一大特点。
1.5测试环境的多样化和复杂化
测试环境的多样化和复杂化是21世纪测试理论和仪器所面临的又一新课题，如高温、低温、恶劣的电磁环境、危险环境、强噪声（减速机噪声源剖析及应对措施）环境、空间及特种环境的测试问题。
1.6测试新概念和新思想层出不穷
由于各学科发展速度的加快和相互交叉融合，创新知识的急骤增加和测试需求的多样化，必然导致测试新概念和新思想层出不穷。20世纪后半期初露端倪的智能测试与智能仪器、模型化测试、误差补偿与误差分离技术、虚拟测试与虚拟仪器、虚拟环境仪器和虚拟环境下的测试与仪器、灰色测试、模糊仪器和控制器、可视化仪器、基于VXI、PXI总线的模块化仪器（即插即用）、现场总线及现场总线仪表、网络化测试与仪器、集成测试及系统、纳米测试技术等，都是对测试新概念、新思想的精彩描述，使测试理论和仪器的面貌焕然一新，极大地推动了现代测试理论和仪器的发展。
21世纪的测试理论和仪器将是新概念、新思想不断深化发展和层出不穷的新时期。
2仿生测试理论与仪器研究的科学依据
为了解决21世纪测试理论与仪器所面临的新问题，核心问题是创新，特别是原始性创新。借鉴生命现象的机理和运行规律模型来解决测试理论和仪器工程中的问题，是21世纪测试理论和仪器科学创新的有效途径，其科学依据是测试系统与生命系统之间存在着深刻的相似性。
2.1米勒建立的生命系统理论
米勒把生命系统划分为由8个层次和20个分系统过程组成的矩阵结构，为我们提供了一幅所有层次的生命系统结构图像，也为仿生测试理论与仪器的研究展现了一个更为广阔的蓝图。
生命科学发展到今天，已为矩阵图中大部分的结点（以●表示），找到了对应的实体，但也有些结点至今尚属空缺（以○表示），目前，生命科学模型的研究应该说仅仅是开始，虽然近年来发展很快，但相对整个生命系统来说也仅仅是极小的一部分。
2.2计量系统对生命系统的模拟
计量科学发展的初期就是从模仿人类对周围事物的感知能力开始的，后来人们又不断地创造了一些工具和仪器作为人类感知能力的延伸。到了近代，伴随信息科学的飞速发展，又在测试系统和仪器设备中融入了更多的智能，也无非是对人脑的思维规律的模拟，随着计量学应用领域的扩大和社会科学的发展，大规模计量系统又进一步对社会系统进行模拟。以上这些模拟的成功，根本原因是测量系统和生命系统具有深刻的相似性，这种相似性就是测量系统可以共享生命系统模型的科学依据。随着生命科学现象、规律及其模型研究的不断扩大和深入，只要深刻理解生命科学与计量学的这种相似性和计量学研究的目标，就可以不断创造出新的测试理论和仪器系统。
3仿生测试理论与仪器发展的简要回顾
3.1结构和运动仿生是进行测量系统设计的基本方法
人类最初就是模仿人手长（中国商代的象牙尺）、前臂长（古埃及的cubit）和脚长（英国的英尺）作为长度标准进行尺寸测量和标准传递的，后来又模仿人类肢体的运动来增加测量的范围和灵活性，但是，由于受到历史经济和技术水平的限制，传统的结构和运动仿生一直停留在简单的直接比较的水平，已经延续了几千年。1959年英国FerrantiLimited公司研制出的第一台三坐标测量机是在空间几何学成熟的基础上对人体上肢伸展运动的模拟，这种模拟必须有知识工程的配合，计算机技术的支持，因此它的发展持续了40年，直到今天才到了它的成熟期。测量机器人的思想是20世纪60年代伴随机器人技术的发展提出来的，英国LK公司曾制造了用于测量的机器人，但由于造价昂贵和测量精度不高而无法推广，迫使他们不得不回到悬臂式坐标测量机的开发与生产上。1994年，由美国Faro和Fermer公司推出的模仿人体上肢运动的多关节手臂式坐标测量机，由于其可便携、测量空间大、结构简单、造价低，很快得到工业界的认可，并获得迅速发展。从1995年开始，我们对拟人关节式坐标测量机进行研究，1996年底研制出第一台原型样机，1999年研制出第二台样机，在2m的测量空间内点的测量不确定度达到013mm.
模仿多足生物运动机理构建坐标测量机（用于轮胎测量）的思想，最早是在1947～1955年间由Gough和Whiteball提出来的，但由于当时许多技术条件的限制，很难实现而被冷落。1994年被称为“八面体六足虫”（octabedralhexapod）的VARIAX加工中心的出现，重新激起了人们的研究热情：1997～1998年日本的大岩孝彰等人连续发表3篇文章介绍其研究进展；从1997年开始，我们对其进行研究，初步结果表明，并联坐标测量机在刚度、精度和测量效率方面有其独特的优势，其惟一的缺点是测量空间较小。
在90年代后期，运动仿生测量另一个重大进展是，模仿人类颈部运动的目标跟踪式的坐标测量机的研制成功和在大尺度测量中的推广应用。
3.2功能仿生是仿生测量理论与仪器的一个重要分支
生物界丰富多彩和奇妙的视觉、听觉、力觉、触觉、滑觉、重力觉、味觉、接近觉、热觉等功能是人类进行传感器及测量仪器系统设计思想的主要来源和模仿对象。经过几十年的努力，人们已根据这些生物学原理研制出一大批可在工程中实际应用的各式各样的传感器。90年代功能仿生一大进展是对一些动物感觉器官特殊敏感功能的研究，导致了一系列工程测量问题的圆满解决，如对猫、蚂蚁、蜜蜂、白蚁等昆虫触须的研究，发现在猫的上嘴唇，每根触须有约200根感觉神经末梢，不仅能确定物体的方位，而且能响应位移和速度。昆虫的触须不仅能敏感接触、检测外部物体，而且能敏感气流，并具有味觉和热觉功能，是昆虫的导航系统，从而促进了触觉传感系统的开发。对水下生物视觉和声觉的研究促进了声纳仪器和水下机器人导航系统的发展。
人类从外界所获得的信息80是通过眼睛得到的，人的视觉系统的工作效率目前还没有任何一个巨型计算机或超级并行计算机系统能与之匹敌，因此对人类视觉识别和测量机理与应用的研究，近10年来引起了国际上广泛的重视，进行了大量的研究工作，取得了许多有用的成果。近两年，我们研究了两种视觉坐标测量系统：其一是将线结构光传感器与CNC机床的集成，解决了视觉相对机床坐标系任意位姿条件下的建模和标定问题，实现了CATCADCAM的集成；其二是开发了一种单摄像机测头成像视觉坐标测量技术，建立了系统测量模型和求解算法，提出目标测头的设计准则和系统的标定方法，有广阔的应用前景。
3.3智能仿生一直是测试理论与仪器研究的热点
人类的认知过程是一个非常复杂的行为，至今仍未能被完全解释。人们从不同的角度对它研究，从而形成诸如认知生理学、认知心理学、认知工程学和人工智能等相关学科。人工智能（能力）是智能机器所执行的通常与人类智能有关的功能，如判断、推理、证明、识别、理解、设计、思考、规划、学习和问题求解等思维活动。这些学科前沿，特别是人工智能与计量学科发展前沿相互交叉融合，对推动现代计量科学的发展产生了极其深远的影响，是新的计量学分支的生长点。
基于物理符号系统假设和有限合理原理的符号主义人工智能学派，又称计算机学派的人工智能和计量学的交叉融合推动了智能仪器、测量专家系统和测量语言的发展；基于控制论及感知-动作型控制系统的行为主义，又称控制论学派的人工智能与计量学的交叉和融合带动了探测机器人的开发；基于脑模型的仿生学派的人工智能与计量学的交叉融合是智能仪器研究的新热点。
从80年代初，我们就从事智能量仪的研究工作，并开发了一系列智能化量仪产品，进行了推广应用，还开发了一套三坐标测量机的测量语言系统，并在若干产品上获得了应用，目前在研的项目有基于事例的坐标机测量专家系统的研究等。
3.4生命过程和智能行为模拟（仿生）是极具生命力的开发领域
遗传、个体复制、自生长、自组织、自诊断、自修复、自适应等是生命过程的重要特征，学习、训练、操作、计划、决策、设计、诊断等人类智能行为的模拟正在改变着测量理论和仪器的面貌。
生命过程模型和智能行为模拟是20世纪后半期最活跃的研究领域。神经网络模型、遗传算法已大量用于测量系统的分析和控制，使测量系统的自学习、自组织、自诊断、自修复、自适应成为可能。面向对象的分析方法、设计方法是对人类设计思维的模拟，推动了基于动态连接库的模块化仪器的发展。模糊理论推动了模糊仪表和模糊控制器的问世，使直接受益的家电产品焕然一新。集成测量系统是人类对产品整个生命周期质量控制和管理的模拟，进而推动了网络化测试技术的发展。
虚拟现实技术的突破，为测量过程和全部测量思维与活动的模拟提供了一个更加广阔的空间和有力的工具。在国家自然科学基金的支持下，我们正在拟实测量和仪器领域进行系统的研究工作。
421世纪仿生测试理论与仪器研究科学问题
在即将到来的21世纪，围绕机械工程和先进制造科学领域，仿生测试理论与仪器工程研究有如下科学问题：①仿生测试与仪器工程相关的生命系统模型与相似性原理，如结构与运动、功能与信息、思维与知识、生命过程和智能行为、组织结构和运行模式等；②结构与运动仿生的大尺度空间测试与仪器系统建模理论、系统标定和关键技术，如拟人移动式坐标测量机和仿多足生物的并联坐标测量机等；③基于视觉脑模型的单目与双目视觉仿生三维物体识别、测量机理与三维重构理论与方法、提高精度的理论与方法；④基于多智能体（multi-agents）生物型，具有自组织、自诊断、自修复、可动态重组的大规模协同测量系统的组建与运行机制；⑤基于人工智能模型的大型智能测试设备与系统集成技术；⑥虚拟现实（VR）环境下的测试与仪器系统分析、设计、操作、运行理论、系统建模、动态仿真和实现技术；⑦仿生测试与仪器的新构思、新原理、新方法和新技术。
5简短总结
（1）21世纪测试理论与仪器的新特点，迫使人们寻求新的解决方案。
（2）测试系统与生命系统之间存在的深刻相似性是仿生测试理论与仪器工程研究的科学依据。
（3）测试理论与仪器工程发展的历史事实说明了仿生思想对测试理论与仪器创新和发展的巨大推动力。
（4）仿生测试理论与仪器工程是一个面向21世纪的创新研究的新领域，围绕机械工程和先进制造科学新发展，有一系列科学问题需要解决。