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1、 基于基因工程的堆垛机变型设计研究 摘要 本文首先提出了课题的研究背景和研究意义，分析了堆垛机、变型设计和基因工程国内外的研究现状，提出了基于基因工程变型设计理论，并将其应用于堆垛机变型设计系统的开发。 理论上，类比生物基因工程，研究了产品基因工程，对 产品基因工程具体内容进行了详细的介绍，在此基础上提出了支持产品基因工程的设计理论，包括功能表面理论和用于基因表达的生长型设计理论，建立了变型设计中的产品基因模型 ，得到了山西省自然科学基金“基于基因模型的机械产品变型设计理论研究（ 2008012007）”的支持。 技术应用上，提出了包括基因提取、基因扩增、基因重组和基因表达在内的基于基因工程的
2、变型设计关键技术。 在基因理论的指导下，将基于基因工程的变型设计关键技术应用于机械产品变型设计，以双立柱巷道式堆垛机为开发对象，按照客户提出的设计要求，详细分析了堆垛机产品结构，对堆垛机产品基因进行了分解和重构，以 SolidWorks2010 为软件开发平台，利用程序设计语言 Visual Basic6.0 对 SolidWorks 进行二次开发，构建了系统人机交互界面，开发了模型驱动模块和工程图调整模块，实现了堆垛机金属结构变型设计系统 。 基于基因工程的堆垛机变型设计系统的开发，一定程度实现了产品的系列化和自动化 设计 ，具有良好的创新性， 有助于提高企业设计 效率，能够快速响应市场需求
3、。此系统的可靠性已在太原刚玉物流工程有限公司得到了有效验证。 关键词 ：基因工程，堆垛机，变型设计， SolidWorks Research for Stacker variant design Based on Genetic Engineering Abstract This dissertation proposed the background and significance of the research firstly, analyzed the research status of the stacker, variant design and genetic engineer
4、ing at home and abroad, put forward genetic engineering-based variant design, and applied it to the development of stacker variant design system. In theory, analogized of the biological genetic engineering, researched genetic engineering of the product, based on which, proposed the support product d
5、esign theory, including the functional surface theory and the growth design used for gene expression, established a variant design product gene model，received the support of Natural Science Foundation of Shanxi Province “ Mechanical product variant design theory based on Gene Model(2008012007)” . In
6、 technology applications, the key technologies of genetic engineering-based variant design were proposed, including gene extraction, gene amplification, gene recombination and gene expression. Under the guidance of the gene theory, the key technologies of genetic engineering-based variant design use
7、d in mechanical product variant design, two-column tunnel-type stacking machine as the development object, According to customers design requirements, detailed analysis of the stacker s structure, decomposed and reconstructed the gene product stacker, using SolidWorks2010 as software development pla
8、tform, Using programming language Visual Basic6.0 to development SolidWorks secondary, Built system human-computer interface, developed model-driven modules and drawings adjustment modules to achieve the variant design system of the stacker metal structure. The development of genetic engineering-bas
9、ed stacker variant design system, Achieved Series and automation of products design in certain degree, good innovative, improved the design efficiency of enterprise, quickly respond to market demand. The reliability of the system has been effectively verified in Tai Yuan Gang Yu Logistics Engineerin
10、g Co., Ltd. Keywords: Genetic engineering, Stacker, Variant design, SolidWorks I 目 录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题研究背景和研究意义 . 1 1.2 堆垛机发展现状 . 2 1.3 变型设计研究概述 . 3 1.4 基因工程研究概述 . 6 1.5 本文研究内容 . 8 1.6 论文体系 . 8 第 2 章 机械产品基因工程设计理论 . 9 2.1 生物基因工程 . 9 2.2 机械产品基因工程 . 10 2.2.1 产品基因概念 . 11 2.2.2 产品基因特征 . 11 2.2.3 产品基因内容
11、 . 12 2.3 支持产品基因工程设计理论 . 13 2.3.1 功能表面理论 . 13 2.3.1.1 概念的提出 . 13 2.3.1.2 功能表面 . 14 2.3.1.3 基于产品基因的功能结构映射模型 . 15 2.3.2 生长型设计理论 . 16 2.3.3 变型设计中的产品基因模型 . 17 第 3 章 基于基因工程的变型设计关键技术 . 18 3.1 产品基因提取技术 . 18 3.1.1 产品原型 . 18 3.1.2 产品功能基因（ FGs）的提取 . 19 II 3.1.3 产品结构基因（ SGs）的提取 . 19 3.1.4 产品控制基因（ CGs）的提取 . 20
12、3.1.5 目的基因的提取 . 21 3.2 产品基因库的构建 . 23 3.2.1 数据库技术 . 23 3.2.2 产品基因库 . 23 3.3 产品基因的扩增技术 . 24 3.3.1 基因扩增 . 24 3.3.2 基于系列零件设计表的产品变型设计 . 25 3.4 产品基因的重组技术 . 26 3.4.1 产品基因重组 . 26 3.4.2 基于配置的产品变型设计 . 28 3.5 产品基因的表达技术 . 30 3.5.1 基因的表达 . 30 3.5.2 产品基因表达过程中的基因传递 . 30 3.5.2.1 属性值基因传递 法 . 31 3.5.2.2 尺寸关联 法 . 31 3
13、.5.3 产品基因的编码技术 . 32 第 4 章 基于基因工程的堆垛机变型设计系统开发 . 36 4.1 堆垛机结构分析 . 37 4.2 系统开发方法和工具 . 37 4.2.1 开发方法 . 37 4.2.2 开发环境和开发工具 . 37 4.3 构建标准件库和数据库 . 39 4.4 构建堆垛机全息模型 . 39 4.5 参数设置模块 . 40 4.6 模型驱动模块 . 40 III 4.7 工程图调整模块 . 42 第 5 章 实例 . 44 5.1 系统参数设置 . 44 5.2 部件模型驱动 . 48 5.3 部件工程图调整 . 48 第 6 章 结束语 . 50 6.1 结论
14、. 50 6.2 展望 . 50 参考文献 . 52 攻读 硕士期间发表的论文及所取得的研究成果 . 57 致谢 58中北大学学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景和研究意义 随着 科学技术的不断进步 ， 以及 经济 的 市场化和全球化，物流发展已趋于完善 。 集物流、资金流和信息流于一身的物流配送中心，进一步加速了世界经济贸易的发展，使物流业迅速成为全球具有广阔发展空间的新型产业。现代物流业发展水平已成为衡量一个国家综合国力的重要指标，正日益受到全世界的重视。因此，加 快现代物流业的发展，对拓展经济增长空间，提高本国经济的市场化、国际化、信息化水平具有特别重要的意义 1。 快速
15、发展的物流业 使 自动化立体仓库系统受到 越来越多 青睐 ， 但是目前我国的堆垛机产品与国外技术相比，在覆盖范围、技术参数及稳定性和产业规模等方面均有较大差距。国外知名堆垛机厂家的堆垛机产量，据不完全统计，在 200台 /年以上 ， 基本实现了产品零部件批量生产，实现了堆垛机设计制造的系列化和模块化；相对来说，国内制造企业规模较小 ， 年产量在 100台以下 ， 还处在以项目合同来推进设计 、 生产的阶段 ， 并且在堆垛机产业化方面的 研究也很少 ， 产品技术水平和竞争力比较低 。 造成这种状况的重要原因是设计成本过高、产品开发周期太长、系列化设计水平低，存在大量重复设计的现象。如：手工设计计
16、算和出零件图的时间占到整个设计时间的 70%以上，产品开发的时间被压缩到不足 30%，虽然也开发了一些基于二维 CAD的设计系统，但效果并不是特别的理想。尤其在我国进入市场经济的条件下，市场需求的复杂性、多样化和个性化特征对企业产品提出了更高的要求。提高产品设计能力是企业产品快速适应市场需求、满足不同用户的使用特性 、 加快企业生产步伐、增强行业的竞争水平的最有效手段 ， 只有这样 ， 企业才低成本、高质量的占有市场。所以，提高堆垛机产品设计能力是产业化研究中十分紧迫的任务。 变型设计是提高产品设计能力 的 最直接方法。目前机械产品的变型设计经常采用两种方法：参数化 2和事物特性表 3。但是，
17、当参数化中参数间相互引用过多时容易导致模型发生混乱 ， 而事物特性表在部件间关系复杂时无法表达其全部关系，并且产品模型中北大学学位论文 2 更新困难。最重要的是以上两种方法均侧重于零件级模型的变型设计，在部件级和产品级模型的变型设计中往往捉襟见肘。文献 4提出了“顶层基本骨架”模型及建模方法，将自顶向下和自底向上 很好的结合起来，但研究侧重产品结构本身，很少涉及设计计算方面内容，不便于整套变型设计系统的开发。 生物基因工程的引入为产品的变型设计注入了新的活力。基因工程是通过人工操作生物基因控制生物性状的表达，使生物表现出满足人类意愿的性状和行为的生物科学技术。根据设计过程与生物进化的相似性，从
18、产品基因角度研究变型设计，就是从已有产品中提取出类似生物基因的产品基因，借鉴基因工程中对基因进行操作，按照新的设计要求对产品基因分离、扩增、重组和表达等，控制设计过程表现出符合新的设计要求的产品特性，实现设计过程优化和重用，构建 一种支持变型设计的产品基因工程的变型设计方法。 本文首先从产品基因出发，通过研究机械产品基因工程，总结出支持变型设计的 基于 产品基因工程的变型设计方法， 并将之应用于堆垛机的变型设计中，进一步结合产品族设计思想，加上设计计算的程序化，创新设计堆垛机产品，构建起基于基因工程的堆垛机变型设计系统，努力实现产品设计的自动化、系列化，能够高效、低成本的开发新产品， 快速响应
19、个性化的市场要求 。 1.2 堆垛机发展现状 堆垛机是随着立体仓库的出现而发展起来的专用起重堆垛设备，是立体仓库中最重要的起重运输设备。堆垛机的用途是在 高层货架仓库中，搬运着货物，在巷道轨道 上来回运行，将搬运的货物存入仓库中的货架，或将货物从仓库中取出 ，并搬运到仓库的巷道口 5。 立体仓库又称立库，随着科技的发展，它已具有多种功能，如物资的接受、分类、计量、包装、分拣配送等。它是一种以先进计算机控制管理为手段，自动控制堆垛运输车在高层立体货架进行存取作业的仓库，有助于实现高效率的物流、大容量科学的存储，能适应现代化生产的需要 6-7。由于自动化仓库的优越性，一经出现，便很快得到推广和发展
20、。自动化立体仓库已经成为物流自动化的显著标志，是集现代物资存取技术 、自动中北大学学位论文 3 化控制技术与一体的高新技术产物，是现代化快速生产的必然产物。目前，美、日、德、英是世界上拥有自动化仓库最多的国家 8。 1950年，美国首先生产了手动控制的有大梁的桥式堆垛起重机，还提出了高层货架的概念。在五年后，首次出现了由人工操作的没有大梁的巷道式堆垛机。 1963年，最早出现了自动化仓库。此后，欧洲各国，高度为 25到 30米的自动化仓库开始建造，相继完成了一些全自动化仓库。同样，日本也抓紧了堆垛机的研制， 1967年完成了高 25米的高层堆垛机安装 ， 联机自动化仓库在两年后也投产了。随着自
21、动化仓库技术的 迅猛发展，堆垛机逐渐在日本得到普及。 1970年欧洲生产了高达 40米的地面支承式堆垛机，替代了货架支承式堆垛机。 1973年日本建成了世界上第一座极低温自动化冷藏库，进一步提高了堆垛机的性能。上个世纪 90年代以后，堆垛机性能上有了很大提高，使用范围也逐渐扩大。日本的自动化仓库技术和自动化仓库的拥有量位居世界前茅 9。 在中国，立体仓库是从 20世纪 70年代初期在消化吸收德国堆垛机生产制造技术的基础开始发展的。 1980年，在北京汽车制造厂投产了我国第一座自动化立体仓库。 1995年，中国独立设计和制造了综合自动化程 度最高的名为仪征化纤工业联合公司涤纶长丝自动化立体仓库
22、10。到现在我国己有多家单位研制和生产自动化立体仓库。如太原刚玉股份有限公司、西安迪普物流机械有限公司、上海精星仓储设备工程有限公司、西安斯达机电有限责任公司等。 目前我国已建成的立体仓库有 300座左右，其中 有 50多座全自动的立体仓库，主要集中在传统优势行业 ，如烟草、食品和 机械制造业等。 2006年，海尔研制了采用世界上最先进的激光导引无人运输车系统进行操作的高 22米的立体仓库，装卸货物自行完成，实现了物流的智能化 11。 随着我国经济的快速发展，堆垛 机技术也得到了较快发展，但是在堆垛机的研究能力、产品的规格和品种、发展速度、工作效率、以及堆垛机普及程度上，与发达国家相比，还有很
23、大差距，还有待于进一步的提高 12。 1.3 变型设计研究概述 变型设计是关于设计方法和 设计 过程的一种分类定义， 是 通过对现有设计模板的局部结构形式和参数做出一定范围内的变动、调整，来满足特定的功能要求或用户个中北大学学位论文 4 性化需求，以形成适应性产品的设计技术。国内外学者在变型设计上作了很多工作，提出了很多理论和方法。其中主要有：基于相似设计理论的变型设计、基于模块化技术的变型设计、基于特征的 变型设计、基于参数化和变量化设计方法的变型设计、基于关系型产品模型的变型设计、基于产品动态模型的变型设计、智能变型设计等。 (1)基于相似设计理论的变型设计 将相似设计理论应用于变型设计中
24、称为基于相似设计理论的变型设计。首先选定相似系列产品 （ 系统相似，尺寸参数成一定比例关系 ） 中的特定系列作为基型，确定基型产品的尺寸和材料等主要决定参数，根据相似设计原理设计出扩展型产品的尺寸和参数。基于相似设计理论的变型设计是目前应用比较广泛的一种设计方法 13。 (2)基于模块化技术的变型设计 模块化变型设计就是模块化思 想在变型设计中的应用。模块化设计是通过分析产品功能，对产品功能进行分解和模块划分，结合客户实际需要，对经过划分的模块合理组合，构成功能或规格不同的变型产品。模块化设计包括模块创建和模块综合两个过程。模块化变型设计可以大大缩短产品的设计、制造周期，增大了产品的适应性，快
25、速响应用户需求，提高了产品的竞争力 14-15。 天津理工大学的马彪 16对产品变型设计的理论和方法及模块化技术进行了系统深入的研究，实现了 CBR 技术和产品树结构在模块化产品设计中的应用；开发了基于Pro/Toolkit 的产品参数化设计子系 统；构建了满足产品变型设计的 CAD 系统，并成功地应用于螺杆泵产品变型设计中。 (3)基于参数化设计方法的变型设计 参数化设计是通过建立参数的关联与约束，对设计对象的尺寸参数修改达到驱动模型的变型设计，参数化变型设计常用在结构比较成熟的产品上，其核心是尺寸参数驱动17。 在产品变型设计中融入参数化技术已经在国内得到了广泛的研究和应用。如 :华东交通
26、大学 徐国权提出了基于 SolidWorks 二次开发的参数化变型设计技术 18； 天津大学杨青等人提出了基于 Pro/E 的零件模型参数化设计技术 19。 (4)基于事物 特性表的变型设计 产品事物特性表是指以格式表的形式将产品功能、几何和制造等事物特性信息反映出来的事物特性集合 20。 2008 年浙江大学的机械制造及其自动化专业的虞再道、导师祁中北大学学位论文 5 国宁 利用 VisuaIC+6.0 和 SQLSever2000 对 UG 进行二次开发，建立了基于事物特性表的汽缸公差模型变型设计系统 21，并导入计算机辅助测量系统，对系统原理做了进一步的验证。文章对零件族的事物特性表内容
27、进行了扩展，建立了零件族公差事物特性表和相应公差主模型，但是对于部件级的事物特性表的建立还没有很好的解决方法。 (5)基于实例推理的智能化变型设计 智能化变型设计方法有基于实例推理技术的变型设计 （ Case-based Reasoning，CBR） 、 基于规则推理 （ Rule-based Reasoning， RBR） 的变型设计、基于实例和规则混合推理的智能变型设计 22-23。 CBR 技术是目前一个研究的热点，具有知识表示简单、不需要精确模型等优点。基于实例推理的变型设计就是在产品的变型设计中运用 CBR技术 ；将 CBR 与 RBR 相互结合应用于产品变型设计中，称为混合推理智能
28、化变型设计。浙江大学的江力等运用实例推理提出了智能变型设计模 型的框架，产品模型以基于实例的技术表示，综合运用约束满足法和规则推理完成了产品的变型设计 24。 Hwai-En Tseng 等 25采用基于实例推理的算法来构造新的产品 BOM 表，有效的节省了大规模定制下产品的设计成本和生产时间。 (6)基于装配模型的变型设计理论 产品设计中，“顶层基本骨架” 概念的引进，为三维设计带来一种创新 ， 顶层基本骨架体现了产品的整体结构和功能框架，反映了产品中组成模块间的运动功能和拓扑关系。顶层骨架模型是一个具有多级抽象层次的装配级设计模型，能实现不同层次抽象信息的统一表达，是建立产 品变型设计的核
29、心 26。顶层骨架模型就像产品的空间结构装配布置图，反映了产品模型的基本形状以及产品内零部件的主要空间位置。顶层骨架模型与参数化设计技术结合能够较好的实现基于装配模型的变型设计。 2007年上海交通大学 机械制造及其自动化 学院的汪永辉、禇学宁开发了钻机关键模块动力头变型设计系统 27，建立了整机三维模型，验证了装配级与零件级变型设计理论。在系统设计中，将控制模型作为系统骨架，融合参数化技术、事物特性表和知识熔接技术，实现了装配体的变型设计，并将之应用于大、中机型的设计中，实现了产品的快速变型 设计，满足了企业的需求。 在堆垛机、起重机的变型设计方面，也有学者做过很多的研究。 2008 年山东
30、轻工学院机械电子工程专业的宋章领、导师沈敏德利用 SolidWorks 软件提供的二次开发功能，中北大学学位论文 6 结合 VB 编程软件，开发了小型有轨巷道堆垛机参数化设计系统 28。 文章全面分析了参数化、模块化和系列化设计理论；在此基础上，结合产品的功能和结构需求，对堆垛机进行了模块化和系列化设计。可贵之处是该系统加入了设计计算的程序化，基本实现了从设计计算到模型驱动的参数化。中北大学机械工程系 CAD/CAM 研究 中心 的王宗彦、吴淑芳、秦 慧斌等深入研究了桥式起重机桥架和堆垛机金属结构的三维参数化设计，开发了基于 SolidWorks 的桥式起重机桥架主梁三维变型设计系统、堆垛机金
31、属结构参数化设计系统、桥式起重机数字化设计系统 29-30， 并在国内几家知名的起重机企业得到很好的推广和应用。 1.4 基因工程研究概述 目前，基于产品基因工程的研究主要集中在两方面：运用遗传算法进行设计优化的研究和运用基因模型进行机械产品结构建模研究。 对于设计 优化 的研究，文献 31-32采用遗传算法实现桁架结构的布局优化，通过引入结构约束，消除了结构拓扑优化分析 中的铰接和棋盘格现象，改善了优化结果。 文献 33-35结合生物进化原理和遗传算法的成就，采用类比的方法进行基因型设计方法和设计原理的研究，给出进化设计过程的计算模型和初步的结构框架。 文献 36利用混沌序列的随机遍历性生成
32、初始种群，并加入相对差商算法的优化解，改善初始种群的性能。文中结合相对差商算法局部搜索能力强和遗传算法具有较强的全局搜索性的优势，提出了组合遗传算法。有效解决标准遗传算法存在的早熟收敛、随机振荡和收敛速度慢等问题。 文献 37运用遗传算法对列车 齿轮进行优化设计，提出了一个基于遗传算 法的齿轮设计系统。经过 实例验证 ，与 传统算法 相比， 遗传算法 够 能更好的解决有连续，离散和整数变量 的 问题。 文献 38将遗传算法和神经网络结合起来，通过进化和人工学习的方法，解决了桥梁结构最优方案选择的问题。 文献 39将基因算法作为一种计算工具用于设计过程，解决了飞机概念设计中在各个判据最优的情况下
33、获得全局最优的多判据优化问题。 中北大学学位论文 7 对于产品基因模型的研究，文献 40采用产品信息基因模型的概念，对机械产品中不同内容的产品信息进行建模，论述了产品基因模型在生命过程中的演变过程。 文献 41-43利用基因工程的 方法进行产品创新设计，提出了基于基因工程的相似性产品设计理论和方法，支持产品创新设计。 文献 44将产品基因进化理论应用于自顶向下的机械产品结构设计建模，提高了对产品结构设计自动化的支持 ， 实现产品的最优化设计。在产品变异设计中具有很大的实用性。 文献 45将通过研究尺寸和形状特征在父子部件间的继承，提出了基于基因工程的建模方法，总结了产品树中信息流的传递规律。
34、文献 46对单自由度振动的研究中，结合了 TRIZ理论和基因理论，建立了弹簧基因模型。 文献 47结合一种典型的机电产品冰箱验证了人工免疫算法 方法的合理性和有效性，为产品变型设计理论提供了另一种结构设计方法和优化方法。 文献 48研究了产品的特征表达和功能建模，在产品特征表达模型和产品功能模型的基础上，将产品功能分解并映射成产品特征，最后通过对特征的基因编码，描述产品功能。为产品的智能化设计奠定了基础 . 文献 49将基因工程方法引入管理中，对产品设计过程进行建模，依据四类设计过程基本元素：设计活动、对象、设计资源和团队，构造出与之相对应的四种设计过程碱基，对四种设计过程碱基的构成要素和属性
35、进行了分析，建立了相应的矩阵结构。但是对于 过程碱基详细 要素及其相互作用关系等还有待进一步研究。 2005年山东大学机械设计及理论的陈洪武、导师黄克正提出了支持产品 基因工程的关键技术 50。开发了基于 DARFAD系统的工具系统 PGE-DARFAD。该系统支持产品基因工程设计理论，系统对产品基因获取、扩增、基因库构建、重组和表达等功能模块进行了扩展。并且以虎钳为实例，结合产品基因工程设计原理，运用支持产品基因工程的关键技术，设计了三种虎钳产品，对优缺点进行分析，优化了设计方案，验证了系统的设计效果。 无论是从理论上，还是从应用层面，在探索产品基因工程的研究都已做 了不少工作，为进一步的研
36、究奠定了 一定的 理论基础 。 但是 以上文献 对于产品基因的概念、产品基因中北大学学位论文 8 模型、产品基因工程的操作等研究还存在着 一些 不足 ， 为以后的研究提出了新的要求，同时说明了产品基因工程有很高的研究价值 。 1.5 本文研究内容 在机械产品基因工程理论的指导下， 根据堆垛机功能分析，研究客户所给图纸资料，利用三维建模软件 SolidWorks2010 最大化建 立 堆垛机整机模型，即堆垛机变型设计的基型。在基型的基础上，根据堆垛机产品的主结构对堆垛机模块进行划分，用 VB 创建人机交互界面，结合客户具体要求，分离不良基因， 提取目的基因，得到与之对应的功能表面。依照变型设计原
37、理，通过设计计算，加入新的功能表面作为载体基因，用 VB程序调用 SolidWorks2010 API 函数进行模型驱动，将目的基因与载体基因重组，变型出各模块零件基因模型，零件模型进一步基因表达，重组为满足设计要求的堆垛机整机模型，通过工程图自动调整模块得到可以指导生产的二维工程图 ，完成基于基因工程的堆垛机变型设计系统 。 1.6 论文体系 第一章 通过对课题研究背景和研究意义的阐述，总结了堆垛机的发展现状，研究了变型设计和基因工程在机械产品的应用情况，提出了本 论文主要研究的内容。 第二章 论述了机械产品基因工程设计理论，提出了支持产品基因工程设计理论和变型设计中的产品基因模型。 第三章
38、 详细介绍了基于基因工程的变型设计关键技术，并进一步应用于堆垛机的变型设计中。 第四章 开发了基于基因工程的变型设计系统。 第五章 系统实例。 第六章 结论和展望。 中北大学学位论文 9 第 2 章 机械产品基因工程设计理论 2.1 生物基因工程 基因（ gene） 是遗传的物质基础，是 DNA（脱氧核糖核酸）分子上 具有遗传信息的特定核苷酸序列的总称， 是具有遗传效应的 DNA 分子片段 。基因通过复制把遗传信息传递 给下一代，使后代出现与亲代相似的性状。 所谓 基因工程 （ genetic engineering） 是在分子水平上对基因进行操作的复杂技术。狭义的基因工程仅指用体外重组 DN
39、A 技术去获得新的重组基因；广义的基因工程则指按人们意愿设计，通过改造基因或基因组而改变生物的遗传特性。 基因工程是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外 重组 构建杂种 DNA 分子，然后导入受体细胞， 让 杂种 DNA 在其中 “ 安家落户 ” ， 通过复制、转录、翻译和表达来改变生物原有的遗传特性，获得 新物种。基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段 51。 基因工程主要包括以下几个内容： (1)从有机生物体基因组中通过 人工 “ 剪切 ” ， 分离出带有目的基因的 DNA 片段。 (2)在体外，将目的基因与
40、载体基因进行“拼接”， 连接到具有自我复制能力的载体分子上，重组为外源 DNA 分子。 (3)将外源 DNA 分子移植入合适的寄主细胞 （ 微生物或真核细胞 ） 中，进行无性繁殖，扩增细胞数量。 (4)从细胞繁殖体中筛选出重组成功的 DNA 分子受体细胞。 (5)从筛选出的受体细胞提取获得扩增的目的基因，将目的基因克隆到表达 载体上，导入新的寄主细胞，使重组基因在细胞内表达，产生出人类所需要的基因产物。 迄今为止，生物 基因工程 的研究在农业、医学和环境保护方面都 取得了很大的进展。农牧业、食品工业中 运用基因工程技术，培养 了 优质、高产、抗性好的农作物及畜、禽新品种 ，甚至 具有特殊用途的动、植物。 如 生长快、耐不良环境、肉质好的转基因鱼 、乳汁中含有人生长激素的转基因牛 、 不会引起过敏的转基因大豆 、 导入贮藏蛋白基因的