仿生學(xué)在產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用

摘 要：本文簡要介紹了產(chǎn)品仿生學(xué)設(shè)計概念，從產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計的角度出發(fā)，從結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計、運(yùn)動機(jī)構(gòu)仿生設(shè)計、材料仿生設(shè)計與運(yùn)動控制仿生設(shè)計四個方面著重分析了仿生學(xué)在產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué)；產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計；應(yīng)用

0 引言

產(chǎn)品設(shè)計是一門涉及工業(yè)設(shè)計、數(shù)學(xué)、物理等多學(xué)科交叉的學(xué)科門類，它要求設(shè)計師加強(qiáng)對工業(yè)技術(shù)與文化藝術(shù)的理解、各類學(xué)科的美學(xué)設(shè)計思想的綜合、充分運(yùn)用現(xiàn)有產(chǎn)品各類特質(zhì)的能力。產(chǎn)品設(shè)計從市場需求出發(fā)，通過設(shè)計師綜合分析歸納，同時經(jīng)工程師工藝分析和反饋，反復(fù)從結(jié)構(gòu)、外形與材料、功能等各方面進(jìn)行優(yōu)化的過程。

而仿生設(shè)計作為人類向大自然學(xué)習(xí)的途徑，是當(dāng)前科學(xué)界和人文界創(chuàng)新求知的重要方法，人類通過發(fā)掘了解自然界各類動植物的結(jié)構(gòu)與生存方式，將研究發(fā)現(xiàn)運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計中，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品更好的服務(wù)人類，并和大自然和諧共存的新型設(shè)計理念。

產(chǎn)品設(shè)計在運(yùn)用仿生學(xué)設(shè)計理念的前提下，要在產(chǎn)品中融合理工科和人文各類學(xué)科，通過將自然界生物體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料和功能等各類要素融入產(chǎn)品設(shè)計的思路中，這使得產(chǎn)品設(shè)計既提升了藝術(shù)品位又滿足了用戶需求。

隨著機(jī)械設(shè)計方法的更新，其他領(lǐng)域的新技術(shù)和新理念也不斷向機(jī)械領(lǐng)域擴(kuò)展，而仿生學(xué)設(shè)計的應(yīng)用也為產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計提供新的發(fā)展空間，本文將著重分析仿生學(xué)在產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用。

1 產(chǎn)品機(jī)械仿生設(shè)計的理念與內(nèi)容

機(jī)械仿生設(shè)計是指工程師在利用現(xiàn)有工程技術(shù)的前提下，運(yùn)用發(fā)散性思維，結(jié)合仿生設(shè)計的理念和方式，設(shè)計出創(chuàng)新性的機(jī)械產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)材料的過程。這和以往的機(jī)械設(shè)計方法一樣，都是基于機(jī)械設(shè)計的基本理論和方法，但是其又具有獨(dú)特的創(chuàng)新性，是一種新型設(shè)計方法。

1.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計

作為機(jī)械仿生設(shè)計的關(guān)鍵部分，機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計則需充分理解掌握自然界生物體的結(jié)構(gòu)形式與相應(yīng)功能原理，并對其結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行仿生設(shè)計而為人類使用。自然界的生物經(jīng)過無數(shù)個歲月的進(jìn)化，已充分發(fā)展形成了各種具有高度復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式和功能形態(tài)。這些結(jié)構(gòu)形式和功能形態(tài)作為機(jī)械仿生設(shè)計的源泉，提供了各類可供參考的結(jié)構(gòu)形式。例如蜂巢的結(jié)構(gòu)，其截面為六邊形，總體為柱體，這種結(jié)構(gòu)通過綜合力學(xué)分析證明，能夠在提高結(jié)構(gòu)的同時而減少材料的使用。該結(jié)構(gòu)已應(yīng)用到特種飛行器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在實(shí)踐中得到了充分的證明。還有例如現(xiàn)已廣泛用于包裝的復(fù)合紙板，花炮架構(gòu)等，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計既能滿足軸向抗壓強(qiáng)度，又能減少材料的使用及重量的減輕，更能起到吸收噪音等輔助作用。

1.2 機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)仿生設(shè)計

作為機(jī)械仿生設(shè)計的關(guān)鍵組成部分，運(yùn)動機(jī)構(gòu)仿生設(shè)計是在全面了解動植物運(yùn)動的特點(diǎn)和原理的前提下，對運(yùn)動的基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)動的控制方式、運(yùn)動功能的實(shí)現(xiàn)及運(yùn)動的各個細(xì)節(jié)進(jìn)行全面的模仿。在當(dāng)前機(jī)構(gòu)仿生設(shè)計中應(yīng)用比較廣泛和有成效的是現(xiàn)代機(jī)器人仿生設(shè)計和路面機(jī)械設(shè)計這兩個領(lǐng)域。

伴隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展與人民對于現(xiàn)代生活方式的需求，機(jī)器人已不再僅僅局限于服務(wù)工廠，在人類的日常生活中已逐漸普及使用。比如在教育等方向的應(yīng)用，多功能仿生手指的設(shè)計是經(jīng)過復(fù)合材料做成的通過氣動方式驅(qū)動的機(jī)構(gòu)設(shè)計，在關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)上，如應(yīng)力、剛度要求、彈性收縮比率等都與自然界生物體的肌肉相近，我們可以通過機(jī)械加工成特殊殼結(jié)構(gòu)從而使其具有良好的運(yùn)動特性。

在路面機(jī)械方面，有關(guān)課題組利用牛耕地的基本原理，創(chuàng)造性的建立了“半浮式理論”，該設(shè)計的原理是通過改變傳統(tǒng)農(nóng)機(jī)驅(qū)動裝置的承重與驅(qū)動的雙重功能，從而獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計出新型步行輪機(jī)構(gòu)，使其廣泛應(yīng)用于松軟土地等軟性地基的工業(yè)狀況。通過這一仿生設(shè)計的原理還指導(dǎo)了很多驅(qū)動力大、運(yùn)動阻力小的新型機(jī)構(gòu)。

1.3 機(jī)械材料仿生設(shè)計

機(jī)械仿生設(shè)計主要通過研究生物組織的結(jié)構(gòu)、構(gòu)成原理和材料的聯(lián)系，獲得所需要的啟示并指導(dǎo)材料的設(shè)計、制造與加工，最終達(dá)到所需要的材料特性，從而滿足機(jī)械的性能需求。生物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、原理等是現(xiàn)代新型復(fù)合材料研究的藍(lán)本，對天然生物材料的表面功能、形成原理進(jìn)行研究分析，發(fā)展出了具有仿生特性的特種工程材料，它代替了現(xiàn)有的金屬材料與高分子材料，達(dá)到改善產(chǎn)品機(jī)械使用性能的目的。

1.4 機(jī)械運(yùn)動控制仿生設(shè)計

在產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域，機(jī)電液一體化及機(jī)械人工智能控制是現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)整體運(yùn)行性能的基本保證。智能控制仿生設(shè)計是現(xiàn)代仿生設(shè)計中的一個關(guān)鍵研究點(diǎn)，智能控制仿生設(shè)計的發(fā)展在一定程度上制約了仿生機(jī)器人領(lǐng)域的進(jìn)步。過去的一段時間里，對于規(guī)定形狀等規(guī)范化的對象進(jìn)行作業(yè)的機(jī)器人有了快速的進(jìn)步，而針對各種形態(tài)的動植物的工農(nóng)業(yè)機(jī)器人也廣受歡迎。在各個國家的競爭中，歐美等老牌產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計強(qiáng)國始終保持在世界前列，這些國家目前對于仿生機(jī)器人的性能要求有了新的提升，不僅僅滿足于路面識別，行走定位，還包括準(zhǔn)確識別目標(biāo)形態(tài)，智能糾正控制自身位置，并能實(shí)現(xiàn)記憶作業(yè)從而達(dá)到最大程度的智能化。

2 產(chǎn)品機(jī)械仿生設(shè)計發(fā)展前景（小結(jié)）

相對傳統(tǒng)的產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計方法，機(jī)械仿生設(shè)計作為一種新型的設(shè)計方法，短期內(nèi)已經(jīng)從集合多門學(xué)科逐步發(fā)展形成更深更廣的產(chǎn)品設(shè)計理念。隨著科技的不斷發(fā)展，目前還需進(jìn)一步研究與總結(jié)產(chǎn)品機(jī)械仿生設(shè)計的系統(tǒng)理論，同時必須有效地結(jié)合計算機(jī)發(fā)展技術(shù)進(jìn)行仿生的輔助設(shè)計，并在機(jī)械控制系統(tǒng)和仿生設(shè)計集成方面需更進(jìn)一步。產(chǎn)品機(jī)械仿生設(shè)計是未來產(chǎn)品設(shè)計的一個方向，它符合未來科技發(fā)展趨勢，它是產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計理念的一次跨越性的進(jìn)步，它為產(chǎn)品設(shè)計的多元化發(fā)展提供了新的可能，它的發(fā)展與進(jìn)步使得產(chǎn)品設(shè)計的道路越走越寬。

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