仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

摘要：本文主要分析了仿生學(xué)原理，分別從外形仿生、結(jié)構(gòu)仿生和功能仿生三個(gè)方面進(jìn)行分析。并就仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué)；原理；機(jī)械；設(shè)計(jì)

目前仿生學(xué)原理被應(yīng)用到了很多的領(lǐng)域和行業(yè)。機(jī)械仿生設(shè)計(jì)作為一種新型的設(shè)計(jì)方法，短期內(nèi)已經(jīng)從集合多門(mén)學(xué)科逐步發(fā)展形成更深更廣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，它為產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jì)的道路越走越寬。

1.仿生學(xué)原理

1.1.外形仿生

外形仿生是實(shí)際生活中用的最多的一種方法，尤其是用于機(jī)械設(shè)計(jì)中居多。動(dòng)物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的土壤生活進(jìn)化，擁有了很強(qiáng)的挖掘功能，他們的外觀形狀和其在挖掘過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的力學(xué)性能給人們提供了參考。一些動(dòng)物挖掘和脫土減阻相當(dāng)強(qiáng)，如土狗、老鼠和公雞等，這些動(dòng)物的爪趾內(nèi)輪廓線主要表現(xiàn)為變曲率曲線。穿山甲的挖掘功能也相當(dāng)強(qiáng)，其爪尖為圓錐楔形，不僅可以減少應(yīng)力集中，也強(qiáng)化了其爪部與土體的機(jī)械強(qiáng)度，提高了爪部對(duì)土壤的耐磨性；再者，在確保了楔入力足夠大的前提下，增大了頂端的過(guò)渡圓角，使土壤壓實(shí)形狀被改變，減少了土壤的粘附。

1.2.結(jié)構(gòu)仿生

1.2.1.表面不光滑仿生設(shè)計(jì)

1.2.1.1.防粘

一些土壤動(dòng)物雖說(shuō)生活在粘濕的環(huán)境中，但因?yàn)樽陨愍?dú)特的生物構(gòu)造，身體很少會(huì)有土留在上面，這些防粘特性就集中表現(xiàn)在體表的呈現(xiàn)著鱗片形的幾何非光滑形態(tài)上。又因土壤動(dòng)物具有疏水性護(hù)蠟層和蠟質(zhì)層，其鱗片形的非光滑體表可進(jìn)一步增加其疏水性，大大降低了土壤動(dòng)物在土壤中運(yùn)動(dòng)時(shí)的土壤粘附度。

一般我們?cè)谕练焦こ讨薪?jīng)常見(jiàn)到的親水性金屬材料就是借鑒了這種生物的非光滑表面，來(lái)減少粘附、降低阻礙的。

1.2.1.2.防磨損

地面觸土機(jī)械部件常常會(huì)因?yàn)槟チ夏p而導(dǎo)致部分功能失效。那些生活在粘濕土壤中的動(dòng)物，體表的幾何體光滑性不強(qiáng)，這些特征能有效的降阻和減粘，并且相當(dāng)耐磨。土壤動(dòng)物因?yàn)轶w表觸土部位幾何形狀單元體密布，它們?cè)谶M(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，能有效降低體表上正壓力的作用，減少摩擦。而且，表面不光滑有助于將磨料對(duì)表面的犁削運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，減阻、耐磨效果明顯。如果地面觸土機(jī)械部件的表層運(yùn)用這種結(jié)構(gòu)和組成機(jī)理，就能使得其抗磨性變強(qiáng)。

1.2.2.涂層仿生設(shè)計(jì)

現(xiàn)實(shí)生活中用到的一些耐磨涂層就是模擬了人類的皮膚、血管壁以及海螺殼等層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成。我們經(jīng)常見(jiàn)到的耐磨涂層的結(jié)構(gòu)體系主要有一種成分、多種成分、梯度涂層、多層涂層超晶體和二元處理等幾種。最近幾年，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中所用到的薄涂層就是模仿了海螺和?？慕Y(jié)構(gòu)體系而設(shè)計(jì)的。生物體把低強(qiáng)度的碳酸鈣轉(zhuǎn)化成了層狀結(jié)構(gòu)的海螺殼和蛤蜊殼，增高了強(qiáng)度。目前人們常使用分子有效排列和組合不同材料的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)整合涂層，從而提高其機(jī)械強(qiáng)度與摩擦學(xué)性能。

1.3.功能仿生

功能仿生可以使人造機(jī)械實(shí)現(xiàn)部分高級(jí)動(dòng)物所能進(jìn)行的操作，如進(jìn)行簡(jiǎn)單的感知和運(yùn)動(dòng)等，這對(duì)于智能機(jī)器人的研發(fā)意義重大?，F(xiàn)在地球上的生物體是大自然在不斷的淘汰中生存下來(lái)的，它們的系統(tǒng)比較復(fù)雜、也比較完備，所有的生物體在結(jié)構(gòu)和機(jī)能上都實(shí)現(xiàn)了精巧、協(xié)調(diào)、合理和高效。而人作為一種高等動(dòng)物，具有由骨骼、肌肉、關(guān)節(jié)以及韌帶組成的多關(guān)節(jié)彈性結(jié)構(gòu)的四肢，運(yùn)動(dòng)極具靈活性，并且能完成復(fù)雜的動(dòng)作。這對(duì)于功能仿生和研究仿生機(jī)器人意義非凡。再者，仿生設(shè)計(jì)也模仿了人的獨(dú)特思維功能。

2.仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用

當(dāng)前機(jī)械仿生設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越多，而相應(yīng)的技術(shù)也在慢慢向智能化與全面化發(fā)展。

2.1.半步行輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

在地面工作的機(jī)械中就不乏仿生設(shè)計(jì)，半步行輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)就是在借鑒了傳統(tǒng)的水牛耕地現(xiàn)象而發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，如下圖1所示，通過(guò)對(duì)水牛在水田中的工作特征分析，就出現(xiàn)了全新的“半浮式理論”，有效的結(jié)合了機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的“沉”、“浮”以及“滑行”、“驅(qū)動(dòng)”等特點(diǎn)，由此使得承重與驅(qū)動(dòng)并存的結(jié)構(gòu)體系得到完善，用一種適用于水田及松軟土壤工作的高效生產(chǎn)方式來(lái)取代。同時(shí)，機(jī)械仿生設(shè)計(jì)也延伸了相關(guān)的研究，促進(jìn)了眾多滾動(dòng)阻力較小、驅(qū)動(dòng)動(dòng)力較大的先進(jìn)設(shè)備的誕生，為行業(yè)生產(chǎn)提供了巨大的動(dòng)力。

2.2.大型觸土機(jī)械設(shè)計(jì)

在大型觸土機(jī)械的設(shè)計(jì)方面，科研人員也從深松部件、鉆頭以及推土板三個(gè)方面的結(jié)構(gòu)中得到了仿生學(xué)的啟發(fā)。通過(guò)不斷操作試驗(yàn)，在減小深松阻力這點(diǎn)上，成功提出了仿生彎曲型結(jié)構(gòu)，而且在鉆頭設(shè)計(jì)上，同樣參照穿山甲體表鱗片分布形式制作出了新型的仿生鉆頭，不僅有效解決了生產(chǎn)工作中的鉆頭泥包問(wèn)題，還大大強(qiáng)化了泥質(zhì)巖鉆探中機(jī)械設(shè)備的工作效率。所以說(shuō)，仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用妥善的解決了原本存在的一些難題，大大提高了實(shí)際設(shè)備的生產(chǎn)效率。

2.3.仿生學(xué)的智能化應(yīng)用

我們仿生機(jī)器人是有著很明顯的分類的，其一是仿生物機(jī)器人，其二是仿人類機(jī)器人。如上圖2，是根據(jù)人手功能設(shè)計(jì)出來(lái)的仿生機(jī)械手關(guān)節(jié)，它無(wú)疑大大加強(qiáng)了機(jī)械設(shè)備的靈活性，而隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的配合推進(jìn)，機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)進(jìn)程也因此而得到了促進(jìn)。我們可以結(jié)合不同的生物特性，將動(dòng)植物的特性一一的反饋到我們的實(shí)際使用的機(jī)械上，這樣的話我們就可以最大限度的享受現(xiàn)代的仿生學(xué)帶來(lái)的實(shí)際效果。

3.結(jié)束語(yǔ)

仿生學(xué)為機(jī)械設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的生機(jī)，使得相關(guān)的生產(chǎn)工作更好地滿足科技創(chuàng)新的需求，更好地維持機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)強(qiáng)大生命力。當(dāng)前必須加快機(jī)械領(lǐng)域中仿生學(xué)的應(yīng)用進(jìn)程，更應(yīng)從本質(zhì)上分析生物的獨(dú)有特性和功能，在立足于提高生產(chǎn)力的基礎(chǔ)上進(jìn)行全面的仿生設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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