淺議仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中的應(yīng)用

摘 要：生物學(xué)在不斷的發(fā)展，生物學(xué)中的仿生學(xué)也被應(yīng)用在各個領(lǐng)域，仿生學(xué)的發(fā)展讓很多的行業(yè)都得到了大幅度的進(jìn)步，由于仿生學(xué)是一個新的行業(yè)，很多人對仿生學(xué)原理都不太理解，仿生學(xué)原理是通過在結(jié)構(gòu)、原理和功能等方面應(yīng)用在工程設(shè)計中，將整體的工程設(shè)計和研發(fā)應(yīng)用到具體的工程中，現(xiàn)在這種原理在機(jī)械設(shè)計中被廣泛的應(yīng)用。本文對機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中的仿生學(xué)原理應(yīng)用進(jìn)行了探討，為相關(guān)的研究做出借鑒。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué)原理；機(jī)械設(shè)計；具體應(yīng)用

仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，仿生學(xué)原理作為生物學(xué)領(lǐng)域中的一部分，為很多的行業(yè)都作出貢獻(xiàn)。仿生學(xué)原理就是一門模仿生物建造技術(shù)的科學(xué)，這就是一門生物學(xué)、數(shù)學(xué)和工程學(xué)為一體的科學(xué)，將這一科學(xué)進(jìn)行了具體性的分析，現(xiàn)在的仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中已經(jīng)被重視，而且在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中的作用變得越來越突出，因此，一定要重視仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用，這樣就可以讓機(jī)械設(shè)計行業(yè)發(fā)展的更好。

1 仿生學(xué)原理簡介

仿生學(xué)原理已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，但是現(xiàn)在的人們對仿生學(xué)原理的理解還不夠，由于是一種新興的技術(shù)，很多的人對仿生學(xué)原理還不熟悉，僅僅是在生活中聽到了關(guān)于仿生學(xué)的一些知識，其實，仿生學(xué)在建筑機(jī)械設(shè)計中已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在已經(jīng)有了很多的產(chǎn)品都在應(yīng)用仿生學(xué)，但是并不是盲目的應(yīng)用這些動物的特征，需要根據(jù)需要將這些動物與機(jī)械聯(lián)系在一起，應(yīng)用到動物身上的特征。例如可以使用鼠類的爪尖來制作脫土設(shè)備，主要就是利用土壤的分散力和鼠類爪尖的面積來制作脫土設(shè)備，鼠類的爪尖與土地的接觸面積非常小，能夠減少機(jī)械與土地之間的阻力，將脫土效果變得更好。這就是仿生學(xué)原理的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)計是離不開仿生學(xué)原理的，仿生學(xué)原理讓機(jī)械設(shè)備的發(fā)展前景變得更好。

2 仿生設(shè)計法

仿生設(shè)計有兩種方式，一種是外形仿生，另一種就是結(jié)構(gòu)仿生，如果后是結(jié)構(gòu)仿生就是一種比較復(fù)雜的仿生，外形仿生前文已經(jīng)進(jìn)行了讓簡單的介紹，以下主要是介紹結(jié)構(gòu)仿生：

2.1 非光滑表面的仿生設(shè)計

非光滑表面的仿生設(shè)計主要就是針對易磨損的機(jī)械設(shè)備來設(shè)計的，主要的特性就是耐磨。機(jī)械設(shè)備中為了減少設(shè)備部件的磨損，就要在設(shè)備的材料中尋找解決措施，如果沒有將設(shè)備的耐磨性做好，設(shè)備就會出現(xiàn)磨損。針對這一設(shè)計理念，在機(jī)械設(shè)計中就要考慮到耐磨性，但是如果使用材料是不能從根本上解決磨損的問題的，機(jī)遇這一問題仿生學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，將仿生學(xué)與機(jī)械設(shè)計結(jié)合在一起，這樣就可以完善機(jī)械設(shè)計，讓機(jī)械設(shè)計在生產(chǎn)中被廣泛的應(yīng)用。在耐磨性上應(yīng)用仿生學(xué)就要利用粘濕土壤中生存的動物來進(jìn)行設(shè)計，粘濕動物就是為了更好的適應(yīng)環(huán)境，才會進(jìn)化的更加完美，可以利用粘濕性動物接觸地面不會產(chǎn)生較大的摩擦力來增加機(jī)械設(shè)備表面的耐磨性，在機(jī)械設(shè)計的過程中對表層進(jìn)行處理，這樣就可以提高機(jī)械人的耐磨性。

非光滑表面的仿生設(shè)計就是要防粘，有些機(jī)械設(shè)計在設(shè)計的時候是無法避免機(jī)械的粘黏的，如果機(jī)械設(shè)計中沒有對機(jī)械進(jìn)行粘黏處理，就會導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備在使用的時候出現(xiàn)故障，對工程的應(yīng)用造成影響。要將解決粘黏性，可以利用仿生學(xué)中的穿山甲等動物，利用穿山甲等動物的防粘性，對全身的鱗片進(jìn)行研究，穿山甲的鱗片并不是光滑的，在上面有著蠟質(zhì)層，蠟質(zhì)層的出現(xiàn)就解決了產(chǎn)生的粘黏性。在機(jī)械設(shè)計的時候也可以將這一特性結(jié)合到機(jī)械設(shè)備中，讓機(jī)械設(shè)計更加的合理。

2.2 仿生涂層設(shè)計

結(jié)構(gòu)設(shè)計的第二個特點就是仿生涂層設(shè)計，仿生涂層設(shè)計也是被經(jīng)常應(yīng)用的一個設(shè)計方式。人們對海螺殼等層狀設(shè)計結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，與機(jī)械設(shè)計中的耐磨性進(jìn)行了聯(lián)系，人們發(fā)明了一種涂層體系，這種涂層體系就是模擬生物結(jié)構(gòu)的矩陣結(jié)構(gòu)，模擬生物結(jié)構(gòu)的矩陣結(jié)構(gòu)，對陶瓷結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，設(shè)計出高韌性陶瓷等。海螺殼、蛤喇殼是生物體通過把強(qiáng)度很低的碳酸鈣整合后才具有的較高強(qiáng)度。有鑒于此，現(xiàn)在人們通過以下二種途徑來實現(xiàn)整合涂層：一是有效排列分子，使其呈DNA螺旋結(jié)構(gòu)，達(dá)到較高的機(jī)械強(qiáng)度；二是采用不同的材料組合成整合涂層，從而具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和摩擦性能。

2.3 功能仿生

功能仿生的目的是使人造的機(jī)械具有或能夠部分實現(xiàn)高級動物豐富的功能，如思維、感知、運(yùn)動、操作等，這在智能機(jī)器人的研究中具有重大意義。目前在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的機(jī)器人以焊接、裝配、噴涂、搬運(yùn)等工作為主，其共同特征是作業(yè)方式單一、缺乏變化。但是隨著社會發(fā)展，機(jī)器人需要在更加寬泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。除了進(jìn)行生產(chǎn)之外，生活、娛樂和享受對于人類來說同樣不可缺少，活動方式和身體結(jié)構(gòu)酷似動物的仿生機(jī)器人將在這方面大顯身手，如防災(zāi)救援和教育娛樂等。對人的獨(dú)特思維功能的仿生是仿生機(jī)器人領(lǐng)域的最高目標(biāo)。

3 仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中的具體應(yīng)用分析

3.1 觸土機(jī)械的設(shè)計

3.1.1 鉆頭

在鉆探工作中，經(jīng)常會遇到鉆頭泥包問題。吉林大學(xué)正在研究設(shè)計一種仿生鉆頭，這種鉆頭的體表面仿造穿山甲背部鱗片的分布形式，鉆頭的切削齒仿造穿山甲的爪趾形狀，以達(dá)到在泥質(zhì)巖中鉆進(jìn)時減粘、降阻、脫附，有效地防止鉆頭泥包現(xiàn)象，提高機(jī)械鉆速。

3.1.2 深松部件

通過在室內(nèi)大型土壤進(jìn)行耕作試驗，測定各種深松部件耕作以后土壤的宏現(xiàn)擾動輪廓和耕作阻力，結(jié)果表明郭志軍等制作的外形仿生彎曲型深松部件的深松阻力取得最小值。

3.2 復(fù)合涂層體系的設(shè)計

仿生非光滑耐磨復(fù)合層的設(shè)計原則是由軟、硬多相材料交替疊層形成的非光滑表面，具體來說就是將增強(qiáng)硬質(zhì)顆粒釬焊在基體材料（碳鋼）表面，形成非光滑耐磨復(fù)合層。這種結(jié)構(gòu)既保證了基體的強(qiáng)韌性，又能保證非光滑表面具有減阻、耐磨作用。復(fù)合層的厚度可從幾毫米到幾十毫米不等。如任露泉等制備出的釬粒/WC（60/80目）/釬料/鋼仿生非光滑耐磨復(fù)合層，其耐磨性為基體45鋼（淬火態(tài)）的29倍。

3.3 機(jī)械手與機(jī)器人的設(shè)計

某大學(xué)利用仿生學(xué)原理設(shè)計了水稻工廠化育秧拔苗機(jī)械手，用以解決拔秧拋植的有序栽植問題。李明東等模仿骨骼肌的工作原理，用SMA絲（形狀記憶合金）來驅(qū)動一個微型機(jī)器人手臂，將機(jī)器人傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧∪怛?qū)動方式。馬建旭等模仿人體下肢設(shè)計的關(guān)節(jié)式彈性步行機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人的小腿中安置彈性裝置，通過四組并聯(lián)彈性元件和以機(jī)器人腿外殼為機(jī)架的四連桿機(jī)構(gòu)的復(fù)合，產(chǎn)生緩沖、儲能效果。

4 結(jié)論

以仿生學(xué)原理為基礎(chǔ)對機(jī)械設(shè)計進(jìn)行新思想、新觀念的指導(dǎo)，是機(jī)械設(shè)計創(chuàng)建人與自然之間的和諧關(guān)系，改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)械、儀器、建筑和工藝等的一個重要途徑。為了滿足未來社會發(fā)展的需要，機(jī)械性能勢必需要進(jìn)一步的改進(jìn)與完善，機(jī)械設(shè)計方法自然也要不斷的創(chuàng)新提高。而仿生學(xué)作為一種具有很高應(yīng)用優(yōu)越性的機(jī)械設(shè)計手段，也必然會有更大的發(fā)展應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)

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[2]叢茜.鱗片形非光滑表面的仿生設(shè)計[J].吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，28（2）：12-16.

作者簡介：陳貽思，身份證號：45242119810102047X。