結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計方法及其在機械領(lǐng)域中的應(yīng)用

夏令輝

【摘 要】在明確結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，促進其在機械設(shè)計中的廣泛應(yīng)用，有助于提升機械設(shè)計的合理性，彰顯仿生學(xué)的研究價值。本文在對結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計方法進行綜合闡述的基礎(chǔ)上，分析了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計方法在機械領(lǐng)域中的具體應(yīng)用，并闡述了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計的不足之處及發(fā)展趨勢，以期為相關(guān)人士提供借鑒和參考。

【關(guān)鍵詞】結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計；撲翼飛行器；仿生機器人

中圖分類號： TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0024-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.010

【Abstract】on the basis of clear structure bionic design method， it can promote its wide application in mechanical design， which helps to improve the rationality of mechanical design and highlight the research value of bionics. Based on the comprehensive exposition of the bionic design method of structure， this paper analyzes the specific application of the Structure Bionic Design Method in the mechanical field， and expounds the shortcomings and development trend of the structure bionic design， in order to provide reference and reference for the related people.

【Key words】Structural bionic design； Flapping wing aircraft； Bionic robot

0 前言

隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展和社會生產(chǎn)力水平的進一步提升，仿生設(shè)計的重要性被逐漸挖掘出來。在機械設(shè)計過程中充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計的優(yōu)勢，有助于促進機械設(shè)計理念的創(chuàng)新，對促進人類社會的發(fā)展進步大有裨益。基于此，探析結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計方法及其在機械領(lǐng)域中的應(yīng)用，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計方法概述

眾所周知，生物在自然進化過程中會形成獨特的生理功能，這也為高新科技術(shù)的發(fā)展提供了思路，有助于促進機械設(shè)計和制造方法的創(chuàng)新。仿生學(xué)在創(chuàng)建之初建立在對生物特性的簡單模仿上，而隨著時間的推移，現(xiàn)階段，仿生學(xué)已經(jīng)實現(xiàn)了由靈感啟迪向研究其自然特性的轉(zhuǎn)變，在對生物特性進行觀察和總結(jié)的基礎(chǔ)上，將其應(yīng)用于機械設(shè)計和制造領(lǐng)域，對促進人類文明的發(fā)展進步具有重要幫助。仿生學(xué)在相似性理論的引導(dǎo)下，以生物特性為基本依據(jù)，應(yīng)用于機械制造中，有助于提升機械設(shè)計的可靠性和合理性，有助于確保機械設(shè)計制造原理符合時代發(fā)展主流。仿生學(xué)不具備明顯的邊界，具有多學(xué)科交叉的特點，加之其適用范圍的廣泛性，使得難以將其作為一個獨立學(xué)科進行劃分[1]。

結(jié)構(gòu)仿生主要是指，在對生物的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、功能等因素進行深入研究的基礎(chǔ)上，了解生物的機理，將生物與機械的總體布局及其構(gòu)件進行類比分析，明確結(jié)構(gòu)仿生思路并搭建數(shù)學(xué)模型，并促進其實踐應(yīng)用。通過加大對結(jié)構(gòu)仿生方法的應(yīng)用力度，能夠有效突破傳統(tǒng)機械設(shè)計制造方法的束縛，提升機械設(shè)計的經(jīng)濟性。盡管眾多學(xué)者已經(jīng)針對結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計展開了研究，但大多集中在生物特征領(lǐng)域，并未對結(jié)構(gòu)仿生方法進行研究。例如，田亞峰在對生物樣品進行觀察的基礎(chǔ)上，分析了建立在生物樣品基礎(chǔ)上的產(chǎn)品設(shè)計方法。趙榮珍在綜合評價機械設(shè)計不同階段之目標(biāo)的基礎(chǔ)上，精簡機械結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計方法，但缺乏實例論證。筆者在對上述研究進行分析的基礎(chǔ)上，提出結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計的方法，具體如下：設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)機械設(shè)計的技術(shù)性需求和知識性需求，完成生物選型工作，在對生物功能進行綜合分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)與機械設(shè)計的類比分析，在明確生物結(jié)構(gòu)規(guī)律后，采用仿生建模的方法進行試樣制造，并進行試驗論證，確保機械設(shè)計能夠充分滿足實際應(yīng)用需求。例如，某設(shè)計人員在對蜣螂表面進行細(xì)致觀察的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了農(nóng)耕的非光滑犁杖，能夠有效降低土地的阻力，促進了農(nóng)耕效率的提升[2]。

2 結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計方法在機械領(lǐng)域中的具體應(yīng)用

2.1 撲翼飛行器

與鳥類的翼相比，昆蟲的翅膀結(jié)構(gòu)大多較為簡單，且其質(zhì)量較輕，能夠根據(jù)外部環(huán)境靈活收縮翅膀。例如，蜻蜓翅膀?qū)崿F(xiàn)了薄膜材料和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的有機結(jié)合，只需輕輕扇動翅膀，即可產(chǎn)生強大動力。例如，某公司在細(xì)致觀察蜻蜓飛行姿態(tài)的基礎(chǔ)上，完成了撲翼飛機的設(shè)計工作。再如，某公司在對蜂鳥的飛行姿態(tài)進行深入研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計出了具備自主控制功能的導(dǎo)航系統(tǒng)。英國某高校設(shè)計出的撲翼昆蟲機也是建立在對天蛾翅膀結(jié)構(gòu)深入分析的基礎(chǔ)上。隨著科學(xué)研究的不斷深入，我國針對于撲翼飛行器的研發(fā)也取得了優(yōu)異成果，通過對昆蟲的飛行能力進行模仿，為改進和研發(fā)飛行器提供了啟示，而撲翼飛行器的研究也將成為仿生領(lǐng)域的熱點[3]。

2.2 仿生機器人

伴隨著仿生學(xué)研究進程的深入，為機器人的研發(fā)工作提供了指導(dǎo)依據(jù)，通過將生物的結(jié)構(gòu)、運動模式作為參考依據(jù)，形成機器人研發(fā)的憑證，有助于提升機器人設(shè)計制造的合理性。例如，南京航空航天大學(xué)研究院細(xì)致觀察壁虎的掌紋結(jié)構(gòu)，并深入分析壁虎的粘附機理，在此基礎(chǔ)上設(shè)計出爬墻機器人，充分彰顯了結(jié)構(gòu)仿生的重要價值。還有學(xué)者對生物適應(yīng)能力和運動能力進行充分利用，設(shè)計出螳螂機器人和龍蝦機器人。陳殿生在對烏龜?shù)姆D(zhuǎn)過程進行了探析，明確了其翻轉(zhuǎn)機理，設(shè)計出了彈跳機器人。王海通過對甲殼蟲的行走狀態(tài)進行仔細(xì)觀察，設(shè)計出了能夠在山路爬行的微型機車，被廣泛應(yīng)用于震后搶險救援的過程中。

2.3 仿生減阻

在對仿生減阻進行研究的過程中，主要將水流減阻、空氣減阻和土壤減阻進行作為主要研究方向。吉林大學(xué)在對蜣螂表面進行分析，構(gòu)建完備的生物脫附體系，為機械仿生提供了重要參考。實踐研究證實：在機械設(shè)計中，通過對土壤動物體表非光滑特征的應(yīng)用，能夠促進機械設(shè)計減阻性能的提升。有學(xué)者在研究中指出，鯊魚表皮的齒狀凸起能夠有效降低水流和空氣對自身的阻力，通過將這一特性應(yīng)用于飛機飛行試驗中，能夠從根本上降低空氣阻力。哈爾濱工業(yè)大學(xué)在設(shè)計水下機器人的過程中，模仿鯊魚的表面凸起原理，促進了機器人水下工作效率的提升，為潛艇性能的改進提供了發(fā)展思路。此外，大眾集團在生產(chǎn)汽車的過程中，模仿了甲殼蟲的外形，有效減小了風(fēng)對汽車行駛的阻力。

2.4 結(jié)構(gòu)輕量化

現(xiàn)階段，國內(nèi)外學(xué)者在結(jié)構(gòu)仿真研究的過程中，紛紛認(rèn)識到結(jié)構(gòu)輕量化的重要意義。岑海堂在研究中，在明確竹竿結(jié)構(gòu)和排列方式的基礎(chǔ)上，基于結(jié)構(gòu)仿生理念的指導(dǎo)下，設(shè)計出翼身結(jié)合框，其重量顯著降低。馬金鳳在飛機機翼加強框的設(shè)計過程中，借鑒蜂窩結(jié)構(gòu)，促進機翼結(jié)構(gòu)強度的增加。朱光武在設(shè)計機床結(jié)構(gòu)件的過程中，始終堅持結(jié)構(gòu)仿生的指導(dǎo)，設(shè)計出能夠靈活移動的橫梁和工作臺。例如，F(xiàn)1賽車的車架和變速箱等都是運用了由碳纖維和鋁合金構(gòu)成的復(fù)合型材料，這種材料是基于蜂窩結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變而來的，能夠有效增強賽車的抗撞擊性能，且具有輕量化的優(yōu)勢。

2.5 機構(gòu)仿生設(shè)計

在機構(gòu)仿生設(shè)計的過程中，通過對生物優(yōu)越性能的借鑒，也取得了一系列卓越的研究進展。例如，有學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，植物葉片的收縮和伸展能夠?qū)崿F(xiàn)對葉片的有效保護，部分熱帶植物一旦遭遇溫度驟降會立即收縮葉片，實現(xiàn)預(yù)防霜凍災(zāi)害的目標(biāo)。該學(xué)者在這一發(fā)現(xiàn)的指引下，在設(shè)計太陽能電池的過程中應(yīng)用了這一原理，使得天陽能電池板能夠在低溫狀態(tài)下開啟自動保護功能，延長了電池的使用壽命。再如，某學(xué)者在研究中發(fā)現(xiàn)，蝴蝶的體表分布著薄薄的鱗片，具有調(diào)節(jié)體溫的功效，在人造衛(wèi)星溫控系統(tǒng)的仿生設(shè)計中，通過對這一原理優(yōu)勢的充分發(fā)揮，有效降低溫度驟升驟降對精密儀器準(zhǔn)確性造成的不良影響。還有學(xué)者通過對蒼蠅后翅平衡性能的運用，設(shè)計出輕量化的諧振陀螺儀。

3 結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計的不足之處及發(fā)展趨勢

3.1 不足之處

盡管國內(nèi)外針對結(jié)構(gòu)仿生的研究已經(jīng)取得了良好的發(fā)展成效，但在機械領(lǐng)域應(yīng)用仿生設(shè)計的方法，還存在諸多問題：第一，大部分學(xué)者在研究過程中注重對特定生物特性的機械模仿，并未總結(jié)出仿生設(shè)計流程，降低了結(jié)構(gòu)仿生方法的適用性，不利于彰顯結(jié)構(gòu)仿生的應(yīng)用價值。第二，部分學(xué)者針對結(jié)構(gòu)仿生的設(shè)計大多建立在靈感的基礎(chǔ)上，不能夠在相關(guān)準(zhǔn)則的指引下，未能實現(xiàn)對生物結(jié)構(gòu)、形態(tài)和運動規(guī)律等進行整體了解，難以在理論層面上達(dá)到統(tǒng)一，限制了其應(yīng)用的步伐。第三，在以往的研究中，學(xué)者實現(xiàn)了由發(fā)現(xiàn)生物結(jié)構(gòu)到提取力學(xué)特征，再--結(jié)構(gòu)仿生應(yīng)用的轉(zhuǎn)變，這一過程設(shè)計若要應(yīng)用到眾多的學(xué)科和領(lǐng)域，由于缺乏理論指導(dǎo)，使得研究的難度進一步增加。第四，由于生物種類和性能多種多樣，部分科研機構(gòu)不具備充足的人手和科研資金，而部分生物需要在活體條件下開展研究，這也無形中增加了研究過程的復(fù)雜性，使得研究過程困難重重。第五，在規(guī)格較小的機械零件的設(shè)計和制造過程中，受其表面積和體積的影響，難以促進結(jié)構(gòu)仿生方案的落實，且部分機械零件的制造工藝無法充分滿足仿生設(shè)計需求，也不利于促進結(jié)構(gòu)仿生價值的最大化。

3.2 發(fā)展前景

調(diào)查統(tǒng)計顯示，現(xiàn)階段，我國的能源和資源與其他國家相比已不具備顯著優(yōu)勢，在機械設(shè)計制造過程中，應(yīng)充分克服粗放式生產(chǎn)管理模式的弊端，促進機械設(shè)計的創(chuàng)新，實現(xiàn)節(jié)約生產(chǎn)材料的終極目標(biāo)。而這一目標(biāo)的實現(xiàn)，也依賴于結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計的廣泛應(yīng)用。經(jīng)過實踐研究，筆者對結(jié)構(gòu)仿生的應(yīng)用前景進行了推測：第一，在以往的仿生設(shè)計中，主要集中于對生物外形的模仿，以及對生物結(jié)構(gòu)原理的理論分析，目前，針對結(jié)構(gòu)仿生的研究，則主要集中在對生物的性能和結(jié)構(gòu)進行應(yīng)用。第二，目前，結(jié)構(gòu)仿生已經(jīng)實現(xiàn)了由生物形態(tài)模擬到生物功能原理的轉(zhuǎn)變，在不久的將來，則會呈現(xiàn)向微觀組織構(gòu)型的發(fā)展趨勢。第三，在以往的研究中，研究人員在觀察生物機構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)學(xué)建模的方式實現(xiàn)仿真分析，并對仿生試樣的效果進行驗證。隨著科技的進一步發(fā)展，結(jié)構(gòu)仿生將成為機械設(shè)計創(chuàng)新的原動力。第四，隨著機械設(shè)計的精細(xì)化和智能化發(fā)展，各學(xué)科之間聯(lián)系的緊密度日漸提升，對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和基因組的研究將成為結(jié)構(gòu)仿生研究的主流，對促進計算機仿生學(xué)的發(fā)展大有裨益。

結(jié)論：綜上所述，通過將結(jié)構(gòu)仿生技術(shù)應(yīng)用于撲翼飛行器和仿生機器人的設(shè)計過程中，能夠有效促進其結(jié)構(gòu)的輕量化，發(fā)揮其減阻的性能。因此，在機械設(shè)計和制造的過程中，可以借鑒上述方法。

【參考文獻(xiàn)】

[1]田亞峰，李正羊，葉霞.橫梁筋板的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計及優(yōu)化[J].機床與液壓，2016，44（20）：5-9+43.

[2]趙榮珍，王群旺，豆鵬剛.風(fēng)力機塔架結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計及力學(xué)性能分析[J].機械設(shè)計與制造，2016（05）：53-55+60.

[3]董永進，朱光武.真實蜂巢的力學(xué)分析和航天載荷結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計[J].宇航學(xué)報，2016，37（03）：262-267.