刀具仿生技術(shù)的研究進(jìn)展

孫騰蛟 趙福國

摘要：仿生學(xué)的巧妙利用可以提高刀具的耐磨性和刀具使用過程中的工作效率，也可以為今后刀具的改進(jìn)提供了一些好的思路。本文從形態(tài)學(xué)上的仿生技術(shù)，構(gòu)造形態(tài)上的仿生技術(shù)和生物材料的仿生技術(shù)三個(gè)方面進(jìn)行總結(jié)，總結(jié)出當(dāng)前仿生技術(shù)在社會(huì)刀具領(lǐng)域設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。通過對(duì)當(dāng)前社會(huì)仿生刀具應(yīng)用和特點(diǎn)做一些簡單的討論和分析，以此來分析仿生刀具技術(shù)目前所存在的一些問題，并希望對(duì)仿生刀具技術(shù)的未來研究方向做一些有用的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：刀具仿生;形態(tài);技術(shù)進(jìn)展

地球上的生物體經(jīng)過數(shù)萬億年的進(jìn)化，不斷演變出了許許多多具有優(yōu)異特性的材料結(jié)構(gòu)形態(tài)生物體。這些各種各樣的生物體為人類的工程領(lǐng)域設(shè)計(jì)和研究提供了思路和靈感。應(yīng)用仿生技術(shù)能夠提高產(chǎn)品的壽命，也能夠提高產(chǎn)品的性能，還能夠提高產(chǎn)品的使用效率。在日常生活中，我們需要使用多種工具，如果能有效地減少工具的磨損，可以延長工具的使用壽命，提高工具的利用率，節(jié)省工具制造成本。通常來說刀具磨損通常發(fā)生在刀具表面，如果使用合理的表面技術(shù)，可以有效地避免這種問題。自然界的一部分生物經(jīng)過長期的演化，具備了耐磨損的體表。因此，應(yīng)用仿生學(xué)可以提高刀具的耐磨性和工作效率，下面就形態(tài)仿生，構(gòu)形仿生以及材料仿生三方面做一些簡單的探討。

一、形態(tài)仿生

形態(tài)仿生是通過模擬生物體的表面來實(shí)現(xiàn)一定功能的一種仿生形態(tài)。例如，非光滑形態(tài)仿生，如果在工具的表面加工出類似于生物體表面仿生非光滑表面，則能夠使工具表現(xiàn)出性質(zhì)優(yōu)越的耐磨性能。

1、仿生學(xué)的應(yīng)用于切刀刀片中

在印刷行業(yè)的切刀刀片上，應(yīng)用蜣螂前胸背板的凹坑形態(tài)，設(shè)計(jì)出合理的非光滑仿生單元體，通過這種性能優(yōu)越設(shè)計(jì)，可以降低切刀刀片的切割力，最主要的特性體現(xiàn)在切刀的壽命能夠提高將近20倍左右。使用仿生設(shè)計(jì)的切刀刀片能夠有效的減少紙張被切花，這樣既能夠提高切紙的質(zhì)量，也能夠保證裁切紙張的尺寸的精度和穩(wěn)定性。這項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于包裝皮革加工，塑料加工以及布匹生產(chǎn)等行業(yè)。

2、地質(zhì)勘探鉆頭中仿生學(xué)的應(yīng)用

根據(jù)仿生學(xué)所制造的金剛石鉆頭，選用石墨合成樹脂作為材料。在地質(zhì)勘探鉆探過程中，利用石墨合成樹脂材料的鉆頭，其的硬度往往比較低，在鉆探過程中受到磨損時(shí)會(huì)脫落，使鉆頭持續(xù)產(chǎn)生一洗了宏觀的凹坑，這能夠幫助破巖和起到增加耐磨性，降低阻力的作用。而鉆頭本身的金剛石顆粒由于質(zhì)地較為堅(jiān)硬，能夠擊碎巖石，起到良好的作用。這種鉆頭于普通的金剛石鉆頭相比，鉆進(jìn)效率提高了一半，壽命延長了2/3，但鉆頭的整體設(shè)計(jì)還有待優(yōu)化，需要后人不斷的努力推動(dòng)鉆頭發(fā)展。

3、螺旋鉆頭

仿生學(xué)在螺旋鉆頭中使用也比較廣泛，在螺旋鉆頭翼板上利通過用仿生學(xué)的方法，加工出一系列非光滑性質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元體，能夠解決鉆進(jìn)過程中鉆頭阻力過大，附著嚴(yán)重的問題。鉆頭在鉆進(jìn)的過程中，由于翼板的凹凸不平，破壞了土層中水膜的連續(xù)性，也減小了土壤的黏著力，能夠提高鉆頭的機(jī)械效率。與普通鉆頭相比，這種鉆頭能夠提高2/3的鉆進(jìn)效率，也能夠減少鉆機(jī)一半的耗油量。

4、高速鋼車刀

在高速鋼車刀的前刀面進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。能夠使高速鋼防身車道的磨損率減少35%，同時(shí)切削力減少2/5，切削溫度降低1/4。通過仿生學(xué)在刀具上的應(yīng)用，能夠提高刀具的效率，也能夠提升刀具的耐磨水平，仿生學(xué)對(duì)于刀具的發(fā)展是具有重大意義的。

二、構(gòu)形仿生

構(gòu)形仿生是根據(jù)生物體的體表形狀進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)的一種方式。例如，日常生活中常見的飛機(jī)以及潛水艇的外形等都設(shè)計(jì)來自于仿生學(xué)的理解。

1、太空鉆頭

通過模仿樹蜂尾部的產(chǎn)卵器，制作出的太空鉆頭，能夠有效的降低鉆頭鉆進(jìn)時(shí)的阻力，也能夠防止鉆頭被完全排出。鉆頭在鉆進(jìn)的過程中進(jìn)行往復(fù)相反的運(yùn)動(dòng)，能夠幫助鉆屑的及時(shí)排出，避免鉆屑沉積在孔底。而且這種鉆頭具有質(zhì)量較輕，消耗功率比較小，鉆進(jìn)效率也較高的特點(diǎn)。還有一種太空鉆頭是仿蚯蚓的太空鉆頭。通過研究蚯蚓的爬行，設(shè)計(jì)出了可以在月球風(fēng)化層內(nèi)部進(jìn)行爬行的機(jī)器人鉆頭。這種鉆頭不需要太大的施工空間，在較小的空間中就可以實(shí)現(xiàn)分化層中的高效率的鉆進(jìn)，能夠大大的提高太空工作的效率。

2、食品加工時(shí)的仿生刀具

眾所周知食人魚的咬合力非常大，可以有效的切割獵物的皮膚和肌肉。因此，根據(jù)食人魚牙齒的構(gòu)型特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了一種類似于食人魚牙齒的仿生剪刀。這種剪刀的內(nèi)側(cè)有鋸齒形的結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行肉類加工處理的過程中，具有非常高的效率。而且這種刀具的壽命比較長，效率也比較高，廣泛應(yīng)用于食品加工行業(yè)中。

三、仿生材料

仿生材料是通過模擬生物的材料結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)仿生的。大自然的生命在長期的進(jìn)化中形成了完美的結(jié)構(gòu)。以及性能優(yōu)越的生物耐磨、抗疲勞材料，對(duì)各種刀具的設(shè)計(jì)提供了很大的參考意義。

科學(xué)家們通過研究河貍的牙齒發(fā)現(xiàn)，這種生物的牙齒外層為較硬的特殊物質(zhì)，內(nèi)層則為相對(duì)較軟的牙本質(zhì)。這種生物的內(nèi)牙本質(zhì)磨損得更快，這將會(huì)使得暴露出堅(jiān)硬的外層特殊材料，進(jìn)而使它們的牙齒變得更加鋒利。技術(shù)專家通過研究這一有趣的現(xiàn)象，通過用較硬的氮化鈦涂層和較為堅(jiān)硬的合金刀片進(jìn)行結(jié)合，使其附著在表面，這樣可以顯著提高合金刀片的耐磨損程度，也能夠有效的增強(qiáng)仿生刀具的強(qiáng)度以及剛度，這種技術(shù)的應(yīng)用，可以有效地消散壓力，防止刀具表面產(chǎn)生技術(shù)裂紋。

四、目前仿生刀具技術(shù)存在的一些問題

目前國內(nèi)的仿生刀具技術(shù)方面的研究工作開展進(jìn)度不高，存在著以下幾個(gè)重要的問題。首先，對(duì)自然界多種多樣的生物研究不夠到位，能夠提供素材的生物不多。其次，研究加工刀具的仿生研究工作較少，而且各類的仿生刀具的切削效果有待時(shí)間的考驗(yàn)。最后，對(duì)于仿生刀具的相關(guān)理論基礎(chǔ)研究還不足整體上匱乏，同時(shí)對(duì)于仿生刀具在切削過程中的性能以及使用過程中耐磨機(jī)理和耐磨性能等方向的研究深度有所欠缺。

五、小結(jié)

巧妙的應(yīng)用仿真技術(shù)可以解決實(shí)際生活中和實(shí)際工程中所遇到的一些技術(shù)難題。目前，仿生技術(shù)在各類刀具的設(shè)計(jì)中得到一定的體現(xiàn)，使得刀具的種類和領(lǐng)域也發(fā)展較為廣泛。但目前的仿生技術(shù)缺乏相關(guān)的理論指導(dǎo)，需要運(yùn)來越多的科技工作者不斷投身到這個(gè)行業(yè)中，不斷推動(dòng)我國仿生事業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)國家現(xiàn)代化的建設(shè)。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧寶清. 內(nèi)燃機(jī)活塞缸套系統(tǒng)非光滑效應(yīng)的仿生研究[D].長春：吉林大學(xué)，2004.

[2]楊卓娟. 凹坑形仿生非光滑軋輥耐磨性研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2006.

[3]任露泉，梁云虹. 耦合仿生學(xué)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2011：2-20.

[4]沈明. 切刀刀片表面耐磨性能的仿生研究[D]. 長春：吉林大學(xué)，2007.

[5]王傳留，孫友宏，劉寶昌，等. 仿生耦合孕鑲金剛石鉆頭的試驗(yàn)及碎巖機(jī)理分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011，42（5）：1321-1325.

致謝

本文的撰寫過程中得到山東省教育廳科研課題項(xiàng)目-數(shù)控刀具耐磨性能的仿生學(xué)研究（編號(hào)J11LD71）的資助，在此表示感謝。