結(jié)構(gòu)仿生在機(jī)械領(lǐng)域的運(yùn)用

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0引言

生物在自身進(jìn)化及自然選擇的長期作用下，通過億萬年的洗禮，形成了獨(dú)特的特性和功能，這為人類解決工程技術(shù)問題提供了大量的設(shè)計(jì)原型和許多創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)方法，是人類技術(shù)創(chuàng)新取之不盡的靈感源泉。自誕生以來，仿生學(xué)的概念不斷演變，并經(jīng)歷了由簡單的模仿生物，到利用自然設(shè)計(jì)靈感的不斷完善的過程。仿生學(xué)是將通過觀察、分析、研究掌握的自然界生物所具有的各種特殊本領(lǐng)，并模擬、移植到各工程技術(shù)領(lǐng)域中去，為促進(jìn)人類社會進(jìn)步發(fā)展所用。仿生的價(jià)值在于依照相似準(zhǔn)則和前提，按照生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想及工作原理，并找到新的更加經(jīng)濟(jì)、合理、高效和可靠的方法。仿生學(xué)需要多學(xué)科的交叉，是一門很難劃清邊界的大學(xué)科。同時(shí)由于仿生技術(shù)應(yīng)用范圍廣，因而很難將仿生技術(shù)準(zhǔn)確分類。本文重點(diǎn)研究了結(jié)構(gòu)仿生的研究方法，分析了結(jié)構(gòu)仿生在機(jī)械領(lǐng)域中的典型應(yīng)用，總結(jié)了結(jié)構(gòu)仿生在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的問題，并展望了結(jié)構(gòu)仿生的發(fā)展趨勢。

1結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的方法研究

結(jié)構(gòu)仿生是通過研究生物形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料、功能及其相互關(guān)系，在深入理解生物機(jī)理的基礎(chǔ)上，分析生物功能、結(jié)構(gòu)與工程的相似性，提出仿生構(gòu)思或建立數(shù)學(xué)模型，最終用于工程結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)。通過對生物體結(jié)構(gòu)的仿生可以改變傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論與方法，取得具有創(chuàng)造性的突破。雖然仿生設(shè)計(jì)已經(jīng)產(chǎn)生了大量的工程應(yīng)用，但相關(guān)研究多是基于某種生物特征的發(fā)現(xiàn)，或基于某種技術(shù)性需求的仿生改進(jìn)，對方法學(xué)的研究相對較少。如JuniorW．K．［1］基于產(chǎn)品開發(fā)，重點(diǎn)介紹了對生物樣品的觀察、實(shí)驗(yàn)階段，此方法適用于一般產(chǎn)品的仿生設(shè)計(jì)。ZhaoL．［2］初步建立了適用于機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的方法，綜合考慮了各階段的目的、方法，但實(shí)用性有待考證。綜合現(xiàn)有的仿生設(shè)計(jì)的研發(fā)流程，特提出結(jié)構(gòu)仿生的基本步驟，如圖1所示。例:研究人員通過大量的觀察和試驗(yàn)，對蜣螂等生物非光滑表面的觀察研究及仿生，開發(fā)了具有減阻功能的非光滑犁，突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并且降低了農(nóng)業(yè)耕作的能耗，提高了工作效率。其研究過程符合“技術(shù)需求型”。基于圖1可知，結(jié)構(gòu)仿生研究的基本步驟［3-4］和具體的研究方法如下圖2所示。

2結(jié)構(gòu)仿生技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域中的典型應(yīng)用

2.1撲翼飛行器

昆蟲翅的結(jié)構(gòu)比鳥翼簡單得多，但翅膀的超輕質(zhì)、高強(qiáng)度、自適應(yīng)變形等性能非常突出，如蜻蜓翅是由非常輕的網(wǎng)狀構(gòu)架和薄膜材料構(gòu)成，但是卻能產(chǎn)生非凡的動(dòng)力。如由SRI國際研究公司開發(fā)的仿蜻蜓飛行姿態(tài)的撲翼飛機(jī)已經(jīng)試飛成功，NASA的噴氣試驗(yàn)室也成功試驗(yàn)了蜂鳥和蜻蜓的自主控制和導(dǎo)航系統(tǒng);喬治亞理工研究院與英國劍橋大學(xué)、ETS試驗(yàn)室合作研制模擬天蛾翅膀結(jié)構(gòu)的撲翼昆蟲機(jī)“En-tomopter”，機(jī)械翅膀能夠像昆蟲一樣飛行［5］;另外國內(nèi)的撲翼飛行器也取得了一定進(jìn)展。這些對昆蟲飛行能力的破譯必然會推動(dòng)人類對現(xiàn)有飛行器的改革。這是各國發(fā)展微型機(jī)械飛行蟲(MFI)技術(shù)加以仿生借鑒的核心。而昆蟲飛行功能研究已經(jīng)成為昆蟲仿生領(lǐng)域最熱烈的前沿方向之一。

2.2運(yùn)動(dòng)仿生的機(jī)器人

仿生學(xué)的發(fā)展為機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了大量的解決思路和方案，如動(dòng)物的身體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、自由度分配、鉸鏈設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)控制等都是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，通過研究生物原型的相關(guān)規(guī)律往往可以找到更好的解決問題的方法。如南航對壁虎腳掌微觀結(jié)構(gòu)及粘附機(jī)理進(jìn)行研究，為爬墻機(jī)器人的發(fā)展提供了依據(jù)［6］;動(dòng)物的靈活高效且適應(yīng)能力強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)令設(shè)計(jì)者羨慕不已，許多的仿生設(shè)計(jì)工作也已開展，如仿蟑螂機(jī)器人以及仿龍蝦機(jī)器人等［7］;ZhaoT．S．［8］等對海蟹的行走機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究;陳殿生［9］從蝗蟲和龜類的翻轉(zhuǎn)研究中得到啟示，設(shè)計(jì)了移動(dòng)彈跳機(jī)器人。另外在微型機(jī)器人方面，昆蟲為微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了大量的仿生原型，研制具有昆蟲足樣行走能力的機(jī)器人或蟲樣蠕動(dòng)的微型機(jī)車，可被用于行進(jìn)到崎嶇不平的山路或其它非平坦地帶(如:地震后墻壁倒塌的廢墟中)執(zhí)行特殊的任務(wù)。

2.3仿生減阻及推進(jìn)

仿生減阻主要包括土壤減阻、空氣減阻和水流減阻等。吉林大學(xué)通過研究典型土壤動(dòng)物蜣螂、黃鼠的體表面，形成了比較完善的的生物脫附與機(jī)械仿生研究理論體系。基于土壤動(dòng)物體表非光滑結(jié)構(gòu)的仿生非光滑結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證實(shí)具有良好的防粘、減阻性能。Han［10］發(fā)現(xiàn)鯊魚表皮上齒狀突起能保持水流的流態(tài)，可以有效地減少表面的摩擦阻力和壓差阻力。基于鯊魚皮表面織構(gòu)的減阻表面結(jié)構(gòu)已經(jīng)完成飛機(jī)模擬飛行試驗(yàn)［11］，空客320客機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼表面增加仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)后，降低了6%的空氣阻力。基于仿生學(xué)的水上推進(jìn)研究也取得了很大發(fā)展，如北航的仿生機(jī)器鰻魚、哈工大的水下機(jī)器人以及國外的許多仿生機(jī)器人都提高了水下的推進(jìn)效率，有望改進(jìn)潛艇與水上交通工具。在汽車制造行業(yè)中，結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品也取得了預(yù)想不到的優(yōu)良性能。特別是在汽車外型設(shè)計(jì)上模仿生物的優(yōu)異外型可以大大降低風(fēng)阻系數(shù)。

2.4結(jié)構(gòu)輕量化

結(jié)構(gòu)輕量化是飛行器設(shè)計(jì)的重要課題，岑海堂［12］借鑒竹干的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和排列方式，仿生設(shè)計(jì)了仿生翼身結(jié)合框，仿生結(jié)構(gòu)與原型相比重量可減輕2.1%。馬建峰［13］等將蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼加強(qiáng)框的設(shè)計(jì)中，提高了結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度。此外，在機(jī)床結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，趙嶺［14］利用結(jié)構(gòu)仿生方法改進(jìn)了工作臺和移動(dòng)橫梁筋板結(jié)構(gòu)，在降低質(zhì)量的前提下獲得了更好的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能。在F1方程式賽車的變速箱、車架等承力部件以及日本的新干線車廂殼體中都采用了鋁合金、碳纖維等高性能材料的蜂窩結(jié)構(gòu)板來實(shí)現(xiàn)輕量化，使抗撞擊性能更好。車身結(jié)構(gòu)輕量化是當(dāng)前結(jié)構(gòu)仿生的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。

2.5機(jī)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)

在模擬生物體優(yōu)異運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方面也取得了許多創(chuàng)新性的成果。植物葉片的收疊和伸展功能起著保護(hù)嫩葉免受外來損傷的作用，如許多熱帶植物一旦碰到溫度急驟下降就利用葉片表面波紋結(jié)構(gòu)的收疊功能來避免霜凍危害。人造衛(wèi)星和航天裝備研究人員受到植物葉片收疊和伸展特性的啟示，將植物葉片的這種功能用于航天飛船的天線和大面積太陽能電池的設(shè)計(jì)中。根據(jù)長頸鹿血液循環(huán)系統(tǒng)的獨(dú)特機(jī)構(gòu)，發(fā)明了超音速戰(zhàn)斗機(jī)的抗荷飛行服。航天科學(xué)家受蒼蠅平衡器后翅的啟示，成功地研制了體積小、重量輕的“諧振陀螺儀”。蝴蝶的身體表面生長的一層極小的鱗片能夠調(diào)節(jié)體溫，仿生研制的人造衛(wèi)星的溫控系統(tǒng)能夠避免溫差損毀精密儀器等［15］。

3結(jié)構(gòu)仿生在機(jī)械結(jié)構(gòu)領(lǐng)域中的問題

結(jié)構(gòu)仿生在人類技術(shù)進(jìn)步的各個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮了重要作用，但在機(jī)械領(lǐng)域中的相關(guān)系統(tǒng)研究工作相對較少，并存在如下問題:(1)從研究方法上來看，許多研究者僅是對生物體進(jìn)行簡單的模仿，并未上升到理論研究的高度，降低了其真正價(jià)值，其應(yīng)用未形成完善、系統(tǒng)的理論體系。(2)從結(jié)構(gòu)仿生的現(xiàn)有成果來看，設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想多是靈感一現(xiàn)，缺少成熟的理論、準(zhǔn)則和方法的指導(dǎo)，對生物體結(jié)構(gòu)形式和材料、結(jié)構(gòu)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)問題也尚無可資利用的成熟方法，因而有時(shí)難以系統(tǒng)地應(yīng)用及實(shí)現(xiàn)。(3)從生物結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，到力學(xué)特征的提取，再到仿生技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用是一個(gè)漫長而艱難的過程，且缺乏相關(guān)理論法則和信息。由于結(jié)構(gòu)仿生的研究屬于跨學(xué)科研究領(lǐng)域，涉及到多領(lǐng)域、多學(xué)科知識的綜合運(yùn)用，增加了研究難度。(4)自然界中生物體結(jié)構(gòu)種類繁多、性能各異，原型的選擇具有偶然性，同時(shí)由于認(rèn)識水平、技術(shù)手段及科研條件的制約，許多優(yōu)異生物結(jié)構(gòu)的機(jī)理難于破譯，有些結(jié)構(gòu)的研究需要在活體條件下進(jìn)行，使其結(jié)構(gòu)組成和機(jī)械性能的研究相對困難。(5)生物體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及特殊性制約了其仿生應(yīng)用，特別是對于中小尺度的機(jī)械零件，傳統(tǒng)的鑄鍛、沖壓、鉚焊、機(jī)械加工或者很難復(fù)現(xiàn)生物體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，或成本過高，使仿生結(jié)構(gòu)缺乏制造工藝的支持。

4結(jié)束語

隨著人類對資源、環(huán)境的重視程度逐漸增加，迫切需要改變我國機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)中的保守設(shè)計(jì)思想。傳統(tǒng)而粗放的生產(chǎn)制造過程必須得到改善，學(xué)習(xí)生物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法將為節(jié)約原材料發(fā)揮積極作用，其應(yīng)用也會日趨廣泛。結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢為:(1)從結(jié)構(gòu)仿生在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用過程來看，其發(fā)展的主體趨勢為:最初外形結(jié)構(gòu)的機(jī)械模仿，隨后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理的理性分析，現(xiàn)階段注重結(jié)構(gòu)與功能、材料、制造等方面的綜合分析。(2)結(jié)構(gòu)仿生的研究內(nèi)容:從宏觀的形態(tài)模擬，到細(xì)觀的功能原理，再到微觀組織構(gòu)型，內(nèi)容在不斷深入和擴(kuò)大。(3)結(jié)構(gòu)仿生的研究方法:注重對生物結(jié)構(gòu)的微觀觀察和分析，多采用數(shù)學(xué)建模、力學(xué)分析及有限元的方法進(jìn)行仿真分析，再通過對仿生樣件的試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)仿生正逐漸成為創(chuàng)新研究的重要方法，并已成為提升科學(xué)技術(shù)原始創(chuàng)新能力的一個(gè)重要方向。(4)結(jié)構(gòu)仿生的發(fā)展方向:正向著微觀化、系統(tǒng)化、智能化、精細(xì)化的方向發(fā)展，使各學(xué)科間的聯(lián)系日益密切;結(jié)構(gòu)仿生衍生了新的仿生方向，特別是隨著對基因組、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、腦與神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)知，推動(dòng)了以解讀生命信息為目的的計(jì)算仿生學(xué)的發(fā)展。

總之，由于科技的發(fā)展，對已知生物體結(jié)構(gòu)相關(guān)研究不斷的深入，許多原先未知的生物結(jié)構(gòu)正逐漸被認(rèn)知和理解，仿生設(shè)計(jì)的靈感源泉正在不斷被豐富，同時(shí)結(jié)構(gòu)仿生理論也正不斷地走向成熟和完善。