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形態仿生
形態仿生是通過模擬生物的表面形態以實現一定的功能，特別是非光滑形態仿生，已成為仿生學的研究熱點之一。在試件表面加工出的仿生非光滑表面，表現出良好的耐磨性能。
1.切刀刀片
沈明將蜣螂前胸背板的凹坑形態應用在印刷造紙行業的切刀刀片上，如圖1所示。研究表明，凹坑形仿生單元體參數對切刀耐磨性的影響順序依次為凹坑行間距、凹坑列間距、排列方式和凹坑直徑，設計出合理的非光滑仿生單元體可以降低刀片的切削力，使仿生切刀的壽命比普通切刀提高20倍。仿生切刀能減少切花，提高切紙質量，保證裁切品尺寸的精度和切削穩定性。此技術還可以應用于包裝、裝飾裝潢、皮革加工、塑料加工和布匹生產以及某些金屬加工行業等。
2.地質鉆頭
高科與王傳留等根據蜣螂前胸背板的非光滑凹坑現象研制出了仿生孕鑲金剛石鉆頭，如圖2所示。選用石墨合成樹脂為造坑材料，鉆頭工作時，造坑材料的低硬度使其提前磨損和脫落，在鉆頭表面持續產生的宏觀凹坑起到輔助破巖和耐磨降阻的作用；而胎體表層的金剛石顆粒表現出微觀凸包，起到破碎巖石的作用，待金剛石顆粒脫落后會產生微凹坑，而胎體材料被磨掉后又會繼續露出凸形的金剛石顆粒。與普通孕鑲金剛石鉆頭相比，其鉆進效率提高42.7%，壽命提高73.8%。但鉆頭上的金剛石濃度和粒度的優化設計還不夠完善，凸包單元體的尺寸和分布也有待優化。此技術還為螺桿鉆的耐磨設計以及減小泥漿泵的葉片或活塞的磨損設計提供了借鑒
3.螺旋鉆頭
何龍飛等在螺旋鉆頭翼板上加工出凸包形非光滑單元體，解決了黏性土鉆進中螺旋鉆頭阻力大、黏附嚴重的難題。在土壤層樁基旋挖施工時，鉆頭凸包上產生的切向應力使黏附在翼板上的土壤產生運動；另外，翼板凹凸不平的表面破壞了水膜的連續性，也減小了土壤的黏附力。與常規螺旋鉆頭相比，仿生螺旋鉆頭的脫土率提高70%，鉆機耗油量降低53.3%，鉆進效率提高70%。與地質鉆頭類似，螺旋鉆頭翼板上的凸包單元體的尺寸和分布有待優化。此類鉆頭適用于砂土、黏性土、粉質土等土層施工。
4.高速鋼車刀
董亮參考蜣螂體表的凹坑形態，在高速鋼車刀的前刀面進行仿生設計，設定車刀前角為5°，后角為8°，仿生車刀的凹坑直徑為280μm，行間距為550μm，列間距為1000μm，運用DEFORM有限元軟件對45鋼工件進行切削仿真實驗，前刀面的磨損量對比，如圖3所示。高速鋼仿生車刀的磨損減少35.8%，切削力減小14.8%，切削溫度降低26.1%。但此研究未考慮單元體深度對耐磨性的影響。
5.微織構刀具
與表面形態仿生類似，研究人員在切削刀具的表面加工出微織構，也獲得了提高刀具耐磨性能的效果。NoritakaKawasegi在硬質合金車刀前刀面加工出微米溝槽，并應用微量潤滑技術對鋁合金進行車削加工。結果表明，表面織構有效減小前刀面的摩擦，降低切削力，垂直于切屑流出方向的微織構刀具減磨效果更佳，切削力的對比，如圖4所示。LeiShuting等［13］，ChangWenlong等［14］，P.Koshy等［15］，宋文龍［16］和王震［17］也做了關于微結構刀具方面的研究。微結構刀具能減小切削受力、摩擦因數和磨損。但高速切削時切屑會進入微孔或微溝槽，且黏附現象嚴重。其中，微坑型的刀具適用于潤滑條件下的中低速切削，微溝槽型的刀具適用于無潤滑或微量潤滑條件下的中低速切削。此外，蚊子口器具有鋸齒狀非光滑形態，王京春等設計了波紋型仿生注射器針頭，針頭阻力減少44.5%［18］。KazunariOka等發明的采血針也是根據蚊子口器鋸齒形的特征制成，從而達到無痛、減阻的效果。
構形仿生
構形仿生是根據生物體的形狀進行的仿生設計，例如近代飛行器、潛水艇的外形設計就是來自對鳥類、魚類構形的模仿。
1.仿樹蜂太
空鉆頭樹蜂尾部的產卵器由呈鋸齒狀的兩部分組成，一側是切削齒，通過往復運動鉆削樹木；另一側是口袋狀齒形，通過往復運動將鉆削產生的樹屑帶出樹洞。GaoYang，AlexEllery等利用樹蜂產卵器的形狀和結構特點，設計出一種太空仿生鉆頭［20-21］，如圖5所示。倒齒的存在一方面降低了鉆頭的鉆進阻力，另一方面防止鉆頭被完全排出。鉆頭兩部分的往復相向運動，也有助于鉆屑的排出，不易沉積在孔底。這種仿生鉆頭質量為0.5kg，功率為3~5W，鉆深為1~2m，具有質量低、驅動功率低、鉆進效率高的特點。目前，該設計僅停留在實驗室的研究階段。鉆頭幾何形狀的優化、材料的選取需要進一步的研究。
2.仿蚯蚓太空鉆頭
蚯蚓是一種常見的環節動物，身體內部有環狀肌和縱行肌，如圖6所示。蚯蚓爬行時，首先，靠近頭部的體節1~3的縱行肌收縮，環狀肌舒張，剛毛伸長插入土壤，保持靜止；然后體節4的縱行肌開始收縮，環狀肌舒張，此時體節2~4部分的剛毛伸長插入土壤，保持靜止；而體節1的剛毛縮回，與土壤脫離接觸，環狀肌收縮，縱行肌舒張，體節變細從而向前爬行。此后，每一段體節重復這一過程，蚯蚓就能不斷向前爬行［22］。TakashiKubota等利用蚯蚓肌肉收縮前行的原理，用若干伸縮單元和傳感器發明了一種可以在月球風化層內部爬行的機器人鉆頭。與傳統鉆頭相比，這種仿生鉆頭不需要太大的空間就可以在風化層中高效率爬行，從而提高了太空作業效率［23］。目前，僅通過試驗分析得出可行性，需進一步提高仿蚯蚓爬行裝置的工作效率。
3.食品加工用仿生刀具
魚類為適應水中的環境和捕食的習慣，進化出不同類型的牙齒。例如，亞馬遜河食人魚的口腔內分布著整齊鋒利、上下交錯的三角形牙齒，每個牙齒表面呈微細鋸齒狀分布。當食人魚進食時，在上下牙齒之間的壓力和剪切力的復合作用下，可以有效切割獵物的皮膚和肌肉。根據食人魚的牙齒構形特點，設計出一種仿生剪刀，這種剪刀的內側有鋸齒形結構，特別適合于肉類組織的加工和處理［24］。此外，還有一些食品加工刀具也都用到了仿生技術，如絞肉機刀片、豆漿機刀片等。此類刀具壽命長，效率高，但刀齒的幾何形態還存在優化的空間。
材料仿生
通過模擬生物體材料的結構進行材料仿生。自然界在長期的進化演變過程中，形成了結構組織完美和性能優異的生物耐磨和抗疲勞材料，可為各類刀具的設計提供借鑒。
1.塑料切刀
河貍牙齒的外層為較硬的牙釉質，內層為相對較軟的牙本質。內層的牙本質磨損較快，使較硬的牙釉質不斷暴露出來，從而使牙齒能夠一直保持鋒利狀態，達到自銳效果。根據河貍這一特性，JürgenBerling等設計出一種塑料切刀，如圖7所示。通過在鎢鈷硬質合金刀片表面涂上一層更硬的氮化鈦涂層，相比常規的工具鋼材料，磨損量顯著減少［25］。該研究增強了塑料切刀的剛度和強度，能有效地耗散壓力，阻止裂紋的形成，但刀具涂層和基體的黏結性有待提高。
2.可轉位刀片
Duralor公司仿照荷葉表面的微米級乳突結構，應用自行開發的TuffTek涂層技術，在刀具表面獲得仿生CBN（cubicboronnitride）涂層。先通過靜電噴涂將CBN顆粒沉積在硬質合金刀具表面上，然后采用化學氣相沉積TiN，最后再噴涂PTFE和MoS2。CBN作為硬質相，而TiN等作為潤滑相填充在CBN突出顆粒的四周。摩擦試驗表明，仿生CBN涂層有較低的摩擦因數和更好的耐磨性［26］。通過40CrNiMoA高強度鋼的切削試驗，對比仿生CBN涂層和物理氣相沉積TiAlN涂層的CNMG432型號可轉位刀片的切削性能，仿生CBN刀具有突出的耐磨性，壽命明顯提高，刀具的磨損曲線如圖8所示［27］。該技術增強了涂層與基體的黏結性，增加涂層的厚度，刀具壽命顯著提高。目前還沒有實現商業化，該刀具適用于干切削條件下精車淬硬零件、加工黑色金屬等。此外，吳紅艷和張平則也仿照河貍牙齒的自銳特性，制備了一種硬度漸進分布的切木材刀具。通過雙輝等離子表面合金化工藝，在45鋼刀具表面形成TiC合金層和Ti的過渡層，使刀具從合金表層到基底的硬度逐漸降低，達到了自銳效果［28］。慶振華等對河貍門齒的橫斷面做了研究，提出利用其牙釉質和牙本質的結合機理來優化刀具結構、改善涂層性能的思路。
總結與展望
應用仿生技術，可以解決工程實際中面臨的一些技術難題。仿生技術也在各類刀具的設計中得到應用，現有的刀具仿生設計工作主要圍繞刀具的幾何結構設計、刀具涂層材料設計以及刀具的表面結構設計幾個方面展開，涉及的刀具領域和種類也較廣。
1.仿生刀具的特征
通過對幾種仿生刀具的制備技術、性能、適用領域等方面的歸納與分析，總結出現有的刀具仿生技術具有如下特征：1）以土壤生物的體表、動物牙齒為刀具的主要仿生原型。土壤動物長期生活在土壤中而體表不易黏土又耐磨，此特征為刀具的設計提供新的思路。對蜣螂體表特征的提取及分析，設計出了非光滑高速鋼車刀和非光滑鉆頭等。嚙齒動物的牙齒能夠始終保持鋒利，這一特征被應用到塑料切刀、木材切刀的設計上。食肉魚類的牙齒上面微小的鋸齒狀結構也為肉類加工刀具的設計帶來啟發。2）仿生刀具的設計以刀具切削部分為主。上述的幾類仿生刀具，除仿蚯蚓太空鉆頭，其余都是對切削部分進行仿生設計。如，在車刀和微結構刀具的前刀面上加工出微坑、微溝槽；在鉆頭的切削齒上加工出凹坑和凸包；仿樹蜂太空鉆頭的切削齒設計成鋸齒狀；塑料切刀和可轉位刀片都是在其刀面上進行仿生涂層等。3）仿生刀具的制備技術容易實現?，F有的各類仿生刀具的制備過程，并沒有改變常規的刀具制造方法，只是在某個或某些生產環節做些改進。例如，在車刀、銑刀的前刀面采用激光加工技術加工出非光滑單元體，有效提高了刀具的耐磨性。仿生可轉位刀片的制備，也是在刀具涂層技術的基礎上，對涂層的材料和結構進行改進，從而提高涂層刀具的性能。4）仿生刀具的應用領域廣。仿生技術在各類刀具的設計中得到應用，從太空探測鉆頭到地質鉆頭，從切紙刀片到肉加工刀片，從塑料切刀到金屬切削刀具等。隨著仿生技術的發展和應用，將會設計出應用于更多領域的仿生刀具，從而達到提高刀具壽命和工作效率的效果。
2.存在的問題
目前，有關刀具仿生技術方面的研究工作剛剛開展，還存在下面幾個問題：1）生物原型的選取有限。仿生刀具主要以土壤生物體表、動物牙齒以及荷葉表面結構為基礎。自然界的生物體種類繁多、性能各異，可為刀具的仿生設計提供豐富的仿生素材。2）有關機加工刀具的仿生研究工作較少。機加工金屬切削刀具用量巨大，刀具磨損嚴重，如果能夠應用仿生技術提高金屬切削刀具的性能，意義顯著?，F有的研究只局限于車刀、銑刀等，切削試驗中所用的工件材料也只有鋼和鋁合金等，各類仿生刀具對其它金屬材料的切削效果有待驗證。3）部分研究尚未工程應用。例如，仿樹蜂鉆頭和仿蚯蚓鉆頭在行星表面的探測工作還未能實現，現有的成果只是鉆頭模型在實驗室的性能評估。4）缺乏仿生刀具的相關理論基礎研究。目前，有關刀具切削性能以及耐磨機理方向的研究還不夠深入。5）沒有進行仿生單元的合理優化。一些研究只是初步證明了設置仿生單元可以改善刀具的性能，并沒有繼續對仿生單元體的尺寸和分布進行優化，以達到最優設計。例如，切紙刀片和仿生鉆頭上面的凹坑或凸包單元體參數都存在繼續優化的空間。
3.研究展望
未來刀具仿生設計方面的研究工作應主要集中在以下幾個方面。1）刀具仿生對象的選擇和生物體優異特征的提取。生物種類多種多樣，選擇合適的生物作為仿生對象，是開展刀具仿生設計的基礎。生物原型的選擇也決定刀具仿生設計的效果。仿生設計需要模仿和借鑒生物體所具有的優異性能。拓寬生物原型的選取，結合生物的生活環境、功能和行為，分析和提取生物體的優異特征，是非常必要的。上述工作涉及學科交叉，需要與生物學領域的學者合作完成。2）仿生設計方法。仿生設計不僅是對生物體的簡單模仿，更重要的是以生物體的優異特性為啟發，解決工程技術問題。仿生設計方法是生物體與仿生刀具之間的橋梁，因此，掌握有效的仿生刀具設計方法，可以提高設計刀具效率，達到事半功倍的效果。3）仿生刀具的優化設計。應用仿生技術，設計出的刀具證明了仿生刀具的可行性，但所設計的仿生刀具的仿生結構和形式未必最優，其中的仿生參數也需要優化，以獲得最優的刀具性能。因此，從有效仿生設計到高性能仿生設計仍然需要大量的研究工作。4）仿生刀具的制造技術。應用仿生技術設計的刀具將具有特殊的形狀和結構，特別是一些微細的表面結構，如果加工上述仿生特征結構需要過多的成本，則仿生刀具很難得到實際推廣和應用。因此，開發出高效、低成本的仿生刀具制造技術是實現仿生刀具工程實際應用的重要前提。5）仿生刀具性能的研究。研究仿生刀具的切削理論、揭示應用仿生技術提高刀具性能的原因，是開展刀具仿生技術的理論基礎。（本文圖略）
本文作者：王威 于愛兵 柴國兵 王姣 謝志斌 吳中梁 單位：寧波大學 機械工程與力學學院