仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

朱書啟

甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院741001

1 引言

仿生學(xué)是一門實(shí)現(xiàn)生物特點(diǎn)與技術(shù)有效融合的科學(xué)，其通過對生物結(jié)構(gòu)特征、生理特性以及能量、信息轉(zhuǎn)換控制等方面的綜合研究，選取一部分成果應(yīng)用到各行業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)體系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其理念創(chuàng)新和技術(shù)變革。在實(shí)際生產(chǎn)中，仿生學(xué)的應(yīng)用往往能創(chuàng)造新的工藝系統(tǒng)、建筑構(gòu)型以及自動(dòng)化裝置等，而且在設(shè)計(jì)理念方面，其同樣能提供新的思路與方向，以一種特定的途徑有效解決相關(guān)難題。就目前而言，隨著大量仿生機(jī)械產(chǎn)品的推出，仿生學(xué)應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中越來越受到重視，相應(yīng)的研究投入也正逐年增加。當(dāng)然，近年來機(jī)械仿生設(shè)計(jì)方面取得的成就也不在少數(shù)，隨著時(shí)代的發(fā)展而得到了不斷深入、廣泛和有效的推進(jìn)。

2 機(jī)械仿生設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容

當(dāng)前形勢下，機(jī)械仿生設(shè)計(jì)無疑正向著多元化發(fā)展，而且也逐步從傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)走向了新型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。目前，機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)已然建立起了全面的仿生體系，通過對生物科學(xué)的有益吸收，主要實(shí)現(xiàn)了以下幾個(gè)方面的仿生設(shè)計(jì)：

2.1 功能特性仿生

在自然界的長期發(fā)展演變中，生物為了更好適應(yīng)周圍環(huán)境的改變，逐漸形成了自身獨(dú)有的功能特性。而在機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中，這一點(diǎn)往往能為各方面的工作指引一個(gè)新的方向，并使之有效抓住技術(shù)創(chuàng)新的突破口?，F(xiàn)今已有的設(shè)計(jì)實(shí)例中，不僅包括生物特殊外形的仿生、還包括生理特性的一系列應(yīng)用，顯然這些方面技術(shù)創(chuàng)新的研究都取得了相應(yīng)的成果，功能特性的仿生也使得機(jī)械設(shè)計(jì)不再拘泥于傳統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)，而更多擁有了其靈活性與實(shí)效性。

2.2 運(yùn)動(dòng)特征仿生

機(jī)械設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)體系的規(guī)劃往往是重點(diǎn)以及難點(diǎn)，同樣，信號(hào)的規(guī)范性是最復(fù)雜的問題，由于在集中監(jiān)控模式下，監(jiān)控中在機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中，生物運(yùn)動(dòng)特征的仿生也必不可少。對于這些生物與生俱來的特點(diǎn)，通過將其板塊化、細(xì)節(jié)化，便能從中找出與實(shí)際生產(chǎn)工作的良好結(jié)合點(diǎn)，使得相應(yīng)的機(jī)械設(shè)計(jì)更貼合自然，因而應(yīng)用水平也就隨之提高。目前的運(yùn)動(dòng)特征仿生中，對生物基本運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等都進(jìn)行了全面的研究，而實(shí)際生活中的一些相關(guān)機(jī)械設(shè)備也為生產(chǎn)工作帶來了極大的便利。

2.3 組織結(jié)構(gòu)仿生

這方面的仿生是結(jié)合生物科學(xué)而進(jìn)行的深層應(yīng)用，也從微觀角度上實(shí)現(xiàn)了人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。在相關(guān)的機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中，其通常在材料生產(chǎn)方面收效較為顯著，因此而推出的一系列仿生材料也良好地適應(yīng)了高強(qiáng)度、高效率的性能需求，為生產(chǎn)發(fā)展帶來了極大的經(jīng)濟(jì)效益。而通過對生物內(nèi)部組織機(jī)制一些必要性聯(lián)系的分析，機(jī)械微組裝、分級結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等也都有了新的發(fā)展方向。

2.4 信息控制仿生

隨著信息化時(shí)代的到來，人們對于信息的傳遞與控制要求也越來越高，而在這一方面，生物在不斷進(jìn)化過程所擁有的一些能力同樣可以借鑒。具體地，在機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中，信息管理設(shè)備往往能通過生物的一些信息獲取方式、反饋系統(tǒng)以及自主控制能力等得到全新的發(fā)展空間，不僅生產(chǎn)質(zhì)量得以有效保證，而且實(shí)際效率也隨之大大提高。

3 仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用

縱觀當(dāng)前機(jī)械仿生設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢，在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用更加多元化與廣泛化，而相應(yīng)的技術(shù)革新也正逐步走向智能化與全面化，現(xiàn)具體舉出以下幾例加以分析：

3.1 半步行輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

在地面工作機(jī)械的仿生設(shè)計(jì)研究中，半步行輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是根據(jù)傳統(tǒng)的水牛耕地現(xiàn)象而創(chuàng)造出的新型技術(shù)，如下圖（a）所示，通過對水牛在水田中的工作特征分析，陳秉聰?shù)热颂岢隽巳碌摹鞍敫∈嚼碚摗?，有效的將機(jī)械運(yùn)動(dòng)中的“沉”、“浮”以及“滑行”、“驅(qū)動(dòng)”加以有機(jī)結(jié)合，以此改變了傳統(tǒng)生產(chǎn)中承重與驅(qū)動(dòng)并存的結(jié)構(gòu)體系，而代之以一種適用于水田及松軟土壤工作的高效生產(chǎn)方式。同時(shí)，從機(jī)械仿生設(shè)計(jì)所延伸的一系列研究中，也相繼推出了眾多滾動(dòng)阻力較小，而驅(qū)動(dòng)動(dòng)力較大的先進(jìn)設(shè)備，為行業(yè)生產(chǎn)提供了巨大的動(dòng)力。顯然，仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用不僅加快了機(jī)械設(shè)備的改革，而且還有效促進(jìn)了設(shè)備實(shí)效化、便利化的發(fā)展。

（a）仿生半步行輪

（b）仿生機(jī)械手關(guān)節(jié)

3.2 大型觸土機(jī)械設(shè)計(jì)

在大型觸土機(jī)械的設(shè)計(jì)方面，相關(guān)科研人員也從深松部件、鉆頭以及推土板三個(gè)方面的結(jié)構(gòu)中找到了仿生學(xué)結(jié)合要點(diǎn)。通過不斷操作試驗(yàn)，在減小深松阻力這點(diǎn)上，成功提出了仿生彎曲型結(jié)構(gòu)，而且在鉆頭設(shè)計(jì)上，同樣參照穿山甲體表鱗片分布形式制作出了新型的仿生鉆頭，不僅有效解決了生產(chǎn)工作中的鉆頭泥包問題，還極大的加強(qiáng)了泥質(zhì)巖鉆探中機(jī)械設(shè)備的實(shí)際工作效率。由此可見，隨著仿生學(xué)原理的不斷深化應(yīng)用，機(jī)械設(shè)計(jì)中存在的一些難題也將逐步得到妥善的解決，實(shí)際設(shè)備生產(chǎn)效率也將因此而大大提高。

3.3 人工智能機(jī)器人

近代機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展成果中，最重要的莫過于機(jī)器人，這不僅僅是機(jī)械制造重大變革的體現(xiàn)，更是仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)方面的本質(zhì)性應(yīng)用。目前，相關(guān)的人工智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)制造等都已較為純熟，通過對人體相關(guān)結(jié)構(gòu)體系的不斷認(rèn)知，機(jī)器人已然能夠適應(yīng)人類生產(chǎn)生活中的大部分工作。如上圖（b）所示，仿生機(jī)械手關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)無疑大大加強(qiáng)了機(jī)械設(shè)備的靈活性，而隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的配合推進(jìn)，機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)進(jìn)程也因此而得到了促進(jìn)。從目前的形勢來看，仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)將逐步走向全面化與智能化，而未來生產(chǎn)工作將因其大量投入使用而變得極為便利。

4 總結(jié)

顯然，仿生學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用無疑為其注入了新的血液，使得相應(yīng)的生產(chǎn)工作很好契合了人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展的要求，這既是科技創(chuàng)新的必要，更是維持機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)強(qiáng)大生命力的重要途徑。當(dāng)前正處于生物科學(xué)飛速發(fā)展的階段，因而深化仿生學(xué)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用也必須加快進(jìn)程。當(dāng)然，在這方面工作上，更應(yīng)從本質(zhì)上分析生物的獨(dú)有特性和功能，不可一味進(jìn)行模仿，必須立足于提高生產(chǎn)力的基礎(chǔ)上進(jìn)行全面的仿生設(shè)計(jì)。

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