仿生學原理在機械設計中的應用

朱書啟

甘肅機電職業技術學院741001

1 引言

仿生學是一門實現生物特點與技術有效融合的科學，其通過對生物結構特征、生理特性以及能量、信息轉換控制等方面的綜合研究，選取一部分成果應用到各行業領域的生產體系，進而實現其理念創新和技術變革。在實際生產中，仿生學的應用往往能創造新的工藝系統、建筑構型以及自動化裝置等，而且在設計理念方面，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難題。就目前而言，隨著大量仿生機械產品的推出，仿生學應用在機械設計領域中越來越受到重視，相應的研究投入也正逐年增加。當然，近年來機械仿生設計方面取得的成就也不在少數，隨著時代的發展而得到了不斷深入、廣泛和有效的推進。

2 機械仿生設計的基本內容

當前形勢下，機械仿生設計無疑正向著多元化發展，而且也逐步從傳統的基礎設計走向了新型的創新設計。目前，機械設計行業已然建立起了全面的仿生體系，通過對生物科學的有益吸收，主要實現了以下幾個方面的仿生設計：

2.1 功能特性仿生

在自然界的長期發展演變中，生物為了更好適應周圍環境的改變，逐漸形成了自身獨有的功能特性。而在機械仿生設計中，這一點往往能為各方面的工作指引一個新的方向，并使之有效抓住技術創新的突破口。現今已有的設計實例中，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用，顯然這些方面技術創新的研究都取得了相應的成果，功能特性的仿生也使得機械設計不再拘泥于傳統的模型設計，而更多擁有了其靈活性與實效性。

2.2 運動特征仿生

機械設計中，運動體系的規劃往往是重點以及難點，同樣，信號的規范性是最復雜的問題，由于在集中監控模式下，監控中在機械仿生設計中，生物運動特征的仿生也必不可少。對于這些生物與生俱來的特點，通過將其板塊化、細節化，便能從中找出與實際生產工作的良好結合點，使得相應的機械設計更貼合自然，因而應用水平也就隨之提高。目前的運動特征仿生中，對生物基本運動方式、運動系統的調節等都進行了全面的研究，而實際生活中的一些相關機械設備也為生產工作帶來了極大的便利。

2.3 組織結構仿生

這方面的仿生是結合生物科學而進行的深層應用，也從微觀角度上實現了人與自然的協調發展。在相關的機械仿生設計中，其通常在材料生產方面收效較為顯著，因此而推出的一系列仿生材料也良好地適應了高強度、高效率的性能需求，為生產發展帶來了極大的經濟效益。而通過對生物內部組織機制一些必要性聯系的分析，機械微組裝、分級結構設計等也都有了新的發展方向。

2.4 信息控制仿生

隨著信息化時代的到來，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，生物在不斷進化過程所擁有的一些能力同樣可以借鑒。具體地，在機械仿生設計中，信息管理設備往往能通過生物的一些信息獲取方式、反饋系統以及自主控制能力等得到全新的發展空間，不僅生產質量得以有效保證，而且實際效率也隨之大大提高。

3 仿生學原理在機械設計中的實際應用

縱觀當前機械仿生設計的發展趨勢，在實際生產中的應用更加多元化與廣泛化，而相應的技術革新也正逐步走向智能化與全面化，現具體舉出以下幾例加以分析：

3.1 半步行輪驅動機構

在地面工作機械的仿生設計研究中，半步行輪驅動機構是根據傳統的水牛耕地現象而創造出的新型技術，如下圖（a）所示，通過對水牛在水田中的工作特征分析，陳秉聰等人提出了全新的“半浮式理論”，有效的將機械運動中的“沉”、“浮”以及“滑行”、“驅動”加以有機結合，以此改變了傳統生產中承重與驅動并存的結構體系，而代之以一種適用于水田及松軟土壤工作的高效生產方式。同時，從機械仿生設計所延伸的一系列研究中，也相繼推出了眾多滾動阻力較小，而驅動動力較大的先進設備，為行業生產提供了巨大的動力。顯然，仿生學原理在機械設計中的實際應用不僅加快了機械設備的改革，而且還有效促進了設備實效化、便利化的發展。

（a）仿生半步行輪

（b）仿生機械手關節

3.2 大型觸土機械設計

在大型觸土機械的設計方面，相關科研人員也從深松部件、鉆頭以及推土板三個方面的結構中找到了仿生學結合要點。通過不斷操作試驗，在減小深松阻力這點上，成功提出了仿生彎曲型結構，而且在鉆頭設計上，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工作中的鉆頭泥包問題，還極大的加強了泥質巖鉆探中機械設備的實際工作效率。由此可見，隨著仿生學原理的不斷深化應用，機械設計中存在的一些難題也將逐步得到妥善的解決，實際設備生產效率也將因此而大大提高。

3.3 人工智能機器人

近代機械設計領域的發展成果中，最重要的莫過于機器人，這不僅僅是機械制造重大變革的體現，更是仿生學原理在機械設計方面的本質性應用。目前，相關的人工智能機器人的設計制造等都已較為純熟，通過對人體相關結構體系的不斷認知，機器人已然能夠適應人類生產生活中的大部分工作。如上圖（b）所示，仿生機械手關節的設計無疑大大加強了機械設備的靈活性，而隨著計算機網絡技術的配合推進，機械自動化生產進程也因此而得到了促進。從目前的形勢來看，仿生機器人的設計將逐步走向全面化與智能化，而未來生產工作將因其大量投入使用而變得極為便利。

4 總結

顯然，仿生學在機械設計中的應用無疑為其注入了新的血液，使得相應的生產工作很好契合了人與自然協調發展的要求，這既是科技創新的必要，更是維持機械設計行業強大生命力的重要途徑。當前正處于生物科學飛速發展的階段，因而深化仿生學在機械領域的應用也必須加快進程。當然，在這方面工作上，更應從本質上分析生物的獨有特性和功能，不可一味進行模仿，必須立足于提高生產力的基礎上進行全面的仿生設計。

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