仿生學在產品機械設計中的應用

摘 要：本文簡要介紹了產品仿生學設計概念，從產品機械設計的角度出發，從結構仿生設計、運動機構仿生設計、材料仿生設計與運動控制仿生設計四個方面著重分析了仿生學在產品機械設計中的應用。

關鍵詞：仿生學；產品機械設計；應用

0 引言

產品設計是一門涉及工業設計、數學、物理等多學科交叉的學科門類，它要求設計師加強對工業技術與文化藝術的理解、各類學科的美學設計思想的綜合、充分運用現有產品各類特質的能力。產品設計從市場需求出發，通過設計師綜合分析歸納，同時經工程師工藝分析和反饋，反復從結構、外形與材料、功能等各方面進行優化的過程。

而仿生設計作為人類向大自然學習的途徑，是當前科學界和人文界創新求知的重要方法，人類通過發掘了解自然界各類動植物的結構與生存方式，將研究發現運用到產品設計中，從而實現產品更好的服務人類，并和大自然和諧共存的新型設計理念。

產品設計在運用仿生學設計理念的前提下，要在產品中融合理工科和人文各類學科，通過將自然界生物體的形態、結構、材料和功能等各類要素融入產品設計的思路中，這使得產品設計既提升了藝術品位又滿足了用戶需求。

隨著機械設計方法的更新，其他領域的新技術和新理念也不斷向機械領域擴展，而仿生學設計的應用也為產品機械設計提供新的發展空間，本文將著重分析仿生學在產品機械設計中的應用。

1 產品機械仿生設計的理念與內容

機械仿生設計是指工程師在利用現有工程技術的前提下，運用發散性思維，結合仿生設計的理念和方式，設計出創新性的機械產品與結構材料的過程。這和以往的機械設計方法一樣，都是基于機械設計的基本理論和方法，但是其又具有獨特的創新性，是一種新型設計方法。

1.1 機械結構仿生設計

作為機械仿生設計的關鍵部分，機械結構仿生設計則需充分理解掌握自然界生物體的結構形式與相應功能原理，并對其結構和功能進行仿生設計而為人類使用。自然界的生物經過無數個歲月的進化，已充分發展形成了各種具有高度復雜的結構形式和功能形態。這些結構形式和功能形態作為機械仿生設計的源泉，提供了各類可供參考的結構形式。例如蜂巢的結構，其截面為六邊形，總體為柱體，這種結構通過綜合力學分析證明，能夠在提高結構的同時而減少材料的使用。該結構已應用到特種飛行器件的結構設計中，在實踐中得到了充分的證明。還有例如現已廣泛用于包裝的復合紙板，花炮架構等，這種機械結構的設計既能滿足軸向抗壓強度，又能減少材料的使用及重量的減輕，更能起到吸收噪音等輔助作用。

1.2 機械運動機構仿生設計

作為機械仿生設計的關鍵組成部分，運動機構仿生設計是在全面了解動植物運動的特點和原理的前提下，對運動的基本結構、運動的控制方式、運動功能的實現及運動的各個細節進行全面的模仿。在當前機構仿生設計中應用比較廣泛和有成效的是現代機器人仿生設計和路面機械設計這兩個領域。

伴隨著工程技術的不斷發展與人民對于現代生活方式的需求，機器人已不再僅僅局限于服務工廠，在人類的日常生活中已逐漸普及使用。比如在教育等方向的應用，多功能仿生手指的設計是經過復合材料做成的通過氣動方式驅動的機構設計，在關鍵技術參數上，如應力、剛度要求、彈性收縮比率等都與自然界生物體的肌肉相近，我們可以通過機械加工成特殊殼結構從而使其具有良好的運動特性。

在路面機械方面，有關課題組利用牛耕地的基本原理，創造性的建立了“半浮式理論”，該設計的原理是通過改變傳統農機驅動裝置的承重與驅動的雙重功能，從而獨創性的設計出新型步行輪機構，使其廣泛應用于松軟土地等軟性地基的工業狀況。通過這一仿生設計的原理還指導了很多驅動力大、運動阻力小的新型機構。

1.3 機械材料仿生設計

機械仿生設計主要通過研究生物組織的結構、構成原理和材料的聯系，獲得所需要的啟示并指導材料的設計、制造與加工，最終達到所需要的材料特性，從而滿足機械的性能需求。生物復合材料的結構、原理等是現代新型復合材料研究的藍本，對天然生物材料的表面功能、形成原理進行研究分析，發展出了具有仿生特性的特種工程材料，它代替了現有的金屬材料與高分子材料，達到改善產品機械使用性能的目的。

1.4 機械運動控制仿生設計

在產品機械設計領域，機電液一體化及機械人工智能控制是現代機械系統整體運行性能的基本保證。智能控制仿生設計是現代仿生設計中的一個關鍵研究點，智能控制仿生設計的發展在一定程度上制約了仿生機器人領域的進步。過去的一段時間里，對于規定形狀等規范化的對象進行作業的機器人有了快速的進步，而針對各種形態的動植物的工農業機器人也廣受歡迎。在各個國家的競爭中，歐美等老牌產品機械設計強國始終保持在世界前列，這些國家目前對于仿生機器人的性能要求有了新的提升，不僅僅滿足于路面識別，行走定位，還包括準確識別目標形態，智能糾正控制自身位置，并能實現記憶作業從而達到最大程度的智能化。

2 產品機械仿生設計發展前景（小結）

相對傳統的產品機械設計方法，機械仿生設計作為一種新型的設計方法，短期內已經從集合多門學科逐步發展形成更深更廣的產品設計理念。隨著科技的不斷發展，目前還需進一步研究與總結產品機械仿生設計的系統理論，同時必須有效地結合計算機發展技術進行仿生的輔助設計，并在機械控制系統和仿生設計集成方面需更進一步。產品機械仿生設計是未來產品設計的一個方向，它符合未來科技發展趨勢，它是產品機械設計理念的一次跨越性的進步，它為產品設計的多元化發展提供了新的可能，它的發展與進步使得產品設計的道路越走越寬。

參考文獻：

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