結構仿生學在工程機械結構設計上的應用研究

范曙遠

摘 要：仿生學是一門綜合性較強的學科，目前已經廣泛應用于各項工業設計，在工程機械結構的設計過程中應用“仿生”概念，不僅能夠大幅度地提高機械性能，甚至還有可能開辟出革命性的設計思路，從而讓工程機械更好地為人們服務。本文從形態、結構、功能三個方面詳細地介紹了仿生學的基本概念，并且就結構仿生在工程機械結構設計上的具體應用進行了細致說明。

關鍵詞：結構仿生學；工程機械；結構設計；應用研究

在自然界中，每一種生物都經歷了億萬年的自然進化和優勝劣汰，最終能夠生存下來的物種必定擁有一些非同尋常的能力和特性。仿生學正是通過研究生物物種的某些結構、形態以及功能特性來模仿設計出相應的機械設備和裝置，進而更好地服務于社會，提升人們生產生活的品質。許多工程機械設備的發明改進都與仿生學有著千絲萬縷的聯系，例如最初飛機的發明就是基于結構仿生學的設計理念，對鳥類身體構造進行仿生，最終制造出能夠像鳥類一樣飛翔的機械。仿生學是一門綜合性較強的學科，目前已經開始應用于各項工業設計，在工程機械結構的設計過程中應用“仿生”概念，不僅能夠大幅度地提高機械性能，甚至還有可能探索并開辟出革命性的設計思路。

1 仿生學的基本概念和理論

仿生學是一門綜合性十分強的古老學科，包含了自然生物學、材料物理學和數學建模等多種知識的交叉[1]，主要研究對象囊括動物、植物和微生物在內的整個自然界，可以說，仿生學的應用研究是人類不斷認識自然、了解自然、挖掘自然潛力的過程，總體來說可以分為形態、功能和結構仿生。

1.1 形態仿生

在自然界中，每種生物都擁有各自獨特的外在形態，而這些形態都是經過上億年自然選擇的結果，其中必然隱藏著某些物種賴以生存的特性能力。通過對生物形態的系統研究，工業產品對其形態進行模仿再現，進而還原這些生物特性并最終體現在產品之中。例如海豚具有流線型形態，在水中游動時的阻力相對較少，因而游速較快，基于這一點，現在汽車外形大多數對海豚形態仿生，模仿設計出流線型的車身，這在很大程度上較少了汽車運行過程中的空氣阻力，提高了汽車的運動性能。

1.2 功能仿生

在自然界生存的每一種物種都具備與惡劣環境相抗衡的生存功能，正是這些功能保證它們能夠經受得住“優勝劣汰、適者生存”的自然法則。功能仿生就是通過研究生物體某些特殊功能并弄清其運作原理，進而將這些功能應用到產品設計之中，使得產品具有生物體同等功能，同時這也是人類不斷創新進步的重要源泉。功能仿生在產品設計中的應用十分廣泛，例如蝙蝠具有發射超聲波的功能，所以能夠夜間飛行，設計者對這一功能進行仿生最終制造出雷達，并廣泛運用于軍事領域。

1.3 結構仿生

在很久以前，人類已經開始認識到不同生物體結構各自所表現出迥異的功能特性，例如魚的尾巴能夠自由地控制方向；細長的柳條能夠承受巨大的力矩；柔弱的蛛網可以經受住大風等。結構仿生主要以生物體的結構特點作為研究對象，并且對結構原理進行深層次地剖析，進而在產品設計中植入相應的構造已達到同等的功能效果。例如蜂窩結構是無數個正六邊形鑲嵌拼接而成，具有良好的穩定性，將這一結構應用到汽車輪胎之中能夠有效地控制輪胎形變，避免爆胎。

2 結構仿生學在工程機械結構設計上的具體應用

工程機械在結構設計要綜合考慮各方面的因素，尺寸規格、部件連接和工作裝置對機械性能都至關重要，因此結構仿生學應當從這幾方面入手對工程機械進行仿生設計。

2.1 外形尺寸的結構仿生應用

在生物界中，外形結構尺寸對于生物體的功能特性起著十分關鍵的重要，例如螞蟻能夠運載比它身體質量重數倍的物體，這在很大程度上歸功于螞蟻外形的尺寸構造。螞蟻的頭部和胸部結構緊湊且靈活，腹部與胸部間依靠三節腹柄來支撐受力，這些獨特的外形及合適的尺寸為其贏得了“大力士”的美譽。通過對螞蟻身體的結構尺寸比例、重心位置及運動方式的研究，設計人員對裝載機、挖掘機、自卸車等工程機械的外形尺寸進行了結構仿生，重新定義了橋荷比值，而且也可以通過設計根據工況自動調整的重力平衡裝置，從而保證了機械能夠在滿載情況下仍具有高穩定性和高效率作業能力。

2.2 連接部件的結構仿生應用

在生物界生物一直都很擅長利用有限的空間和結構以利于自身的運動，增強對環境的適應能力。生物結構的受力情況十分均勻，很少出現應力過大的區域，所以形成的結構也多是優化的力學結構。基于這一點，工程機械中一些連接部件的設計都進行了結構仿生，具體而言分為以下三種方式：（1）模仿竹節結構、樹木的板根結構、王蓮的網狀助板結構，對直接受力的支撐構件、主要受力結構進行結構加強；（2）較多的采用光滑的曲線作為結構的形線，能有效的減少由于形狀或結構的突變引起的應力集中現象。（3）改進結構形式和潤滑條件，減少連接結構的能量損失，提高聯接結構的可靠性，延長部件的使用壽命。

2.3 工作裝置的結構仿生應用

人類手的結構十分精巧，對人類的生存來說十分重要。人類的手部結構緊湊，抓握動作靈活穩定，功能強大。人們對了人類部結構的研究巳有較長的歷史。而真意義上能實現靈活動作的仿生則是僅有幾十年的時間。由于“靈巧”的研究具有很強的應用價值，各國對其都格外重視，也是少數幾個一直沒有聞斷的仿生學研究課題，美國、本、歐洲等國都在“靈巧手”方而的研究投入了大量的科研精力，由德國中航中心與哈爾濱工業大學合作研發的HIT/DLR機器人靈巧手，結構和功能與人體手幾乎一樣，可以自由活動并能夠輕松提取重物[2]。

總而言之，隨著人類對自然界的不斷探索和了解，許多生物體結構的仿生功能將會廣泛應用工程機械設計之中，這將極大地提高機械性能，進而更好地為整個社會服務。

參考文獻

[1] 葉青會；陶健等 仿生學原理在空間結構中的應用[J] 結構工程師，2010（26）

[2] 陶校文 工程機械結構設計中結構仿生學的應用探究[J] 科學與財富，2015（04）