淺議仿生學原理在機械設計領域中的應用

摘 要：生物學在不斷的發展，生物學中的仿生學也被應用在各個領域，仿生學的發展讓很多的行業都得到了大幅度的進步，由于仿生學是一個新的行業，很多人對仿生學原理都不太理解，仿生學原理是通過在結構、原理和功能等方面應用在工程設計中，將整體的工程設計和研發應用到具體的工程中，現在這種原理在機械設計中被廣泛的應用。本文對機械設計領域中的仿生學原理應用進行了探討，為相關的研究做出借鑒。

關鍵詞：仿生學原理；機械設計；具體應用

仿生學原理在機械設計中已經被廣泛應用，仿生學原理作為生物學領域中的一部分，為很多的行業都作出貢獻。仿生學原理就是一門模仿生物建造技術的科學，這就是一門生物學、數學和工程學為一體的科學，將這一科學進行了具體性的分析，現在的仿生學原理在機械設計領域中已經被重視，而且在機械設計領域中的作用變得越來越突出，因此，一定要重視仿生學原理在機械設計中的應用，這樣就可以讓機械設計行業發展的更好。

1 仿生學原理簡介

仿生學原理已經被廣泛的應用，但是現在的人們對仿生學原理的理解還不夠，由于是一種新興的技術，很多的人對仿生學原理還不熟悉，僅僅是在生活中聽到了關于仿生學的一些知識，其實，仿生學在建筑機械設計中已經被廣泛的應用，現在已經有了很多的產品都在應用仿生學，但是并不是盲目的應用這些動物的特征，需要根據需要將這些動物與機械聯系在一起，應用到動物身上的特征。例如可以使用鼠類的爪尖來制作脫土設備，主要就是利用土壤的分散力和鼠類爪尖的面積來制作脫土設備，鼠類的爪尖與土地的接觸面積非常小，能夠減少機械與土地之間的阻力，將脫土效果變得更好。這就是仿生學原理的應用，機械設計是離不開仿生學原理的，仿生學原理讓機械設備的發展前景變得更好。

2 仿生設計法

仿生設計有兩種方式，一種是外形仿生，另一種就是結構仿生，如果后是結構仿生就是一種比較復雜的仿生，外形仿生前文已經進行了讓簡單的介紹，以下主要是介紹結構仿生：

2.1 非光滑表面的仿生設計

非光滑表面的仿生設計主要就是針對易磨損的機械設備來設計的，主要的特性就是耐磨。機械設備中為了減少設備部件的磨損，就要在設備的材料中尋找解決措施，如果沒有將設備的耐磨性做好，設備就會出現磨損。針對這一設計理念，在機械設計中就要考慮到耐磨性，但是如果使用材料是不能從根本上解決磨損的問題的，機遇這一問題仿生學應運而生，將仿生學與機械設計結合在一起，這樣就可以完善機械設計，讓機械設計在生產中被廣泛的應用。在耐磨性上應用仿生學就要利用粘濕土壤中生存的動物來進行設計，粘濕動物就是為了更好的適應環境，才會進化的更加完美，可以利用粘濕性動物接觸地面不會產生較大的摩擦力來增加機械設備表面的耐磨性，在機械設計的過程中對表層進行處理，這樣就可以提高機械人的耐磨性。

非光滑表面的仿生設計就是要防粘，有些機械設計在設計的時候是無法避免機械的粘黏的，如果機械設計中沒有對機械進行粘黏處理，就會導致機械設備在使用的時候出現故障，對工程的應用造成影響。要將解決粘黏性，可以利用仿生學中的穿山甲等動物，利用穿山甲等動物的防粘性，對全身的鱗片進行研究，穿山甲的鱗片并不是光滑的，在上面有著蠟質層，蠟質層的出現就解決了產生的粘黏性。在機械設計的時候也可以將這一特性結合到機械設備中，讓機械設計更加的合理。

2.2 仿生涂層設計

結構設計的第二個特點就是仿生涂層設計，仿生涂層設計也是被經常應用的一個設計方式。人們對海螺殼等層狀設計結構進行了研究，與機械設計中的耐磨性進行了聯系，人們發明了一種涂層體系，這種涂層體系就是模擬生物結構的矩陣結構，模擬生物結構的矩陣結構，對陶瓷結構進行改性，設計出高韌性陶瓷等。海螺殼、蛤喇殼是生物體通過把強度很低的碳酸鈣整合后才具有的較高強度。有鑒于此，現在人們通過以下二種途徑來實現整合涂層：一是有效排列分子，使其呈DNA螺旋結構，達到較高的機械強度；二是采用不同的材料組合成整合涂層，從而具有更高的機械強度和摩擦性能。

2.3 功能仿生

功能仿生的目的是使人造的機械具有或能夠部分實現高級動物豐富的功能，如思維、感知、運動、操作等，這在智能機器人的研究中具有重大意義。目前在工業領域中應用的機器人以焊接、裝配、噴涂、搬運等工作為主，其共同特征是作業方式單一、缺乏變化。但是隨著社會發展，機器人需要在更加寬泛的領域得到應用。除了進行生產之外，生活、娛樂和享受對于人類來說同樣不可缺少，活動方式和身體結構酷似動物的仿生機器人將在這方面大顯身手，如防災救援和教育娛樂等。對人的獨特思維功能的仿生是仿生機器人領域的最高目標。

3 仿生學原理在機械設計領域中的具體應用分析

3.1 觸土機械的設計

3.1.1 鉆頭

在鉆探工作中，經常會遇到鉆頭泥包問題。吉林大學正在研究設計一種仿生鉆頭，這種鉆頭的體表面仿造穿山甲背部鱗片的分布形式，鉆頭的切削齒仿造穿山甲的爪趾形狀，以達到在泥質巖中鉆進時減粘、降阻、脫附，有效地防止鉆頭泥包現象，提高機械鉆速。

3.1.2 深松部件

通過在室內大型土壤進行耕作試驗，測定各種深松部件耕作以后土壤的宏現擾動輪廓和耕作阻力，結果表明郭志軍等制作的外形仿生彎曲型深松部件的深松阻力取得最小值。

3.2 復合涂層體系的設計

仿生非光滑耐磨復合層的設計原則是由軟、硬多相材料交替疊層形成的非光滑表面，具體來說就是將增強硬質顆粒釬焊在基體材料（碳鋼）表面，形成非光滑耐磨復合層。這種結構既保證了基體的強韌性，又能保證非光滑表面具有減阻、耐磨作用。復合層的厚度可從幾毫米到幾十毫米不等。如任露泉等制備出的釬粒/WC（60/80目）/釬料/鋼仿生非光滑耐磨復合層，其耐磨性為基體45鋼（淬火態）的29倍。

3.3 機械手與機器人的設計

某大學利用仿生學原理設計了水稻工廠化育秧拔苗機械手，用以解決拔秧拋植的有序栽植問題。李明東等模仿骨骼肌的工作原理，用SMA絲（形狀記憶合金）來驅動一個微型機器人手臂，將機器人傳統的關節驅動方式轉變為肌肉驅動方式。馬建旭等模仿人體下肢設計的關節式彈性步行機構，在機器人的小腿中安置彈性裝置，通過四組并聯彈性元件和以機器人腿外殼為機架的四連桿機構的復合，產生緩沖、儲能效果。

4 結論

以仿生學原理為基礎對機械設計進行新思想、新觀念的指導，是機械設計創建人與自然之間的和諧關系，改進現有機械、儀器、建筑和工藝等的一個重要途徑。為了滿足未來社會發展的需要，機械性能勢必需要進一步的改進與完善，機械設計方法自然也要不斷的創新提高。而仿生學作為一種具有很高應用優越性的機械設計手段，也必然會有更大的發展應用空間。

參考文獻

[1]錢俠.仿生學在機械設計中的應用[J].高校理科研究，2012，3（1）：51-52.

[2]叢茜.鱗片形非光滑表面的仿生設計[J].吉林工業大學學報，2010，28（2）：12-16.

作者簡介：陳貽思，身份證號：45242119810102047X。