結構仿生設計方法及其在機械領域中的應用

夏令輝

【摘 要】在明確結構仿生設計方法的基礎上，促進其在機械設計中的廣泛應用，有助于提升機械設計的合理性，彰顯仿生學的研究價值。本文在對結構仿生設計方法進行綜合闡述的基礎上，分析了結構仿生設計方法在機械領域中的具體應用，并闡述了結構仿生設計的不足之處及發展趨勢，以期為相關人士提供借鑒和參考。

【關鍵詞】結構仿生設計；撲翼飛行器；仿生機器人

中圖分類號： TH122 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）16-0024-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.010

【Abstract】on the basis of clear structure bionic design method， it can promote its wide application in mechanical design， which helps to improve the rationality of mechanical design and highlight the research value of bionics. Based on the comprehensive exposition of the bionic design method of structure， this paper analyzes the specific application of the Structure Bionic Design Method in the mechanical field， and expounds the shortcomings and development trend of the structure bionic design， in order to provide reference and reference for the related people.

【Key words】Structural bionic design； Flapping wing aircraft； Bionic robot

0 前言

隨著社會經濟的迅速發展和社會生產力水平的進一步提升，仿生設計的重要性被逐漸挖掘出來。在機械設計過程中充分發揮結構仿生設計的優勢，有助于促進機械設計理念的創新，對促進人類社會的發展進步大有裨益。基于此，探析結構仿生設計方法及其在機械領域中的應用，具有十分重要的現實意義。

1 結構仿生設計方法概述

眾所周知，生物在自然進化過程中會形成獨特的生理功能，這也為高新科技術的發展提供了思路，有助于促進機械設計和制造方法的創新。仿生學在創建之初建立在對生物特性的簡單模仿上，而隨著時間的推移，現階段，仿生學已經實現了由靈感啟迪向研究其自然特性的轉變，在對生物特性進行觀察和總結的基礎上，將其應用于機械設計和制造領域，對促進人類文明的發展進步具有重要幫助。仿生學在相似性理論的引導下，以生物特性為基本依據，應用于機械制造中，有助于提升機械設計的可靠性和合理性，有助于確保機械設計制造原理符合時代發展主流。仿生學不具備明顯的邊界，具有多學科交叉的特點，加之其適用范圍的廣泛性，使得難以將其作為一個獨立學科進行劃分[1]。

結構仿生主要是指，在對生物的結構、形態、功能等因素進行深入研究的基礎上，了解生物的機理，將生物與機械的總體布局及其構件進行類比分析，明確結構仿生思路并搭建數學模型，并促進其實踐應用。通過加大對結構仿生方法的應用力度，能夠有效突破傳統機械設計制造方法的束縛，提升機械設計的經濟性。盡管眾多學者已經針對結構仿生設計展開了研究，但大多集中在生物特征領域，并未對結構仿生方法進行研究。例如，田亞峰在對生物樣品進行觀察的基礎上，分析了建立在生物樣品基礎上的產品設計方法。趙榮珍在綜合評價機械設計不同階段之目標的基礎上，精簡機械結構的仿生設計方法，但缺乏實例論證。筆者在對上述研究進行分析的基礎上，提出結構仿生設計的方法，具體如下：設計人員應根據機械設計的技術性需求和知識性需求，完成生物選型工作，在對生物功能進行綜合分析的基礎上，實現與機械設計的類比分析，在明確生物結構規律后，采用仿生建模的方法進行試樣制造，并進行試驗論證，確保機械設計能夠充分滿足實際應用需求。例如，某設計人員在對蜣螂表面進行細致觀察的基礎上，設計出了農耕的非光滑犁杖，能夠有效降低土地的阻力，促進了農耕效率的提升[2]。

2 結構仿生設計方法在機械領域中的具體應用

2.1 撲翼飛行器

與鳥類的翼相比，昆蟲的翅膀結構大多較為簡單，且其質量較輕，能夠根據外部環境靈活收縮翅膀。例如，蜻蜓翅膀實現了薄膜材料和網狀結構的有機結合，只需輕輕扇動翅膀，即可產生強大動力。例如，某公司在細致觀察蜻蜓飛行姿態的基礎上，完成了撲翼飛機的設計工作。再如，某公司在對蜂鳥的飛行姿態進行深入研究的基礎上，設計出了具備自主控制功能的導航系統。英國某高校設計出的撲翼昆蟲機也是建立在對天蛾翅膀結構深入分析的基礎上。隨著科學研究的不斷深入，我國針對于撲翼飛行器的研發也取得了優異成果，通過對昆蟲的飛行能力進行模仿，為改進和研發飛行器提供了啟示，而撲翼飛行器的研究也將成為仿生領域的熱點[3]。

2.2 仿生機器人

伴隨著仿生學研究進程的深入，為機器人的研發工作提供了指導依據，通過將生物的結構、運動模式作為參考依據，形成機器人研發的憑證，有助于提升機器人設計制造的合理性。例如，南京航空航天大學研究院細致觀察壁虎的掌紋結構，并深入分析壁虎的粘附機理，在此基礎上設計出爬墻機器人，充分彰顯了結構仿生的重要價值。還有學者對生物適應能力和運動能力進行充分利用，設計出螳螂機器人和龍蝦機器人。陳殿生在對烏龜的翻轉過程進行了探析，明確了其翻轉機理，設計出了彈跳機器人。王海通過對甲殼蟲的行走狀態進行仔細觀察，設計出了能夠在山路爬行的微型機車，被廣泛應用于震后搶險救援的過程中。

2.3 仿生減阻

在對仿生減阻進行研究的過程中，主要將水流減阻、空氣減阻和土壤減阻進行作為主要研究方向。吉林大學在對蜣螂表面進行分析，構建完備的生物脫附體系，為機械仿生提供了重要參考。實踐研究證實：在機械設計中，通過對土壤動物體表非光滑特征的應用，能夠促進機械設計減阻性能的提升。有學者在研究中指出，鯊魚表皮的齒狀凸起能夠有效降低水流和空氣對自身的阻力，通過將這一特性應用于飛機飛行試驗中，能夠從根本上降低空氣阻力。哈爾濱工業大學在設計水下機器人的過程中，模仿鯊魚的表面凸起原理，促進了機器人水下工作效率的提升，為潛艇性能的改進提供了發展思路。此外，大眾集團在生產汽車的過程中，模仿了甲殼蟲的外形，有效減小了風對汽車行駛的阻力。

2.4 結構輕量化

現階段，國內外學者在結構仿真研究的過程中，紛紛認識到結構輕量化的重要意義。岑海堂在研究中，在明確竹竿結構和排列方式的基礎上，基于結構仿生理念的指導下，設計出翼身結合框，其重量顯著降低。馬金鳳在飛機機翼加強框的設計過程中，借鑒蜂窩結構，促進機翼結構強度的增加。朱光武在設計機床結構件的過程中，始終堅持結構仿生的指導，設計出能夠靈活移動的橫梁和工作臺。例如，F1賽車的車架和變速箱等都是運用了由碳纖維和鋁合金構成的復合型材料，這種材料是基于蜂窩結構轉變而來的，能夠有效增強賽車的抗撞擊性能，且具有輕量化的優勢。

2.5 機構仿生設計

在機構仿生設計的過程中，通過對生物優越性能的借鑒，也取得了一系列卓越的研究進展。例如，有學者在研究中發現，植物葉片的收縮和伸展能夠實現對葉片的有效保護，部分熱帶植物一旦遭遇溫度驟降會立即收縮葉片，實現預防霜凍災害的目標。該學者在這一發現的指引下，在設計太陽能電池的過程中應用了這一原理，使得天陽能電池板能夠在低溫狀態下開啟自動保護功能，延長了電池的使用壽命。再如，某學者在研究中發現，蝴蝶的體表分布著薄薄的鱗片，具有調節體溫的功效，在人造衛星溫控系統的仿生設計中，通過對這一原理優勢的充分發揮，有效降低溫度驟升驟降對精密儀器準確性造成的不良影響。還有學者通過對蒼蠅后翅平衡性能的運用，設計出輕量化的諧振陀螺儀。

3 結構仿生設計的不足之處及發展趨勢

3.1 不足之處

盡管國內外針對結構仿生的研究已經取得了良好的發展成效，但在機械領域應用仿生設計的方法，還存在諸多問題：第一，大部分學者在研究過程中注重對特定生物特性的機械模仿，并未總結出仿生設計流程，降低了結構仿生方法的適用性，不利于彰顯結構仿生的應用價值。第二，部分學者針對結構仿生的設計大多建立在靈感的基礎上，不能夠在相關準則的指引下，未能實現對生物結構、形態和運動規律等進行整體了解，難以在理論層面上達到統一，限制了其應用的步伐。第三，在以往的研究中，學者實現了由發現生物結構到提取力學特征，再--結構仿生應用的轉變，這一過程設計若要應用到眾多的學科和領域，由于缺乏理論指導，使得研究的難度進一步增加。第四，由于生物種類和性能多種多樣，部分科研機構不具備充足的人手和科研資金，而部分生物需要在活體條件下開展研究，這也無形中增加了研究過程的復雜性，使得研究過程困難重重。第五，在規格較小的機械零件的設計和制造過程中，受其表面積和體積的影響，難以促進結構仿生方案的落實，且部分機械零件的制造工藝無法充分滿足仿生設計需求，也不利于促進結構仿生價值的最大化。

3.2 發展前景

調查統計顯示，現階段，我國的能源和資源與其他國家相比已不具備顯著優勢，在機械設計制造過程中，應充分克服粗放式生產管理模式的弊端，促進機械設計的創新，實現節約生產材料的終極目標。而這一目標的實現，也依賴于結構仿生設計的廣泛應用。經過實踐研究，筆者對結構仿生的應用前景進行了推測：第一，在以往的仿生設計中，主要集中于對生物外形的模仿，以及對生物結構原理的理論分析，目前，針對結構仿生的研究，則主要集中在對生物的性能和結構進行應用。第二，目前，結構仿生已經實現了由生物形態模擬到生物功能原理的轉變，在不久的將來，則會呈現向微觀組織構型的發展趨勢。第三，在以往的研究中，研究人員在觀察生物機構的基礎上，采用數學建模的方式實現仿真分析，并對仿生試樣的效果進行驗證。隨著科技的進一步發展，結構仿生將成為機械設計創新的原動力。第四，隨著機械設計的精細化和智能化發展，各學科之間聯系的緊密度日漸提升，對蛋白質結構和基因組的研究將成為結構仿生研究的主流，對促進計算機仿生學的發展大有裨益。

結論：綜上所述，通過將結構仿生技術應用于撲翼飛行器和仿生機器人的設計過程中，能夠有效促進其結構的輕量化，發揮其減阻的性能。因此，在機械設計和制造的過程中，可以借鑒上述方法。

【參考文獻】

[1]田亞峰，李正羊，葉霞.橫梁筋板的結構仿生設計及優化[J].機床與液壓，2016，44（20）：5-9+43.

[2]趙榮珍，王群旺，豆鵬剛.風力機塔架結構仿生設計及力學性能分析[J].機械設計與制造，2016（05）：53-55+60.

[3]董永進，朱光武.真實蜂巢的力學分析和航天載荷結構仿生設計[J].宇航學報，2016，37（03）：262-267.