仿生學在機械產品中的應用技術

郭寒松

【摘 要】為了構建人與自然的和諧關系，當今社會必須要解決的首要難題，就是經濟高速發展與能源極度消耗的矛盾。新的歷史時期，人們更加重視仿生機械產品，以期提升其在能耗、控制、功能等方面的競爭力，在更廣闊的層面發展機械仿生設計。本文首先對產品仿生學設計概念進行了簡要介紹，并著重從四個方面，對于仿生學在產品機械設計中的應用進行了分析和探討。

【關鍵詞】產品機械設計;仿生學;概念;運用

產品設計是一門綜合的學科門類，涵蓋了物理、數學和工業設計等。它要求設計師能深入了解文化藝術和工業技術，并綜合運用各類學科的美學設計思想。為了滿足市場需求，在產品設計過程中，通過綜合分析，而不斷優化產品的功能、材料、結構和外形等。而作為人類學習和模仿大自然的重要方式，與大自然和諧共存的新型設計理念，在產品設計中應用仿生設計，能打造更多優質的產品，并更好的為人類服務。通過遵循仿生學設計理念，在產品設計思路中，融合自然界生物體的形態、結構、材料和功能等各類要素，既可以對用戶需求給于滿足，同時還能實現藝術品味的提高。隨著不斷更新的機械設計方法，開始向機械領域不斷拓展其他領域的新技術和新理念。本文將對仿生學在產品機械設計中的應用進行著重分析。

1.產品機械仿生設計概念

機械仿生設計是指與仿生設計的理念和方式相結合，通過發散性思維和現有工程技術的有效運用，設計結構材料和機械產品，并凸顯創新性。產品機械仿生設計是在創新過去機械設計方法的基礎上，所誕生的一種新型的設計方法。信息化時代的到來，隨著迅猛發展的計算機技術，也不斷升級和更新了機械社會的方法和手段，并開始不斷向機械設計領域滲透和移植各種新技術和新理念。而仿生學的發展，使機械設計的外延空間更加廣闊，并圓滿的解決了一些生物界的難題。

2.仿生學在機械產品中的具體應用

2.1機械結構仿生設計

作為機械仿生設計的重要組成，在機械結構仿生設計中，應對自然界生物體的結構形式與相應功能原理充分理解，通過仿生設計其功能和結構，以更好的服務人類。經過歲月的不斷進化和洗禮，自然界的生物已經擁有了各種功能形態和結構形式。而作為機械仿生設計的源泉，這些結構形式和功能形態能為人類提供更多的借鑒和參考。以蜂巢的結構為例，通過綜合分析這種力學結構，既能將材料的使用減少，同時還能提高結構的效能。而在特種飛行器件的結構設計中應用該結構，已經在實踐中證實了該功效。再比如，花炮架構和復合紙板已經在包裝中廣泛運用。通過這種機械結構的設計，既可以減輕材料的使用和重量，也能對軸向抗壓強度給于滿足，同時還能對噪音進行吸收。

2.2機械運動機構仿生設計

作為機械仿生設計的重要組成，運動機構仿生設計是通過對動植物運動原理和特點充分了解的基礎上，全面模仿運動的各個細節以及基本結構、運動的控制方式、運動功能。目前，在路面機械設計和現代機器人仿生設計這兩個領域，開始廣泛運用機構仿生設計，并取得了顯著的成效。伴隨著迅猛發展的工程技術，在人類的日常生活和教育等方向，已逐漸普及使用機器人。例如，多功能仿生手指的設計比較接近自然界生物體的肌肉。在路面機械方面，通過“半浮式理論”的運用，對于新型步行輪機構進行獨創性的設計，并在松軟土地等軟性地基工程中廣泛運用。而利用這一仿生設計的原理，還對一些運動阻力小、驅動力大的新型機構給予科學的指導。

2.3機械材料仿生設計

主要是通過對生物組織的結構、構成原理和材料的聯系的研究，掌握材料特性，對材料的加工、制造和設計給于有效的指導，由此對機械的性能需求給于最大化的滿足。現代新型復合材料研究的藍本，就是生物復合材料的結構、原理等。而通過研究和分析天然生物材料的表面功能、形成原理，而制造出特種工程材料，擁有了仿生特性。

它將現有的金屬材料與高分子材料代替，并對產品機械使用性能進行了有效的改善。

2.4機械運動控制仿生設計

在產品機械設計領域，現代機械系統整體運行性能的重要保障，就是機電液一體化及機械人工智能控制。而現代仿生設計中的一個關鍵研究點，就是智能控制仿生設計，其發展推動了仿生機器人領域的進步。過去的一段時間里，人們非常青睞針對各種形態的動植物的工農業機器。隨著科技的進步，在歐美等發達國家，也不斷提升了對仿生機器人的性能要求。這樣不單單能對路面識別、行走定位給于滿足，還能對目標形態進行準確識別，并對自身位置進行智能糾正和控制。

通過記憶作業，以實現智能的最大化。

3.產品機械仿生設計發展前景

作為為一種新型的設計方法，機械仿生設計與傳統的產品機械設計方法相比較，綜合了個門學科，并由此形成了更深遠的產品設計理念。隨著不斷發展的科學技術，還需要對產品機械仿生設計的系統理論進一步研究與總結。并且與計算機發展技術有效結合，進行仿生的輔助設計，由此推動了機械控制系統和仿生設計集成方面的進步和發展。而作為未來產品設計的一個方向，產品機械仿生設計是產品機械設計理念的一次跨越性的進步，與未來科技發展趨勢相符，并為產品設計的多元化發展提供了更加廣闊的空間。

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（作者單位：長江大學工程技術學院）