刀具仿生技術(shù)的研究進展

孫騰蛟 趙福國

摘要：仿生學的巧妙利用可以提高刀具的耐磨性和刀具使用過程中的工作效率，也可以為今后刀具的改進提供了一些好的思路。本文從形態(tài)學上的仿生技術(shù)，構(gòu)造形態(tài)上的仿生技術(shù)和生物材料的仿生技術(shù)三個方面進行總結(jié)，總結(jié)出當前仿生技術(shù)在社會刀具領(lǐng)域設計中的應用。通過對當前社會仿生刀具應用和特點做一些簡單的討論和分析，以此來分析仿生刀具技術(shù)目前所存在的一些問題，并希望對仿生刀具技術(shù)的未來研究方向做一些有用的指導意義。

關(guān)鍵詞：刀具仿生;形態(tài);技術(shù)進展

地球上的生物體經(jīng)過數(shù)萬億年的進化，不斷演變出了許許多多具有優(yōu)異特性的材料結(jié)構(gòu)形態(tài)生物體。這些各種各樣的生物體為人類的工程領(lǐng)域設計和研究提供了思路和靈感。應用仿生技術(shù)能夠提高產(chǎn)品的壽命，也能夠提高產(chǎn)品的性能，還能夠提高產(chǎn)品的使用效率。在日常生活中，我們需要使用多種工具，如果能有效地減少工具的磨損，可以延長工具的使用壽命，提高工具的利用率，節(jié)省工具制造成本。通常來說刀具磨損通常發(fā)生在刀具表面，如果使用合理的表面技術(shù)，可以有效地避免這種問題。自然界的一部分生物經(jīng)過長期的演化，具備了耐磨損的體表。因此，應用仿生學可以提高刀具的耐磨性和工作效率，下面就形態(tài)仿生，構(gòu)形仿生以及材料仿生三方面做一些簡單的探討。

一、形態(tài)仿生

形態(tài)仿生是通過模擬生物體的表面來實現(xiàn)一定功能的一種仿生形態(tài)。例如，非光滑形態(tài)仿生，如果在工具的表面加工出類似于生物體表面仿生非光滑表面，則能夠使工具表現(xiàn)出性質(zhì)優(yōu)越的耐磨性能。

1、仿生學的應用于切刀刀片中

在印刷行業(yè)的切刀刀片上，應用蜣螂前胸背板的凹坑形態(tài)，設計出合理的非光滑仿生單元體，通過這種性能優(yōu)越設計，可以降低切刀刀片的切割力，最主要的特性體現(xiàn)在切刀的壽命能夠提高將近20倍左右。使用仿生設計的切刀刀片能夠有效的減少紙張被切花，這樣既能夠提高切紙的質(zhì)量，也能夠保證裁切紙張的尺寸的精度和穩(wěn)定性。這項技術(shù)被廣泛應用于包裝皮革加工，塑料加工以及布匹生產(chǎn)等行業(yè)。

2、地質(zhì)勘探鉆頭中仿生學的應用

根據(jù)仿生學所制造的金剛石鉆頭，選用石墨合成樹脂作為材料。在地質(zhì)勘探鉆探過程中，利用石墨合成樹脂材料的鉆頭，其的硬度往往比較低，在鉆探過程中受到磨損時會脫落，使鉆頭持續(xù)產(chǎn)生一洗了宏觀的凹坑，這能夠幫助破巖和起到增加耐磨性，降低阻力的作用。而鉆頭本身的金剛石顆粒由于質(zhì)地較為堅硬，能夠擊碎巖石，起到良好的作用。這種鉆頭于普通的金剛石鉆頭相比，鉆進效率提高了一半，壽命延長了2/3，但鉆頭的整體設計還有待優(yōu)化，需要后人不斷的努力推動鉆頭發(fā)展。

3、螺旋鉆頭

仿生學在螺旋鉆頭中使用也比較廣泛，在螺旋鉆頭翼板上利通過用仿生學的方法，加工出一系列非光滑性質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元體，能夠解決鉆進過程中鉆頭阻力過大，附著嚴重的問題。鉆頭在鉆進的過程中，由于翼板的凹凸不平，破壞了土層中水膜的連續(xù)性，也減小了土壤的黏著力，能夠提高鉆頭的機械效率。與普通鉆頭相比，這種鉆頭能夠提高2/3的鉆進效率，也能夠減少鉆機一半的耗油量。

4、高速鋼車刀

在高速鋼車刀的前刀面進行仿生設計。能夠使高速鋼防身車道的磨損率減少35%，同時切削力減少2/5，切削溫度降低1/4。通過仿生學在刀具上的應用，能夠提高刀具的效率，也能夠提升刀具的耐磨水平，仿生學對于刀具的發(fā)展是具有重大意義的。

二、構(gòu)形仿生

構(gòu)形仿生是根據(jù)生物體的體表形狀進行仿生設計的一種方式。例如，日常生活中常見的飛機以及潛水艇的外形等都設計來自于仿生學的理解。

1、太空鉆頭

通過模仿樹蜂尾部的產(chǎn)卵器，制作出的太空鉆頭，能夠有效的降低鉆頭鉆進時的阻力，也能夠防止鉆頭被完全排出。鉆頭在鉆進的過程中進行往復相反的運動，能夠幫助鉆屑的及時排出，避免鉆屑沉積在孔底。而且這種鉆頭具有質(zhì)量較輕，消耗功率比較小，鉆進效率也較高的特點。還有一種太空鉆頭是仿蚯蚓的太空鉆頭。通過研究蚯蚓的爬行，設計出了可以在月球風化層內(nèi)部進行爬行的機器人鉆頭。這種鉆頭不需要太大的施工空間，在較小的空間中就可以實現(xiàn)分化層中的高效率的鉆進，能夠大大的提高太空工作的效率。

2、食品加工時的仿生刀具

眾所周知食人魚的咬合力非常大，可以有效的切割獵物的皮膚和肌肉。因此，根據(jù)食人魚牙齒的構(gòu)型特點，設計出了一種類似于食人魚牙齒的仿生剪刀。這種剪刀的內(nèi)側(cè)有鋸齒形的結(jié)構(gòu)，在進行肉類加工處理的過程中，具有非常高的效率。而且這種刀具的壽命比較長，效率也比較高，廣泛應用于食品加工行業(yè)中。

三、仿生材料

仿生材料是通過模擬生物的材料結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)仿生的。大自然的生命在長期的進化中形成了完美的結(jié)構(gòu)。以及性能優(yōu)越的生物耐磨、抗疲勞材料，對各種刀具的設計提供了很大的參考意義。

科學家們通過研究河貍的牙齒發(fā)現(xiàn)，這種生物的牙齒外層為較硬的特殊物質(zhì)，內(nèi)層則為相對較軟的牙本質(zhì)。這種生物的內(nèi)牙本質(zhì)磨損得更快，這將會使得暴露出堅硬的外層特殊材料，進而使它們的牙齒變得更加鋒利。技術(shù)專家通過研究這一有趣的現(xiàn)象，通過用較硬的氮化鈦涂層和較為堅硬的合金刀片進行結(jié)合，使其附著在表面，這樣可以顯著提高合金刀片的耐磨損程度，也能夠有效的增強仿生刀具的強度以及剛度，這種技術(shù)的應用，可以有效地消散壓力，防止刀具表面產(chǎn)生技術(shù)裂紋。

四、目前仿生刀具技術(shù)存在的一些問題

目前國內(nèi)的仿生刀具技術(shù)方面的研究工作開展進度不高，存在著以下幾個重要的問題。首先，對自然界多種多樣的生物研究不夠到位，能夠提供素材的生物不多。其次，研究加工刀具的仿生研究工作較少，而且各類的仿生刀具的切削效果有待時間的考驗。最后，對于仿生刀具的相關(guān)理論基礎(chǔ)研究還不足整體上匱乏，同時對于仿生刀具在切削過程中的性能以及使用過程中耐磨機理和耐磨性能等方向的研究深度有所欠缺。

五、小結(jié)

巧妙的應用仿真技術(shù)可以解決實際生活中和實際工程中所遇到的一些技術(shù)難題。目前，仿生技術(shù)在各類刀具的設計中得到一定的體現(xiàn)，使得刀具的種類和領(lǐng)域也發(fā)展較為廣泛。但目前的仿生技術(shù)缺乏相關(guān)的理論指導，需要運來越多的科技工作者不斷投身到這個行業(yè)中，不斷推動我國仿生事業(yè)的發(fā)展，推動國家現(xiàn)代化的建設。

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致謝

本文的撰寫過程中得到山東省教育廳科研課題項目-數(shù)控刀具耐磨性能的仿生學研究（編號J11LD71）的資助，在此表示感謝。