仿生設計在張拉整體結構仿生水母推進器中的應用

張澤　孫建偉　孫金榮

關鍵詞：仿生設計;張拉整體結構;仿生水母;推進器

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2022）02-0115-02

近年來，伴隨著智能機器人與仿生學的迅猛發展，仿生機器人逐漸受到各類研究人員的關注。仿生設計在一定程度上推動了設計工作的前進，在輪船、飛機和火車等設計當中均有一定的體現。國內外學者及相關研究單位對仿生設計進行了大量的研究，邵景峰在《仿生設計在汽車造型設計中應用的研究》一文中圍繞汽車造型設計領域引入仿生設計，并通過實際案例分析了該方法的可行性與意義;張世梁在《基于蜘蛛網結構的傘狀可展機構設計與分析》一文中以仿生設計理論為基礎，對蜘蛛網結構的單元結構與形態特征進行提取，提煉出簡化蜘蛛網機構的模型;李瑞在《基于仿生家居產品的設計方法研究》一文中以仿生家居產品為研究對象，將仿生設計融入家居產品設計的過程當中;羅仕鑒等人在《產品外形仿生設計研究現狀與進展》一文中提出“自下而上”與“自上而下”的設計過程，并對產品仿生設計的相關方法進行總結歸納;陸冀寧等人在《3種不同的高速列車頭車造型仿生設計》一文中對不同類型的列車頭型仿生設計進行分析，探究產品性能與功能受仿生設計方式的影響;王鵬在《仿生機器水母推進理論與實驗研究》一文中以動力學和仿生學理論為基礎，對仿生機器水母的樣機進行設計。從上述文獻可知，對于仿生設計來說，其關鍵點就是將大自然中的生物系統、功能、結構、外形等進行模擬建造（如圖1），從而完成產品的設計工作。文章以仿生設計理論為基礎，分析其在張拉整體機構仿生水母推進器設計過程中的應用，以期為今后同領域設計起到指導性作用。

1仿生設計概述

仿生設計本質上是仿生學的某一分支，其主要的研究對象為自然界中的萬物的形狀、色彩、功能和結構等，并將研究對象的特征進行總結歸納，應用于設計產品的造型、結構和功能的設計當中，為產品設計提供新的途徑、方法及原理。仿生設計的主要內容包括形態仿生、功能仿生和結構仿生，其中重點為功能仿生和形態仿生。形態仿生主要是對生物外部所呈現的形態和象征寓意進行研究歸納，并且利用藝術處理手段將歸納的內容應用在相關的產品設計當中;功能仿生主要對生物內部所具備的功能原理進行研究歸納，并通過歸納的原理對現有產品進行提升改進，在一定程度上促進產品迭代;結構仿生主要對生物內部的結構原理進行研究歸納，并應用于實際設計過程中。

2仿生設計在水母推進器中的應用意義

目前針對水母的研究多數聚焦于自身結構的設計和優化，并沒有對水母水下運動特征所呈現的推進力及其宏觀結構進行關注。隨著人工智能的空前發展，水下仿真機器人受到越來越多專家學者的關注。利用研究、學習和模仿的仿生設計方法來對生物的形態、功能、結構、控制機制和工作原理等進行再造與復制，已經成為水機器人研究的重要內容。仿生水母作為機器人技術與水母推進機理相融合的產物，為新型水下航行器的研制開辟了新的思路，具有十分可觀的應用前景和研究價值，可以在危險和狹窄的水下進行水下設備檢修、水質監測、海洋生物觀察、軍事偵察、水下考古和水下救撈等工作。

3仿生設計在張拉整體結構仿生水母推進器中的應用思路

3.1形態仿生設計在張拉整體結構推進器中的應用

因為人類是大自然中最為重要的一個組成部分，所以說既然人類接受來自于大自然的饋贈，那么就需要承擔起相應的責任，要實現與眾多生靈之間的和諧共處。不過大家都知道，在人類社會發展的過程中，人們利用各種物品在不斷地破壞自然環境，這也是人們需要注意的一個方面。另外在人類生活的過程中還需要仔細的觀察周邊生物的特征，借助智慧和科技來設計出更加符合人們生活需求的工具，也只有這樣才能夠保證人類的生存和發展。如果將差異化生物所呈現出的狀態應用于仿生水母推進器的整體設計進程當中，必定會為使用者帶來不一樣的體驗，使其能夠充分感受到差異化生物的形態特征。仿生水母推進器在設計和制造的過程中，以消費者與環境需求為出發點，從選取的水母設計形象當中提煉出優質的推進器設計素材，即相關的局部輪廓、團體和個體特點素材等。在原本水母所呈現的狀態特點的基礎上進行綜合歸納總結和變形制作，最終將水母自身的形態特點凸顯出來，進而完成整體推進器的設計。

3.2功能仿生設計在張拉整體結構推進器中的應用

對自然界當中生物的構成功能進行模仿，即功能仿生設計。經過大量研究可知，水母內腔的收擴狀態在一定程度上受到其前端延伸到散體后端部分的肌肉肌肉纖維影響。水流在水母內腔擴張狀態下緩慢的流入，進而逐漸積累，直至將內腔充滿。與此同時，內腔迅速收縮，將沖進來的水擠壓至內腔外部，在擠出水的同時產生一定的推力，從而致使水母本身在推力的作用下運行起來。水母表面相對光滑，且本身呈現橢圓形狀，故在水中向上運動的過程中能夠減小一定程度的阻力。由此可知，只有對水母運動時的阻力和推進力進行綜合考慮，才能得到水母最佳的運動效率和運動速率，進一步提升水母水中的推進效果。因水母外觀呈鐘狀體，故其在前行時會遭受巨大的阻力，但其內腔能夠極快的收縮，致使鐘狀體整體投影的范圍得到縮減，從而減小推進阻力。另外，盡量將水母前期頭部設計成流線外形，這樣也可以在一定程度上縮小推進阻力。

3.3結構仿生設計在張拉整體結構推進器中的應用

針對各種生物結構進行分析和研究，能夠有效地歸納出其科學理論，并且在這一基礎上進行差異化的產品設計，希望能夠借此來實現各種產品以及生物之間的配合，而這種理念就是結構仿生。對水母作用機理和運動機理進行探究，得到水母骨骼生物系統和張拉整體結構——映射的關系，張拉整體結構通過相似性原理融入水母的運動當中，從而使張拉可展機構推進功能得到實現。張拉可展示機構基于自身工作形式的不斷轉變，并借助驅動裝置所制造出來的驅動力，進而實現收縮與舒張功能。張拉可展機構在工作狀態下，保持鋼化模式，呈現展開形態，在一定程度上提升了整體的穩定性和可靠性，能夠使不同形態下的承載作用得到充分發揮。因水母為軟體動物，故在實際過程中僅能對水母的推進方式進行模擬，利用4個外撥片進行上下擺動來模擬其水下運動，通過機械結構優化之后，僅需半運動就能實現水下仿生機器人的移動。外撥片在開張張開狀態時需要借助外力將運動副拉起，拉桿基于張拉可展機構特性會拉至最大，此時卸掉外力便能夠實現自由張拉可展運動，進而實現水下推動。仿生水母水下推進器結構如圖2所示。

4結語

伴隨著仿生學設計學科的快速發展，仿生設計被廣泛的運用在建筑設計、工程設計、機械設計等領域中，并且逐漸的發展成為了熱門產業，仿生水母推進器也向著多元化、個性化的層面上發展。文章深入研究了仿生設計理論、方式以及造型等方面的問題，充分的闡述了其設計流程和運行原理，掌握在設計中的重點，這樣也為仿生水母推進器的創造設計提供了新的靈感，這樣不單單能夠有效地增加推進器的外形美感，還能夠完善其內部結構，滿足科學探究的要求，發揮出推進器的重要作用，實現張拉運動的自由伸展。同時保障了水下推動力，降低了能源的消耗，從而維護海洋的良好生態環境，完全符合綠色設計的標準，還能為未來水下和軍事探測帶來更多的幫助。

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