新工科背景下仿生設計在“機械創新設計”課程中的教學實踐

姜亞妮 邊義祥

（揚州大學 機械工程學院，揚州 225127）

為了適應新時代科技變革和產業升級的需要，教育部在高校教學中積極推動新工科建設，以滿足國家和企業對創新人才的需求[1]。機械設計制造及其自動化專業的本科高年級階段，一般都會開設“機械創新設計”課程[2]。通過學習這一課程可以提高學生的機械創新設計能力，為后續的畢業設計打下基礎，同時能幫助讀研的同學在研究生階段順利開展創新性課題研究[3]。

在課程學習過程中，通過課本學習、課堂教授、視頻教學等多種教學手段和方法，學生可以學習到多種機械創新設計方法[4]。但是，經過多年的教學實踐發現，本科階段的同學基本沒有接受過系統的創新設計訓練，對于較為復雜的創新設計方法和工具的學習興趣不濃厚，學習效果也不太理想[5]。

仿生學是將自然界中生物的感知和運動行為作為研究對象，通過模擬生物體組織和器官的材料特性（機械力學性能）、構造和感知原理，達到模仿生物運動和傳感的功能[6]。機械仿生設計是“機械創新設計”課程的重要內容。目前，教材上的內容多為現象描述，即簡單描述仿生機械結構和對應的生物體結構，而對仿生機械設計的具體過程涉及較少。雖然大部分學生對機械仿生設計有著較為濃厚的興趣，但通過現象描述學習“機械創新設計”課程，還是無法將仿生機械設計的方法應用在具體的課題研究中。

本文以昆蟲毛發感受器的仿生設計為例，研究“機械創新設計”的教學過程和教學方法。通過實例教學，使學生能夠快速掌握仿生機械設計的概念、方法及設計過程，并能實際應用這一機械創新設計方法。

1 課堂教學

在課堂教學階段，當講授機械創新設計方法中的仿生設計時，一般都是通過舉例說明仿生設計方法的應用，如飛機、直升機、聽診器以及鋸子的設計等。由于課本或課件僅講授仿生對象和設計結果，忽略了仿生設計過程，學生雖然對仿生設計比較感興趣，但對于如何開展仿生設計仍然不知從何下手，教學效果欠佳。在“機械創新設計”課程的教學過程中，嘗試通過設計實例加深學生對仿生設計的理解，便于在以后課題研究中的實際應用。

在課堂教學過程中，講授完課本知識后，指定兩本國內比較好的仿生設計書籍《仿生機械學》[7]和《仿生學導論》[8]供學生課后延伸閱讀。閱讀后，學生對于仿生設計的概念、方法有了初步了解，隨后進入集中討論階段，采用頭腦風暴的方法，集思廣益，結合各自課題組的研究領域，提出具體的仿生設計課題。最后，選擇模仿昆蟲的毛發感受器結構，設計仿生氣流傳感器進行詳細講解。

2 生物原理研究

在生物原理分析過程中，要綜合應用生物、材料、物理、力學、機械、電子和通信等交叉學科的基礎知識，分析生物體相關組織和器官的材料特性（機械力學性能）、結構組成（局部和整體結構）、工作過程和功能原理，為機械仿生設計打下堅實的基礎。

選定課題后，需進行資料檢索。通過查找生物學方面的書籍和相關期刊論文，了解到很多昆蟲如蟋蟀、螞蚱等體表長有毛發感受器，結構如圖1所示。

圖1 昆蟲毛發感受器結構

一根纖細的毛發垂直立于昆蟲體表，末梢自由，根部穿過一層角質膜，和一個神經元相連。神經元內部含有液體，內外具有離子梯度。受力變形后，神經元內外產生離子流動形成神經信號。當昆蟲體表有氣流經過時，毛發受氣流作用產生彎曲變形[9]。毛發的彎曲變形通過柔性膠質膜傳遞給神經元，神經元產生神經信號后，通過神經纖維上傳到昆蟲大腦，使昆蟲能夠感知周圍的氣流變化，進而得到入侵者或者捕食者的相關信息，包括方位和距離，從而逃避天敵的追捕[10]。相反，捕食昆蟲根據體表毛發感受器的信號感知被捕食者的方位信息，快速準確捕獲獵物[11]。在這種捕獵和反捕獵的過程中，昆蟲進化出了體積小、效率高、功能全的體表毛發感受器，能夠通過感知周圍空氣流場的變化，識別天敵或捕食對象的方位[12]。

3 機械仿生設計

在機械仿生設計過程中主要進行材料選擇和結構設計，并對組裝的器件進行功能仿真或測試，將結果和仿生對象進行比較，驗證仿生設計結果。

3.1 材料選擇

本文模仿昆蟲的毛發感受器，設計一種仿生氣流傳感器。首先，選擇合適的敏感材料，以模仿昆蟲神經元的結構和功能。通過查找資料能夠感知自身變形的傳感元件有壓阻傳感器、電阻應變類傳感器、電容類傳感器、壓電傳感器及摩擦發電傳感器等。神經元是一種生物組織，具有柔性特點，而壓阻式、電阻式和電容式傳感器都是剛性結構，不建議采用。摩擦發電式傳感器結構、傳感電路較為復雜，制備困難，也不建議采用。經過比較，選用結構簡單的有機壓電材料作為敏感材料。有機壓電材料具有直接的機電轉換性能，在受到外力作用產生變形時，由于壓電效應將產生傳感信號，可用于模擬神經元的結構和傳感功能。此外，采用柔性的有機光纖桿模擬纖毛部分，采用柔性塑料薄膜模擬角質膜。

3.2 結構設計

昆蟲毛發感受器中的神經元內部為液體，受力變形時會產生神經信號。模仿神經元的結構，將有機壓電材料聚偏二氟乙烯（Polyvinylidene Fluoride，PVDF）做成圓球殼體，內部填充導電液體-液體炭黑，外部涂鍍金屬薄層，用作外部電極。經過極化后，PVDF層具有壓電傳感功能，整體可以作為仿生神經元。因此，采用仿生神經元的整體結構模擬昆蟲纖毛感受器的神經元結構，采用彈性模量大的橡膠薄膜模擬昆蟲的角質膜。昆蟲的體表纖毛是一種柔性結構，可采用有機光纖模擬昆蟲纖毛。本文設計的仿生纖毛傳感器是一根直徑為0.3 mm的光纖桿穿過厚度為0.2 mm的橡膠薄膜。光纖的根部和一個外徑為2 mm的含液體芯PVDF球相連。整個傳感器的結構和昆蟲毛發感受器的結構基本相同，如圖2所示。

圖2 仿生纖毛傳感器結構圖

3.3 功能驗證

將仿生纖毛傳感器放置在氣流場中，光纖柔性桿在外部氣流作用下產生彎曲變形。通過仿生角質膜的力傳遞作用后，仿生神經元的殼體產生變形。由于內部液體具有體積不變的特點，仿生神經元下部將產生膨脹變形。同時，由于壓電效應，內外電極將產生傳感電荷。實驗驗證，仿生纖毛傳感器的傳感信號和外部的氣流流速呈線性關系，即根據傳感器產生的信號能夠計算外部氣流的流速。傳感器的氣流感知功能和昆蟲纖毛感受器的感知功能完全類似。

仿生纖毛傳感器的設計過程可總結如下。首先，分析仿生對象-生物體功能器官的組織、結構，研究其組織、結構和功能之間的關系。其次，選擇具有和生物組織類似力學性能的材料。再次，從局部到整體模擬生物器官的結構，設計完整的仿生傳感器結構。最后，將仿生傳感器放置到和生物體相同的環境中，檢驗仿生傳感器的工作過程和功能原理，測試其傳感性能。

通過仿生傳感器的實踐教學活動，學生可通過課堂互動集思廣益，學習“頭腦風暴”這種創新設計模式和方法，同時了解“仿生機械設計”的基本方法，為“仿生學”的學習和應用打下基礎。在創新設計過程中，工程問題解決方案大多可以從自然中獲取靈感。學生在復雜機械系統的創新設計過程中，圍繞機械所需材料、控制、驅動以及傳感等功能要素，采用“仿生學”的設計方法和設計步驟，可以較快地完成創新設計任務。這有利于學生學習本課程，及時了解機械設計的專業前沿進展，培養仿生創新思維，為以后的工作和深入學習打下基礎。

教師在這一教學活動中要積極營造學生主動參與課堂的氛圍。在“仿生設計”教學活動中，學生參與意識明顯增強。在課堂發言、資料查找、選題確定以及設計過程中，大部分學生能積極主動參與教學，并能和教師形成良好的互動。教師能指導學生進行設計活動，并從學生的奇思妙想中獲得科研靈感，真正做到“教學相長”，是一種值得推廣的創新機械設計內容和教學方法。

4 結語

在“機械創新設計”課程的教學實踐過程中，利用仿生氣流傳感器的設計過程啟發學生更好地理解設計流程。首先，確定仿生對象，分析生物體的材料特性、組織結構和功能原理，明確其結構和功能關系。其次，選用合適的材料和模仿生物體的結構進行仿生結構設計。最后，對設計的仿生結構進行功能原理分析和性能測試，驗證仿生設計的效果。通過對仿生氣流傳感器的設計可以促進學生更好地領悟仿生設計的方法及步驟，提高課后自主學習能力和創新設計能力，更好地掌握機械設計領域中的現代化設計方法。