仿生設(shè)計(jì)與制造的性能研究

摘""要：仿生設(shè)計(jì)是一種全新的設(shè)計(jì)思路與方法，經(jīng)過優(yōu)勝劣汰而選擇自然界生物，其具有良好的結(jié)構(gòu)和性能，這為科學(xué)技術(shù)的研究提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。運(yùn)用理論與案例相結(jié)合的思想，將簡(jiǎn)要介紹仿生設(shè)計(jì)與制造，包括汽車仿生設(shè)計(jì)、飛行器設(shè)計(jì)、傳感器設(shè)計(jì)、陶瓷設(shè)計(jì)等方面，闡明其靈感來源與實(shí)現(xiàn)過程，以期促進(jìn)現(xiàn)代科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。

關(guān)鍵詞：仿生設(shè)計(jì)""結(jié)構(gòu)與性能""材料設(shè)計(jì)""汽車設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TB472Performance"Research"on"Bionics"Design"and"Manufacturing

WANG"Yan*""LI"Haige""LI"Pengwei

（Xi'an"Vocational"University"of"Automobile，"Xi'an，"Shaanxi"Province，"710600"China）

Abstract：Biontics"design"is"a"new"design"idea"and"method"that"selects"natural"organisms"through"the"survival"of"the"fittest，"and"it"has"good"structures"and"performance，"which"provides"a"new"design"idea"for"scientific"and"technological"research."This"article"uses"the"idea"of"combining"theory"and"cases"to"briefly"introduce"bionics"design"and"manufacturing，"including"automotive"bionics"design，"aircraft"design，"sensor"design，"ceramic"design，"etc.，"and"expounds"their"inspiration"sources"and"implementation"processes，"in"order"to"promote"the"further"development"of"modern"science.

Key"Words："Bionics"design;"Structure"and"performance;"Material"design；"Automotive"design

仿生設(shè)計(jì)是仿生學(xué)和設(shè)計(jì)學(xué)的結(jié)合。盡管在早期的仿生嘗試中困難重重，但隨著科學(xué)家們對(duì)生命體結(jié)構(gòu)研究的逐步加深，越來越多基于仿生學(xué)的發(fā)明創(chuàng)造涌現(xiàn)出來，不斷改善著日常生產(chǎn)生活。

1800年，亞歷山德羅·伏打根據(jù)對(duì)電鰩的觀察設(shè)計(jì)了電池，成為仿生學(xué)的一個(gè)里程碑。1894年，奧托·李林塔爾基于鳥類的飛行，成功進(jìn)行了第一次有記載的、可重復(fù)的飛行試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了伊卡洛斯的夢(mèng)想。一系列有趣的生物效應(yīng)也相繼被研究者們提出，如荷葉效應(yīng)、鯊魚效應(yīng)、壁虎效應(yīng)、蛾眼效應(yīng)等，促進(jìn)了仿生設(shè)計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。

1"仿生設(shè)計(jì)與制造

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們精神世界逐漸豐富，在設(shè)計(jì)與制造過程中將大自然的元素進(jìn)行有效結(jié)合，更容易引起人們情感上的共鳴。仿生設(shè)計(jì)與制造應(yīng)運(yùn)而生，體現(xiàn)了大自然與現(xiàn)代科技的完美結(jié)合。

1.1"汽車仿生設(shè)計(jì)

近年來，新能源汽車行業(yè)發(fā)展快速，用戶對(duì)汽車性能及外觀要求日益增加。仿生技術(shù)通過研究生物體對(duì)生存環(huán)境獨(dú)特神奇的身體形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)和生物功能為實(shí)際新技術(shù)研究和應(yīng)用激發(fā)仿生靈感和提供生物參考原型[1]。

1933年，德國Ferdinand"POＲSCHE博士設(shè)計(jì)了一款汽車，類似甲殼蟲外形

，是汽車仿生中最成功的。法拉利F430仿馬造型、奔馳汽車仿肌肉感設(shè)計(jì)、保時(shí)捷911仿青蛙造型、雪佛蘭camaro仿大黃蜂造型、吉利熊貓仿大熊貓?jiān)煨偷龋际瞧嚪律O(shè)計(jì)的成功案例。祝娜[2]在滿足消費(fèi)者對(duì)新能源汽車視覺審美的基礎(chǔ)上，以“海豚”為仿生對(duì)象，結(jié)合形態(tài)仿生設(shè)計(jì)與CFD數(shù)值模擬，目標(biāo)是低風(fēng)阻，設(shè)計(jì)得到了一款“豚式曲背”造型新能源家用汽車。李小梅等人[3]借鑒鳥類翅膀飛行靜音的特點(diǎn)，對(duì)某型新能源汽車風(fēng)扇結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，不僅提升了風(fēng)扇散熱效率，還降低了工作噪聲。仿生設(shè)計(jì)在車燈中也有很多應(yīng)用[4]，例如：捷豹汽車在車燈設(shè)計(jì)上融合了豹子的眼睛與鼻子的組合；雪鐵龍的C-Cactus概念車將動(dòng)物與植物元素有機(jī)結(jié)合；吉利熊貓汽車引入了熊貓黑黑的眼圈這一元素。葛平政[5]以巨人柱仙人掌為研究對(duì)象，通過宏、微觀仿生，設(shè)計(jì)出了宏、微觀仿生管。微觀仿生結(jié)構(gòu)Mi-B0進(jìn)行了抗彎性分析，具有良好耐撞性能，可用于客車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高側(cè)翻的安全性能。董月千尋[6]通過模仿貓頭鷹翅膀的條紋狀突起結(jié)構(gòu)及翅膀前緣的鋸齒狀結(jié)構(gòu)，對(duì)風(fēng)扇葉片進(jìn)行仿生學(xué)設(shè)計(jì)，以減少汽車?yán)鋮s風(fēng)扇產(chǎn)生的噪聲。通過正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析、噪聲實(shí)驗(yàn)等，發(fā)現(xiàn)對(duì)降噪效果影響的程度大小依次是葉片條紋半徑、條紋所在圓弧間距離、齒槽半徑、齒槽所在圓弧間距離。

1.2"基于飛行的仿生設(shè)計(jì)

1903年12月17日，美國的威爾伯·萊特和奧維爾·萊特兄弟倆設(shè)計(jì)制造的“飛行者”號(hào)飛機(jī)在卡羅來納州基蒂霍克試飛成功，人類才真正開啟了飛行時(shí)代。但是，在自然界中，許多鳥類和昆蟲都具有優(yōu)異的飛行能力，借鑒它們的生物結(jié)構(gòu)，人類可以完成許多性能優(yōu)異的仿生設(shè)計(jì)。

航天飛機(jī)的變形能力對(duì)其穿透大氣層時(shí)所需的空氣動(dòng)力、機(jī)動(dòng)性和飛行控制能力至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有航天飛行器依然難以靈活改變其鼻錐結(jié)構(gòu)以提高機(jī)動(dòng)性能。ZHAO"J"L等人[7]通過對(duì)蜜蜂腹部的觀察，總結(jié)了蜜蜂通過調(diào)整腹部形態(tài)，以增強(qiáng)飛行特性的機(jī)理，并采用蜜蜂腹部的變形結(jié)構(gòu)，結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)和拓?fù)浞椒ǎ岢隽艘环N新的仿生變形結(jié)構(gòu)。

HU"Q"X等人[8]基于自然界中的樹葉、蜻蜓和鳥翅膀的結(jié)構(gòu)，即在薄膜主支撐結(jié)構(gòu)到其末端增加一條或數(shù)條不同強(qiáng)度的肋狀筋，能有效提高膜的抗拉強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度和抗撕裂能力。通過有限元分析和3D打印實(shí)物模擬后發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)筋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以顯著降低膜的總應(yīng)力，其中，與無加強(qiáng)筋的薄膜相比，含有聚醚醚酮（PEEK）增強(qiáng)筋的薄膜的抗拉強(qiáng)度提高了266.9%，成功解決了薄膜破裂后強(qiáng)度不足的問題。

1.3"致動(dòng)器仿生設(shè)計(jì)

隨著化石能源的不斷枯竭，對(duì)能源的獲得及有效利用成為人類共商的議題之一。反觀自然界中的各種動(dòng)植物，它們的新陳代謝等生命活動(dòng)也需要大量能量，它們的各種獲得能量及利用能量的方式值得深入研究與應(yīng)用。

離子聚合物-金屬復(fù)合材料（IPMC）是一種新型的電活性聚合物材料，在電場(chǎng)作用下可以產(chǎn)生較大的變形。

傳統(tǒng)的撲翼飛行器大多由剛性材料組成，它們結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低。"ZHAO"Y等人[9]借鑒了甲蟲通過胸部的彈性運(yùn)動(dòng)以驅(qū)動(dòng)翅膀撲打空氣的原理，并結(jié)合IPMC驅(qū)動(dòng)電壓低、應(yīng)變大、機(jī)械結(jié)構(gòu)輕軟等優(yōu)勢(shì)，在IPMC上澆注了420厚的三氟甲磺酸，設(shè)計(jì)并制造出了新的基于甲蟲靈感的撲翼飛行器，通過增加電壓和減少頻率可使翅膀產(chǎn)生更大的位移，有效地克服傳統(tǒng)撲翼飛行器的缺陷。

1.4"傳感器仿生設(shè)計(jì)

蛇具有很靈敏的嗅覺、觸覺、振動(dòng)感覺和熱感覺能力。CAI"G"F等人[10]基于聚苯胺（PANI）納米線陣列，構(gòu)建了一種半透明智能皮膚式傳感平臺(tái)，可以像蛇一樣，既能感受觸覺刺激，也能檢測(cè)到無色無味的氣體，可以作為仿生元件使用。作者設(shè)計(jì)的傳感平臺(tái)的應(yīng)變傳感性能優(yōu)于大多數(shù)導(dǎo)電聚合物傳感器，可與傳統(tǒng)金屬基和碳納米線/管基應(yīng)變傳感器相比，甚至性能比它們更好。

超支化聚合物（HBPs）指的是有許多支化點(diǎn)，支化分布占主要部分的高分子聚合物，具有很高的端基密度[11]。NIU"Y"L等人[12]基于超支化聚合物的優(yōu)良特性，制備了一種新的錳-超氧化物歧化酶模擬物，他們將單層磷酸錳置于末端羥基化的超支化聚酯（HBPE-OH）納米顆粒表面層上，二者通過靜電作用和配位作用完成自組裝，制得了具有良好檢測(cè)性能的超氧陰離子傳感器，并在海拉細(xì)胞中得到了驗(yàn)證，這種模擬物為未來先進(jìn)的生物檢測(cè)技術(shù)提供了一定的創(chuàng)新思路。

1.5"減阻仿生設(shè)計(jì)

當(dāng)物體在主流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將低速流體注入主流場(chǎng)，可以降低運(yùn)動(dòng)物體的阻力，這被稱為射流減阻。鯊魚在呼吸時(shí)鰓板噴出的氣體便能起到良好的射流減阻。DU"Y等人[13]基于鯊魚鰓噴孔的模型，并結(jié)合離子聚合物-金屬復(fù)合材料（IPMC）的靈活驅(qū)動(dòng)特性，建立了IPMC線性驅(qū)動(dòng)單元模型和由其驅(qū)動(dòng)的仿生鰓單元?jiǎng)討B(tài)控制結(jié)構(gòu)。

1.6"陶瓷仿生設(shè)計(jì)

陶瓷產(chǎn)品是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫降囊环N器具。王爽[14]在動(dòng)態(tài)與靜態(tài)仿生中介紹了三國時(shí)期吳國所產(chǎn)的青釉虎子；在整體與局部仿生中介紹了清代康熙年間制作的白釉素三彩濾水器，俗稱“茄子壺”。何以諾[15]介紹了“雞首壺”的設(shè)計(jì)來源，中國是最早養(yǎng)雞的國家，人們將雞運(yùn)用于陶瓷器中；西晉時(shí)期“雞首壺”造型來源于“盤口壺”，東晉時(shí)期“雞首壺”較高，液體可以從雞首流出；隋代“雞首壺”造型華麗，壺身有弦紋，液體盛放在盤口。“芒果壺”以芒果為主體，芒果造型由壺身、壺嘴與壺蓋組成，壺把是延伸的枝干。

1.7"其他仿生設(shè)計(jì)

LIANG"D等人[16]以人眼視覺調(diào)節(jié)為原型，通過熱重輔助法，制備了具有由半月板狀聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，并與多孔支撐環(huán)和光學(xué)液體一起固定在囊袋中，通過外部的類似眼睛睫狀肌的拉伸作用，可以改變焦距和屈光度，具有靈活的調(diào)節(jié)能力。

再生絲（RS）是一種基于蛋白質(zhì)的生物高分子材料，利用發(fā)酵輔助法可以生產(chǎn)再生絲。VALENTINI"L等人[17]基于酵母菌的發(fā)酵，以再生絲納米纖維和釀酒酵母提為原料，室溫下在蠶絲纖維溶解浴中發(fā)酵，制成活的雜交復(fù)合材料。RS/酵母復(fù)合薄膜降低了水的滲透性和二氧化碳的擴(kuò)散，這增加了薄膜的機(jī)械性能，可以增強(qiáng)食品的儲(chǔ)存耐久性。

2""討論

綜上所述，仿生設(shè)計(jì)在汽車、飛行器、傳感器、陶瓷設(shè)計(jì)等方面都得到了非常廣泛的應(yīng)用，仿生設(shè)計(jì)的靈感來源也豐富多彩。隨著社會(huì)的發(fā)展，人類的需求日益增長，對(duì)各類產(chǎn)品設(shè)計(jì)的內(nèi)涵也要求多元化，如何創(chuàng)造出更加環(huán)保、清潔、高效、可持續(xù)的產(chǎn)品成為當(dāng)下需要解決的問題，將綠色設(shè)計(jì)與仿生設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合，成為當(dāng)今設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。以期仿生學(xué)在各領(lǐng)域科研工作者的共同努力下，能有更好的發(fā)展及應(yīng)用。

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