范曙遠(yuǎn)

摘 要：仿生學(xué)是一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各項(xiàng)工業(yè)設(shè)計(jì)，在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用“仿生”概念，不僅能夠大幅度地提高機(jī)械性能，甚至還有可能開辟出革命性的設(shè)計(jì)思路，從而讓工程機(jī)械更好地為人們服務(wù)。本文從形態(tài)、結(jié)構(gòu)、功能三個方面詳細(xì)地介紹了仿生學(xué)的基本概念，并且就結(jié)構(gòu)仿生在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的具體應(yīng)用進(jìn)行了細(xì)致說明。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)仿生學(xué)；工程機(jī)械；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；應(yīng)用研究

在自然界中，每一種生物都經(jīng)歷了億萬年的自然進(jìn)化和優(yōu)勝劣汰，最終能夠生存下來的物種必定擁有一些非同尋常的能力和特性。仿生學(xué)正是通過研究生物物種的某些結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及功能特性來模仿設(shè)計(jì)出相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備和裝置，進(jìn)而更好地服務(wù)于社會，提升人們生產(chǎn)生活的品質(zhì)。許多工程機(jī)械設(shè)備的發(fā)明改進(jìn)都與仿生學(xué)有著千絲萬縷的聯(lián)系，例如最初飛機(jī)的發(fā)明就是基于結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的設(shè)計(jì)理念，對鳥類身體構(gòu)造進(jìn)行仿生，最終制造出能夠像鳥類一樣飛翔的機(jī)械。仿生學(xué)是一門綜合性較強(qiáng)的學(xué)科，目前已經(jīng)開始應(yīng)用于各項(xiàng)工業(yè)設(shè)計(jì)，在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中應(yīng)用“仿生”概念，不僅能夠大幅度地提高機(jī)械性能，甚至還有可能探索并開辟出革命性的設(shè)計(jì)思路。

1 仿生學(xué)的基本概念和理論

仿生學(xué)是一門綜合性十分強(qiáng)的古老學(xué)科，包含了自然生物學(xué)、材料物理學(xué)和數(shù)學(xué)建模等多種知識的交叉[1]，主要研究對象囊括動物、植物和微生物在內(nèi)的整個自然界，可以說，仿生學(xué)的應(yīng)用研究是人類不斷認(rèn)識自然、了解自然、挖掘自然潛力的過程，總體來說可以分為形態(tài)、功能和結(jié)構(gòu)仿生。

1.1 形態(tài)仿生

在自然界中，每種生物都擁有各自獨(dú)特的外在形態(tài)，而這些形態(tài)都是經(jīng)過上億年自然選擇的結(jié)果，其中必然隱藏著某些物種賴以生存的特性能力。通過對生物形態(tài)的系統(tǒng)研究，工業(yè)產(chǎn)品對其形態(tài)進(jìn)行模仿再現(xiàn)，進(jìn)而還原這些生物特性并最終體現(xiàn)在產(chǎn)品之中。例如海豚具有流線型形態(tài)，在水中游動時的阻力相對較少，因而游速較快，基于這一點(diǎn)，現(xiàn)在汽車外形大多數(shù)對海豚形態(tài)仿生，模仿設(shè)計(jì)出流線型的車身，這在很大程度上較少了汽車運(yùn)行過程中的空氣阻力，提高了汽車的運(yùn)動性能。

1.2 功能仿生

在自然界生存的每一種物種都具備與惡劣環(huán)境相抗衡的生存功能，正是這些功能保證它們能夠經(jīng)受得住“優(yōu)勝劣汰、適者生存”的自然法則。功能仿生就是通過研究生物體某些特殊功能并弄清其運(yùn)作原理，進(jìn)而將這些功能應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)之中，使得產(chǎn)品具有生物體同等功能，同時這也是人類不斷創(chuàng)新進(jìn)步的重要源泉。功能仿生在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用十分廣泛，例如蝙蝠具有發(fā)射超聲波的功能，所以能夠夜間飛行，設(shè)計(jì)者對這一功能進(jìn)行仿生最終制造出雷達(dá)，并廣泛運(yùn)用于軍事領(lǐng)域。

1.3 結(jié)構(gòu)仿生

在很久以前，人類已經(jīng)開始認(rèn)識到不同生物體結(jié)構(gòu)各自所表現(xiàn)出迥異的功能特性，例如魚的尾巴能夠自由地控制方向；細(xì)長的柳條能夠承受巨大的力矩；柔弱的蛛網(wǎng)可以經(jīng)受住大風(fēng)等。結(jié)構(gòu)仿生主要以生物體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作為研究對象，并且對結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行深層次地剖析，進(jìn)而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中植入相應(yīng)的構(gòu)造已達(dá)到同等的功能效果。例如蜂窩結(jié)構(gòu)是無數(shù)個正六邊形鑲嵌拼接而成，具有良好的穩(wěn)定性，將這一結(jié)構(gòu)應(yīng)用到汽車輪胎之中能夠有效地控制輪胎形變，避免爆胎。

2 結(jié)構(gòu)仿生學(xué)在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的具體應(yīng)用

工程機(jī)械在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要綜合考慮各方面的因素，尺寸規(guī)格、部件連接和工作裝置對機(jī)械性能都至關(guān)重要，因此結(jié)構(gòu)仿生學(xué)應(yīng)當(dāng)從這幾方面入手對工程機(jī)械進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。

2.1 外形尺寸的結(jié)構(gòu)仿生應(yīng)用

在生物界中，外形結(jié)構(gòu)尺寸對于生物體的功能特性起著十分關(guān)鍵的重要，例如螞蟻能夠運(yùn)載比它身體質(zhì)量重數(shù)倍的物體，這在很大程度上歸功于螞蟻外形的尺寸構(gòu)造。螞蟻的頭部和胸部結(jié)構(gòu)緊湊且靈活，腹部與胸部間依靠三節(jié)腹柄來支撐受力，這些獨(dú)特的外形及合適的尺寸為其贏得了“大力士”的美譽(yù)。通過對螞蟻身體的結(jié)構(gòu)尺寸比例、重心位置及運(yùn)動方式的研究，設(shè)計(jì)人員對裝載機(jī)、挖掘機(jī)、自卸車等工程機(jī)械的外形尺寸進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿生，重新定義了橋荷比值，而且也可以通過設(shè)計(jì)根據(jù)工況自動調(diào)整的重力平衡裝置，從而保證了機(jī)械能夠在滿載情況下仍具有高穩(wěn)定性和高效率作業(yè)能力。

2.2 連接部件的結(jié)構(gòu)仿生應(yīng)用

在生物界生物一直都很擅長利用有限的空間和結(jié)構(gòu)以利于自身的運(yùn)動，增強(qiáng)對環(huán)境的適應(yīng)能力。生物結(jié)構(gòu)的受力情況十分均勻，很少出現(xiàn)應(yīng)力過大的區(qū)域，所以形成的結(jié)構(gòu)也多是優(yōu)化的力學(xué)結(jié)構(gòu)。基于這一點(diǎn)，工程機(jī)械中一些連接部件的設(shè)計(jì)都進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿生，具體而言分為以下三種方式：（1）模仿竹節(jié)結(jié)構(gòu)、樹木的板根結(jié)構(gòu)、王蓮的網(wǎng)狀助板結(jié)構(gòu)，對直接受力的支撐構(gòu)件、主要受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)；（2）較多的采用光滑的曲線作為結(jié)構(gòu)的形線，能有效的減少由于形狀或結(jié)構(gòu)的突變引起的應(yīng)力集中現(xiàn)象。（3）改進(jìn)結(jié)構(gòu)形式和潤滑條件，減少連接結(jié)構(gòu)的能量損失，提高聯(lián)接結(jié)構(gòu)的可靠性，延長部件的使用壽命。

2.3 工作裝置的結(jié)構(gòu)仿生應(yīng)用

人類手的結(jié)構(gòu)十分精巧，對人類的生存來說十分重要。人類的手部結(jié)構(gòu)緊湊，抓握動作靈活穩(wěn)定，功能強(qiáng)大。人們對了人類部結(jié)構(gòu)的研究巳有較長的歷史。而真意義上能實(shí)現(xiàn)靈活動作的仿生則是僅有幾十年的時間。由于“靈巧”的研究具有很強(qiáng)的應(yīng)用價值，各國對其都格外重視，也是少數(shù)幾個一直沒有聞斷的仿生學(xué)研究課題，美國、本、歐洲等國都在“靈巧手”方而的研究投入了大量的科研精力，由德國中航中心與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作研發(fā)的HIT/DLR機(jī)器人靈巧手，結(jié)構(gòu)和功能與人體手幾乎一樣，可以自由活動并能夠輕松提取重物[2]。

總而言之，隨著人類對自然界的不斷探索和了解，許多生物體結(jié)構(gòu)的仿生功能將會廣泛應(yīng)用工程機(jī)械設(shè)計(jì)之中，這將極大地提高機(jī)械性能，進(jìn)而更好地為整個社會服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉青會；陶健等 仿生學(xué)原理在空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J] 結(jié)構(gòu)工程師，2010（26）

[2] 陶校文 工程機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)仿生學(xué)的應(yīng)用探究[J] 科學(xué)與財富，2015（04）