郭寒松

【摘 要】為了構(gòu)建人與自然的和諧關(guān)系，當(dāng)今社會必須要解決的首要難題，就是經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展與能源極度消耗的矛盾。新的歷史時期，人們更加重視仿生機(jī)械產(chǎn)品，以期提升其在能耗、控制、功能等方面的競爭力，在更廣闊的層面發(fā)展機(jī)械仿生設(shè)計(jì)。本文首先對產(chǎn)品仿生學(xué)設(shè)計(jì)概念進(jìn)行了簡要介紹，并著重從四個方面，對于仿生學(xué)在產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析和探討。

【關(guān)鍵詞】產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì);仿生學(xué);概念;運(yùn)用

產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一門綜合的學(xué)科門類，涵蓋了物理、數(shù)學(xué)和工業(yè)設(shè)計(jì)等。它要求設(shè)計(jì)師能深入了解文化藝術(shù)和工業(yè)技術(shù)，并綜合運(yùn)用各類學(xué)科的美學(xué)設(shè)計(jì)思想。為了滿足市場需求，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，通過綜合分析，而不斷優(yōu)化產(chǎn)品的功能、材料、結(jié)構(gòu)和外形等。而作為人類學(xué)習(xí)和模仿大自然的重要方式，與大自然和諧共存的新型設(shè)計(jì)理念，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿生設(shè)計(jì)，能打造更多優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，并更好的為人類服務(wù)。通過遵循仿生學(xué)設(shè)計(jì)理念，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路中，融合自然界生物體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料和功能等各類要素，既可以對用戶需求給于滿足，同時還能實(shí)現(xiàn)藝術(shù)品味的提高。隨著不斷更新的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，開始向機(jī)械領(lǐng)域不斷拓展其他領(lǐng)域的新技術(shù)和新理念。本文將對仿生學(xué)在產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行著重分析。

1.產(chǎn)品機(jī)械仿生設(shè)計(jì)概念

機(jī)械仿生設(shè)計(jì)是指與仿生設(shè)計(jì)的理念和方式相結(jié)合，通過發(fā)散性思維和現(xiàn)有工程技術(shù)的有效運(yùn)用，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)材料和機(jī)械產(chǎn)品，并凸顯創(chuàng)新性。產(chǎn)品機(jī)械仿生設(shè)計(jì)是在創(chuàng)新過去機(jī)械設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，所誕生的一種新型的設(shè)計(jì)方法。信息化時代的到來，隨著迅猛發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)，也不斷升級和更新了機(jī)械社會的方法和手段，并開始不斷向機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域滲透和移植各種新技術(shù)和新理念。而仿生學(xué)的發(fā)展，使機(jī)械設(shè)計(jì)的外延空間更加廣闊，并圓滿的解決了一些生物界的難題。

2.仿生學(xué)在機(jī)械產(chǎn)品中的具體應(yīng)用

2.1機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)

作為機(jī)械仿生設(shè)計(jì)的重要組成，在機(jī)械結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)中，應(yīng)對自然界生物體的結(jié)構(gòu)形式與相應(yīng)功能原理充分理解，通過仿生設(shè)計(jì)其功能和結(jié)構(gòu)，以更好的服務(wù)人類。經(jīng)過歲月的不斷進(jìn)化和洗禮，自然界的生物已經(jīng)擁有了各種功能形態(tài)和結(jié)構(gòu)形式。而作為機(jī)械仿生設(shè)計(jì)的源泉，這些結(jié)構(gòu)形式和功能形態(tài)能為人類提供更多的借鑒和參考。以蜂巢的結(jié)構(gòu)為例，通過綜合分析這種力學(xué)結(jié)構(gòu)，既能將材料的使用減少，同時還能提高結(jié)構(gòu)的效能。而在特種飛行器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用該結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在實(shí)踐中證實(shí)了該功效。再比如，花炮架構(gòu)和復(fù)合紙板已經(jīng)在包裝中廣泛運(yùn)用。通過這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，既可以減輕材料的使用和重量，也能對軸向抗壓強(qiáng)度給于滿足，同時還能對噪音進(jìn)行吸收。

2.2機(jī)械運(yùn)動機(jī)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)

作為機(jī)械仿生設(shè)計(jì)的重要組成，運(yùn)動機(jī)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)是通過對動植物運(yùn)動原理和特點(diǎn)充分了解的基礎(chǔ)上，全面模仿運(yùn)動的各個細(xì)節(jié)以及基本結(jié)構(gòu)、運(yùn)動的控制方式、運(yùn)動功能。目前，在路面機(jī)械設(shè)計(jì)和現(xiàn)代機(jī)器人仿生設(shè)計(jì)這兩個領(lǐng)域，開始廣泛運(yùn)用機(jī)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)，并取得了顯著的成效。伴隨著迅猛發(fā)展的工程技術(shù)，在人類的日常生活和教育等方向，已逐漸普及使用機(jī)器人。例如，多功能仿生手指的設(shè)計(jì)比較接近自然界生物體的肌肉。在路面機(jī)械方面，通過“半浮式理論”的運(yùn)用，對于新型步行輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行獨(dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)，并在松軟土地等軟性地基工程中廣泛運(yùn)用。而利用這一仿生設(shè)計(jì)的原理，還對一些運(yùn)動阻力小、驅(qū)動力大的新型機(jī)構(gòu)給予科學(xué)的指導(dǎo)。

2.3機(jī)械材料仿生設(shè)計(jì)

主要是通過對生物組織的結(jié)構(gòu)、構(gòu)成原理和材料的聯(lián)系的研究，掌握材料特性，對材料的加工、制造和設(shè)計(jì)給于有效的指導(dǎo)，由此對機(jī)械的性能需求給于最大化的滿足。現(xiàn)代新型復(fù)合材料研究的藍(lán)本，就是生物復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、原理等。而通過研究和分析天然生物材料的表面功能、形成原理，而制造出特種工程材料，擁有了仿生特性。

它將現(xiàn)有的金屬材料與高分子材料代替，并對產(chǎn)品機(jī)械使用性能進(jìn)行了有效的改善。

2.4機(jī)械運(yùn)動控制仿生設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)整體運(yùn)行性能的重要保障，就是機(jī)電液一體化及機(jī)械人工智能控制。而現(xiàn)代仿生設(shè)計(jì)中的一個關(guān)鍵研究點(diǎn)，就是智能控制仿生設(shè)計(jì)，其發(fā)展推動了仿生機(jī)器人領(lǐng)域的進(jìn)步。過去的一段時間里，人們非常青睞針對各種形態(tài)的動植物的工農(nóng)業(yè)機(jī)器。隨著科技的進(jìn)步，在歐美等發(fā)達(dá)國家，也不斷提升了對仿生機(jī)器人的性能要求。這樣不單單能對路面識別、行走定位給于滿足，還能對目標(biāo)形態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確識別，并對自身位置進(jìn)行智能糾正和控制。

通過記憶作業(yè)，以實(shí)現(xiàn)智能的最大化。

3.產(chǎn)品機(jī)械仿生設(shè)計(jì)發(fā)展前景

作為為一種新型的設(shè)計(jì)方法，機(jī)械仿生設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)方法相比較，綜合了個門學(xué)科，并由此形成了更深遠(yuǎn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念。隨著不斷發(fā)展的科學(xué)技術(shù)，還需要對產(chǎn)品機(jī)械仿生設(shè)計(jì)的系統(tǒng)理論進(jìn)一步研究與總結(jié)。并且與計(jì)算機(jī)發(fā)展技術(shù)有效結(jié)合，進(jìn)行仿生的輔助設(shè)計(jì)，由此推動了機(jī)械控制系統(tǒng)和仿生設(shè)計(jì)集成方面的進(jìn)步和發(fā)展。而作為未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個方向，產(chǎn)品機(jī)械仿生設(shè)計(jì)是產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計(jì)理念的一次跨越性的進(jìn)步，與未來科技發(fā)展趨勢相符，并為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的多元化發(fā)展提供了更加廣闊的空間。

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（作者單位：長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院）