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(fā)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(xiàn)。國內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)結構的單元結構與形態(tài)特征進行提取，提煉出簡化蜘蛛網(wǎng)機構的模型;李瑞在《基于仿生家居產(chǎn)品的設計方法研究》一文中以仿生家居產(chǎn)品為研究對象，將仿生設計融入家居產(chǎn)品設計的過程當中;羅仕鑒等人在《產(chǎn)品外形仿生設計研究現(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)、功能、結構、外形等進行模擬建造（如圖1），從而完成產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)品的造型、結構和功能的設計當中，為產(chǎn)品設計提供新的途徑、方法及原理。仿生設計的主要內(nèi)容包括形態(tài)仿生、功能仿生和結構仿生，其中重點為功能仿生和形態(tài)仿生。形態(tài)仿生主要是對生物外部所呈現(xiàn)的形態(tài)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(nèi)容應用在相關的產(chǎn)品設計當中;功能仿生主要對生物內(nèi)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(xiàn)有產(chǎn)品進行提升改進，在一定程度上促進產(chǎn)品迭代;結構仿生主要對生物內(nèi)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(shù)聚焦于自身結構的設計和優(yōu)化，并沒有對水母水下運動特征所呈現(xiàn)的推進力及其宏觀結構進行關注。隨著人工智能的空前發(fā)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(tài)、功能、結構、控制機制和工作原理等進行再造與復制，已經(jīng)成為水機器人研究的重要內(nèi)容。仿生水母作為機器人技術與水母推進機理相融合的產(chǎn)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(zhì)監(jiān)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(tài)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(xiàn)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(fā)展的過程中，人們利用各種物品在不斷地破壞自然環(huán)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(fā)展。如果將差異化生物所呈現(xiàn)出的狀態(tài)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(tài)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(huán)境需求為出發(fā)點，從選取的水母設計形象當中提煉出優(yōu)質(zhì)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(xiàn)的狀態(tài)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(tài)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(jīng)過大量研究可知，水母內(nèi)腔的收擴狀態(tài)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(nèi)腔擴張狀態(tài)下緩慢的流入，進而逐漸積累，直至將內(nèi)腔充滿。與此同時，內(nèi)腔迅速收縮，將沖進來的水擠壓至內(nèi)腔外部，在擠出水的同時產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)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(chǎn)品設計，希望能夠借此來實現(xiàn)各種產(chǎn)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(tǒng)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(xiàn)。張拉可展示機構基于自身工作形式的不斷轉變，并借助驅(qū)動裝置所制造出來的驅(qū)動力，進而實現(xiàn)收縮與舒張功能。張拉可展機構在工作狀態(tài)下，保持鋼化模式，呈現(xiàn)展開形態(tài)，在一定程度上提升了整體的穩(wěn)定性和可靠性，能夠使不同形態(tài)下的承載作用得到充分發(fā)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(yōu)化之后，僅需半運動就能實現(xiàn)水下仿生機器人的移動。外撥片在開張張開狀態(tài)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?qū)崿F(xiàn)自由張拉可展運動，進而實現(xiàn)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(fā)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(fā)展成為了熱門產(chǎn)業(yè)，仿生水母推進器也向著多元化、個性化的層面上發(fā)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(chuàng)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(nèi)部結構，滿足科學探究的要求，發(fā)揮出推進器的重要作用，實現(xiàn)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(tài)環(huán)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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