仿生學原理在機械設計中的應用

摘要：本文主要分析了仿生學原理，分別從外形仿生、結構仿生和功能仿生三個方面進行分析。并就仿生學原理在機械設計中的實際應用進行了探討。

關鍵詞：仿生學；原理；機械；設計

目前仿生學原理被應用到了很多的領域和行業。機械仿生設計作為一種新型的設計方法，短期內已經從集合多門學科逐步發展形成更深更廣的產品設計理念，它為產品設計的多元化發展提供了新的可能，它的發展與進步使得產品設計的道路越走越寬。

1.仿生學原理

1.1.外形仿生

外形仿生是實際生活中用的最多的一種方法，尤其是用于機械設計中居多。動物經過長期的土壤生活進化，擁有了很強的挖掘功能，他們的外觀形狀和其在挖掘過程中所表現出來的力學性能給人們提供了參考。一些動物挖掘和脫土減阻相當強，如土狗、老鼠和公雞等，這些動物的爪趾內輪廓線主要表現為變曲率曲線。穿山甲的挖掘功能也相當強，其爪尖為圓錐楔形，不僅可以減少應力集中，也強化了其爪部與土體的機械強度，提高了爪部對土壤的耐磨性；再者，在確保了楔入力足夠大的前提下，增大了頂端的過渡圓角，使土壤壓實形狀被改變，減少了土壤的粘附。

1.2.結構仿生

1.2.1.表面不光滑仿生設計

1.2.1.1.防粘

一些土壤動物雖說生活在粘濕的環境中，但因為自身獨特的生物構造，身體很少會有土留在上面，這些防粘特性就集中表現在體表的呈現著鱗片形的幾何非光滑形態上。又因土壤動物具有疏水性護蠟層和蠟質層，其鱗片形的非光滑體表可進一步增加其疏水性，大大降低了土壤動物在土壤中運動時的土壤粘附度。

一般我們在土方工程中經常見到的親水性金屬材料就是借鑒了這種生物的非光滑表面，來減少粘附、降低阻礙的。

1.2.1.2.防磨損

地面觸土機械部件常常會因為磨料磨損而導致部分功能失效。那些生活在粘濕土壤中的動物，體表的幾何體光滑性不強，這些特征能有效的降阻和減粘，并且相當耐磨。土壤動物因為體表觸土部位幾何形狀單元體密布，它們在進行運動時，能有效降低體表上正壓力的作用，減少摩擦。而且，表面不光滑有助于將磨料對表面的犁削運動轉化為滾動運動，減阻、耐磨效果明顯。如果地面觸土機械部件的表層運用這種結構和組成機理，就能使得其抗磨性變強。

1.2.2.涂層仿生設計

現實生活中用到的一些耐磨涂層就是模擬了人類的皮膚、血管壁以及海螺殼等層狀結構設計而成。我們經常見到的耐磨涂層的結構體系主要有一種成分、多種成分、梯度涂層、多層涂層超晶體和二元處理等幾種。最近幾年，計算機系統中所用到的薄涂層就是模仿了海螺和海葵的結構體系而設計的。生物體把低強度的碳酸鈣轉化成了層狀結構的海螺殼和蛤蜊殼，增高了強度。目前人們常使用分子有效排列和組合不同材料的方式來實現整合涂層，從而提高其機械強度與摩擦學性能。

1.3.功能仿生

功能仿生可以使人造機械實現部分高級動物所能進行的操作，如進行簡單的感知和運動等，這對于智能機器人的研發意義重大。現在地球上的生物體是大自然在不斷的淘汰中生存下來的，它們的系統比較復雜、也比較完備，所有的生物體在結構和機能上都實現了精巧、協調、合理和高效。而人作為一種高等動物，具有由骨骼、肌肉、關節以及韌帶組成的多關節彈性結構的四肢，運動極具靈活性，并且能完成復雜的動作。這對于功能仿生和研究仿生機器人意義非凡。再者，仿生設計也模仿了人的獨特思維功能。

2.仿生學原理在機械設計中的實際應用

當前機械仿生設計在實際生產中的應用越來越多，而相應的技術也在慢慢向智能化與全面化發展。

2.1.半步行輪驅動機構

在地面工作的機械中就不乏仿生設計，半步行輪驅動機構就是在借鑒了傳統的水牛耕地現象而發展起來的新技術，如下圖1所示，通過對水牛在水田中的工作特征分析，就出現了全新的“半浮式理論”，有效的結合了機械運動中的“沉”、“浮”以及“滑行”、“驅動”等特點，由此使得承重與驅動并存的結構體系得到完善，用一種適用于水田及松軟土壤工作的高效生產方式來取代。同時，機械仿生設計也延伸了相關的研究，促進了眾多滾動阻力較小、驅動動力較大的先進設備的誕生，為行業生產提供了巨大的動力。

2.2.大型觸土機械設計

在大型觸土機械的設計方面，科研人員也從深松部件、鉆頭以及推土板三個方面的結構中得到了仿生學的啟發。通過不斷操作試驗，在減小深松阻力這點上，成功提出了仿生彎曲型結構，而且在鉆頭設計上，同樣參照穿山甲體表鱗片分布形式制作出了新型的仿生鉆頭，不僅有效解決了生產工作中的鉆頭泥包問題，還大大強化了泥質巖鉆探中機械設備的工作效率。所以說，仿生學原理在機械設計中的應用妥善的解決了原本存在的一些難題，大大提高了實際設備的生產效率。

2.3.仿生學的智能化應用

我們仿生機器人是有著很明顯的分類的，其一是仿生物機器人，其二是仿人類機器人。如上圖2，是根據人手功能設計出來的仿生機械手關節，它無疑大大加強了機械設備的靈活性，而隨著計算機網絡技術的配合推進，機械自動化生產進程也因此而得到了促進。我們可以結合不同的生物特性，將動植物的特性一一的反饋到我們的實際使用的機械上，這樣的話我們就可以最大限度的享受現代的仿生學帶來的實際效果。

3.結束語

仿生學為機械設計帶來了新的生機，使得相關的生產工作更好地滿足科技創新的需求，更好地維持機械設計行業強大生命力。當前必須加快機械領域中仿生學的應用進程，更應從本質上分析生物的獨有特性和功能，在立足于提高生產力的基礎上進行全面的仿生設計。

參考文獻：

[1]中瓊，何勇.仿生機械手結構設計與分析[J].東華大學學報.2002，28（1）：37—40.

[2]任露泉，佟金.生物脫附與機械仿生——多學科交叉新技術領域Ⅲ[J].中國機械工程.1999，10（9）：984-986.