仿生設計與制造的性能研究

摘""要：仿生設計是一種全新的設計思路與方法，經過優勝劣汰而選擇自然界生物，其具有良好的結構和性能，這為科學技術的研究提供了一種新的設計思路。運用理論與案例相結合的思想，將簡要介紹仿生設計與制造，包括汽車仿生設計、飛行器設計、傳感器設計、陶瓷設計等方面，闡明其靈感來源與實現過程，以期促進現代科學的進一步發展。

關鍵詞：仿生設計""結構與性能""材料設計""汽車設計

中圖分類號：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

仿生設計是仿生學和設計學的結合。盡管在早期的仿生嘗試中困難重重，但隨著科學家們對生命體結構研究的逐步加深，越來越多基于仿生學的發明創造涌現出來，不斷改善著日常生產生活。

1800年，亞歷山德羅·伏打根據對電鰩的觀察設計了電池，成為仿生學的一個里程碑。1894年，奧托·李林塔爾基于鳥類的飛行，成功進行了第一次有記載的、可重復的飛行試驗，實現了伊卡洛斯的夢想。一系列有趣的生物效應也相繼被研究者們提出，如荷葉效應、鯊魚效應、壁虎效應、蛾眼效應等，促進了仿生設計的進一步發展。

1"仿生設計與制造

隨著社會經濟發展，人們精神世界逐漸豐富，在設計與制造過程中將大自然的元素進行有效結合，更容易引起人們情感上的共鳴。仿生設計與制造應運而生，體現了大自然與現代科技的完美結合。

1.1"汽車仿生設計

近年來，新能源汽車行業發展快速，用戶對汽車性能及外觀要求日益增加。仿生技術通過研究生物體對生存環境獨特神奇的身體形態、微觀結構和生物功能為實際新技術研究和應用激發仿生靈感和提供生物參考原型[1]。

1933年，德國Ferdinand"POＲSCHE博士設計了一款汽車，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計、保時捷911仿青蛙造型、雪佛蘭camaro仿大黃蜂造型、吉利熊貓仿大熊貓造型等，都是汽車仿生設計的成功案例。祝娜[2]在滿足消費者對新能源汽車視覺審美的基礎上，以“海豚”為仿生對象，結合形態仿生設計與CFD數值模擬，目標是低風阻，設計得到了一款“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，對某型新能源汽車風扇結構進行了優化，不僅提升了風扇散熱效率，還降低了工作噪聲。仿生設計在車燈中也有很多應用[4]，例如：捷豹汽車在車燈設計上融合了豹子的眼睛與鼻子的組合；雪鐵龍的C-Cactus概念車將動物與植物元素有機結合；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象，通過宏、微觀仿生，設計出了宏、微觀仿生管。微觀仿生結構Mi-B0進行了抗彎性分析，具有良好耐撞性能，可用于客車車身結構設計，以提高側翻的安全性能。董月千尋[6]通過模仿貓頭鷹翅膀的條紋狀突起結構及翅膀前緣的鋸齒狀結構，對風扇葉片進行仿生學設計，以減少汽車冷卻風扇產生的噪聲。通過正交實驗設計、計算流體動力學仿真分析、噪聲實驗等，發現對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"基于飛行的仿生設計

1903年12月17日，美國的威爾伯·萊特和奧維爾·萊特兄弟倆設計制造的“飛行者”號飛機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代。但是，在自然界中，許多鳥類和昆蟲都具有優異的飛行能力，借鑒它們的生物結構，人類可以完成許多性能優異的仿生設計。

航天飛機的變形能力對其穿透大氣層時所需的空氣動力、機動性和飛行控制能力至關重要。然而，現有航天飛行器依然難以靈活改變其鼻錐結構以提高機動性能。ZHAO"J"L等人[7]通過對蜜蜂腹部的觀察，總結了蜜蜂通過調整腹部形態，以增強飛行特性的機理，并采用蜜蜂腹部的變形結構，結合優化設計和拓撲方法，提出了一種新的仿生變形結構。

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

1.3"致動器仿生設計

隨著化石能源的不斷枯竭，對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植物，它們的新陳代謝等生命活動也需要大量能量，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用。

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

傳統的撲翼飛行器大多由剛性材料組成，它們結構復雜，效率低。"ZHAO"Y等人[9]借鑒了甲蟲通過胸部的彈性運動以驅動翅膀撲打空氣的原理，并結合IPMC驅動電壓低、應變大、機械結構輕軟等優勢，在IPMC上澆注了420厚的三氟甲磺酸，設計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生更大的位移，有效地克服傳統撲翼飛行器的缺陷。

1.4"傳感器仿生設計

蛇具有很靈敏的嗅覺、觸覺、振動感覺和熱感覺能力。CAI"G"F等人[10]基于聚苯胺（PANI）納米線陣列，構建了一種半透明智能皮膚式傳感平臺，可以像蛇一樣，既能感受觸覺刺激，也能檢測到無色無味的氣體，可以作為仿生元件使用。作者設計的傳感平臺的應變傳感性能優于大多數導電聚合物傳感器，可與傳統金屬基和碳納米線/管基應變傳感器相比，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，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性能的超氧陰離子傳感器，并在海拉細胞中得到了驗證，這種模擬物為未來先進的生物檢測技術提供了一定的創新思路。

1.5"減阻仿生設計

當物體在主流場中運動時，將低速流體注入主流場，可以降低運動物體的阻力，這被稱為射流減阻。鯊魚在呼吸時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，并結合離子聚合物-金屬復合材料（IPMC）的靈活驅動特性，建立了IPMC線性驅動單元模型和由其驅動的仿生鰓單元動態控制結構。

1.6"陶瓷仿生設計

陶瓷產品是我們日常生活中常用到的一種器具。王爽[14]在動態與靜態仿生中介紹了三國時期吳國所產的青釉虎子；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”的設計來源，中國是最早養雞的國家，人們將雞運用于陶瓷器中；西晉時期“雞首壺”造型來源于“盤口壺”，東晉時期“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"其他仿生設計

LIANG"D等人[16]以人眼視覺調節為原型，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，并與多孔支撐環和光學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，具有靈活的調節能力。

再生絲（RS）是一種基于蛋白質的生物高分子材料，利用發酵輔助法可以生產再生絲。VALENTINI"L等人[17]基于酵母菌的發酵，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酵，制成活的雜交復合材料。RS/酵母復合薄膜降低了水的滲透性和二氧化碳的擴散，這增加了薄膜的機械性能，可以增強食品的儲存耐久性。

2""討論

綜上所述，仿生設計在汽車、飛行器、傳感器、陶瓷設計等方面都得到了非常廣泛的應用，仿生設計的靈感來源也豐富多彩。隨著社會的發展，人類的需求日益增長，對各類產品設計的內涵也要求多元化，如何創造出更加環保、清潔、高效、可持續的產品成為當下需要解決的問題，將綠色設計與仿生設計有機結合，成為當今設計發展的必然趨勢。以期仿生學在各領域科研工作者的共同努力下，能有更好的發展及應用。

參考文獻

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