结构仿生在机械领域的运用

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0引言

生物在自身进化及自然选择的长期作用下，通过亿万年的洗礼，形成了独特的特性和功能，这为人类解决工程技术问题提供了大量的设计原型和许多创造性的设计方法，是人类技术创新取之不尽的灵感源泉。自诞生以来，仿生学的概念不断演变，并经历了由简单的模仿生物，到利用自然设计灵感的不断完善的过程。仿生学是将通过观察、分析、研究掌握的自然界生物所具有的各种特殊本领，并模拟、移植到各工程技术领域中去，为促进人类社会进步发展所用。仿生的价值在于依照相似准则和前提，按照生物系统的结构和性质为工程技术提供新的设计思想及工作原理，并找到新的更加经济、合理、高效和可靠的方法。仿生学需要多学科的交叉，是一门很难划清边界的大学科。同时由于仿生技术应用范围广，因而很难将仿生技术准确分类。本文重点研究了结构仿生的研究方法，分析了结构仿生在机械领域中的典型应用，总结了结构仿生在机械结构设计领域中的问题，并展望了结构仿生的发展趋势。

1结构仿生设计的方法研究

结构仿生是通过研究生物形态、结构、材料、功能及其相互关系，在深入理解生物机理的基础上，分析生物功能、结构与工程的相似性，提出仿生构思或建立数学模型，最终用于工程结构仿生设计。通过对生物体结构的仿生可以改变传统的设计理论与方法，取得具有创造性的突破。虽然仿生设计已经产生了大量的工程应用，但相关研究多是基于某种生物特征的发现，或基于某种技术性需求的仿生改进，对方法学的研究相对较少。如JuniorW．K．［1］基于产品开发，重点介绍了对生物样品的观察、实验阶段，此方法适用于一般产品的仿生设计。ZhaoL．［2］初步建立了适用于机械结构仿生设计的方法，综合考虑了各阶段的目的、方法，但实用性有待考证。综合现有的仿生设计的研发流程，特提出结构仿生的基本步骤，如图1所示。例:研究人员通过大量的观察和试验，对蜣螂等生物非光滑表面的观察研究及仿生，开发了具有减阻功能的非光滑犁，突破了传统的设计思路，并且降低了农业耕作的能耗，提高了工作效率。其研究过程符合“技术需求型”。基于图1可知，结构仿生研究的基本步骤［3-4］和具体的研究方法如下图2所示。

2结构仿生技术在机械工程领域中的典型应用

2.1扑翼飞行器

昆虫翅的结构比鸟翼简单得多，但翅膀的超轻质、高强度、自适应变形等性能非常突出，如蜻蜓翅是由非常轻的网状构架和薄膜材料构成，但是却能产生非凡的动力。如由SRI国际研究公司开发的仿蜻蜓飞行姿态的扑翼飞机已经试飞成功，NASA的喷气试验室也成功试验了蜂鸟和蜻蜓的自主控制和导航系统;乔治亚理工研究院与英国剑桥大学、ETS试验室合作研制模拟天蛾翅膀结构的扑翼昆虫机“En-tomopter”，机械翅膀能够像昆虫一样飞行［5］;另外国内的扑翼飞行器也取得了一定进展。这些对昆虫飞行能力的破译必然会推动人类对现有飞行器的改革。这是各国发展微型机械飞行虫(MFI)技术加以仿生借鉴的核心。而昆虫飞行功能研究已经成为昆虫仿生领域最热烈的前沿方向之一。

2.2运动仿生的机器人

仿生学的发展为机器人的设计提供了大量的解决思路和方案，如动物的身体结构、运动方式、自由度分配、铰链设计以及系统控制等都是机器人设计的重要依据，通过研究生物原型的相关规律往往可以找到更好的解决问题的方法。如南航对壁虎脚掌微观结构及粘附机理进行研究，为爬墙机器人的发展提供了依据［6］;动物的灵活高效且适应能力强的运动机构令设计者羡慕不已，许多的仿生设计工作也已开展，如仿蟑螂机器人以及仿龙虾机器人等［7］;ZhaoT．S．［8］等对海蟹的行走机构、系统参数和运动机理进行了研究;陈殿生［9］从蝗虫和龟类的翻转研究中得到启示，设计了移动弹跳机器人。另外在微型机器人方面，昆虫为微型机器人的设计提供了大量的仿生原型，研制具有昆虫足样行走能力的机器人或虫样蠕动的微型机车，可被用于行进到崎岖不平的山路或其它非平坦地带(如:地震后墙壁倒塌的废墟中)执行特殊的任务。

2.3仿生减阻及推进

仿生减阻主要包括土壤减阻、空气减阻和水流减阻等。吉林大学通过研究典型土壤动物蜣螂、黄鼠的体表面，形成了比较完善的的生物脱附与机械仿生研究理论体系。基于土壤动物体表非光滑结构的仿生非光滑结构已经被证实具有良好的防粘、减阻性能。Han［10］发现鲨鱼表皮上齿状突起能保持水流的流态，可以有效地减少表面的摩擦阻力和压差阻力。基于鲨鱼皮表面织构的减阻表面结构已经完成飞机模拟飞行试验［11］，空客320客机的机身和机翼表面增加仿鲨鱼皮结构后，降低了6%的空气阻力。基于仿生学的水上推进研究也取得了很大发展，如北航的仿生机器鳗鱼、哈工大的水下机器人以及国外的许多仿生机器人都提高了水下的推进效率，有望改进潜艇与水上交通工具。在汽车制造行业中，结构仿生设计出的产品也取得了预想不到的优良性能。特别是在汽车外型设计上模仿生物的优异外型可以大大降低风阻系数。

2.4结构轻量化

结构轻量化是飞行器设计的重要课题，岑海堂［12］借鉴竹干的细观结构和排列方式，仿生设计了仿生翼身结合框，仿生结构与原型相比重量可减轻2.1%。马建峰［13］等将蜂窝结构应用于飞机机翼加强框的设计中，提高了结构的比强度。此外，在机床结构件的设计中，赵岭［14］利用结构仿生方法改进了工作台和移动横梁筋板结构，在降低质量的前提下获得了更好的动静态力学性能。在F1方程式赛车的变速箱、车架等承力部件以及日本的新干线车厢壳体中都采用了铝合金、碳纤维等高性能材料的蜂窝结构板来实现轻量化，使抗撞击性能更好。车身结构轻量化是当前结构仿生的重要应用领域之一。

2.5机构仿生设计

在模拟生物体优异运动机构方面也取得了许多创新性的成果。植物叶片的收叠和伸展功能起着保护嫩叶免受外来损伤的作用，如许多热带植物一旦碰到温度急骤下降就利用叶片表面波纹结构的收叠功能来避免霜冻危害。人造卫星和航天装备研究人员受到植物叶片收叠和伸展特性的启示，将植物叶片的这种功能用于航天飞船的天线和大面积太阳能电池的设计中。根据长颈鹿血液循环系统的独特机构，发明了超音速战斗机的抗荷飞行服。航天科学家受苍蝇平衡器后翅的启示，成功地研制了体积小、重量轻的“谐振陀螺仪”。蝴蝶的身体表面生长的一层极小的鳞片能够调节体温，仿生研制的人造卫星的温控系统能够避免温差损毁精密仪器等［15］。

3结构仿生在机械结构领域中的问题

结构仿生在人类技术进步的各个领域中发挥了重要作用，但在机械领域中的相关系统研究工作相对较少，并存在如下问题:(1)从研究方法上来看，许多研究者仅是对生物体进行简单的模仿，并未上升到理论研究的高度，降低了其真正价值，其应用未形成完善、系统的理论体系。(2)从结构仿生的现有成果来看，设计者的设计思想多是灵感一现，缺少成熟的理论、准则和方法的指导，对生物体结构形式和材料、结构一体化优化设计问题也尚无可资利用的成熟方法，因而有时难以系统地应用及实现。(3)从生物结构的发现，到力学特征的提取，再到仿生技术的实践应用是一个漫长而艰难的过程，且缺乏相关理论法则和信息。由于结构仿生的研究属于跨学科研究领域，涉及到多领域、多学科知识的综合运用，增加了研究难度。(4)自然界中生物体结构种类繁多、性能各异，原型的选择具有偶然性，同时由于认识水平、技术手段及科研条件的制约，许多优异生物结构的机理难于破译，有些结构的研究需要在活体条件下进行，使其结构组成和机械性能的研究相对困难。(5)生物体结构的复杂性及特殊性制约了其仿生应用，特别是对于中小尺度的机械零件，传统的铸锻、冲压、铆焊、机械加工或者很难复现生物体的复杂结构，或成本过高，使仿生结构缺乏制造工艺的支持。

4结束语

随着人类对资源、环境的重视程度逐渐增加，迫切需要改变我国机械设计行业中的保守设计思想。传统而粗放的生产制造过程必须得到改善，学习生物结构的优化方法将为节约原材料发挥积极作用，其应用也会日趋广泛。结构仿生设计的发展趋势为:(1)从结构仿生在机械设计中的应用过程来看，其发展的主体趋势为:最初外形结构的机械模仿，随后的内部结构原理的理性分析，现阶段注重结构与功能、材料、制造等方面的综合分析。(2)结构仿生的研究内容:从宏观的形态模拟，到细观的功能原理，再到微观组织构型，内容在不断深入和扩大。(3)结构仿生的研究方法:注重对生物结构的微观观察和分析，多采用数学建模、力学分析及有限元的方法进行仿真分析，再通过对仿生样件的试验验证。结构仿生正逐渐成为创新研究的重要方法，并已成为提升科学技术原始创新能力的一个重要方向。(4)结构仿生的发展方向:正向着微观化、系统化、智能化、精细化的方向发展，使各学科间的联系日益密切;结构仿生衍生了新的仿生方向，特别是随着对基因组、蛋白质结构、脑与神经结构与功能的认知，推动了以解读生命信息为目的的计算仿生学的发展。

总之，由于科技的发展，对已知生物体结构相关研究不断的深入，许多原先未知的生物结构正逐渐被认知和理解，仿生设计的灵感源泉正在不断被丰富，同时结构仿生理论也正不断地走向成熟和完善。