淺議仿生學原理在機械設計領域中的應用論文

淺議仿生學原理在機械設計領域中的應用論文

　　摘要：自然界中的生物經過億萬年的自然進化，有很多具備了美妙的形態、巧妙的結構和神奇的功能，這為人們解決產品設計工作難題提供了新思路。仿生學是交叉學科，本文通過大量實例，介紹了形態仿生、功能仿生、結構材料仿生領域的相關進展。自然神奇、創意無限、神奇的大自然中仍然有無窮的秘密等著我們去探索，認識自然、模仿自然、超越自然是仿生設計的三重境界。

　　關鍵詞：仿生學；產品設計；仿生設計

　　中圖分類號：J524文獻標識碼：A

　　自然界中的生物經過億萬年的自然進化，有很多具備了美妙的形態、巧妙的結構和神奇的功能，這為人們解決產品設計工作難題提供了新思路。研究、學習、借鑒自然界中生物體的神奇特性，并把它們應用于產品設計中，改進產品的功能和形態，這已成為國內外的研究熱點。仿生學的研究成果被廣泛用于軍事、醫學、制造、航空等方面，與人類的生產、生活、未來發展有著密切關系。

　　1.仿生學概述

　　仿生學的標志是一個巨大的積分符號，把解剖刀和電烙鐵積分在一起。這個標志的含義不僅顯示出仿生學的組成，而且也指出了仿生學的研究途徑。仿生學作為一門獨立學科，1960年9月誕生于美國。仿生學主要研究自然界中神奇的生物，研究其獨特能力和原理，并進行科學模擬試驗，然后將得出的結論運用到產品設計和制造中去。仿生學是交叉學科，按研究領域可以大致分為形態仿生、功能仿生、結構材料仿生等等。

　　2.形態仿生

　　澳大利亞悉尼歌劇院是一座典型的仿生學建筑，如圖1所示，貝殼形屋頂就是最大亮點。歌劇院的主體結構新穎，由3組殼片組成。1959年悉尼歌劇院開工，如何建造這些巨大的異形混凝土殼體，這是施工單位遇到的最大困難。1973年竣工后，立即成為悉尼市地標性建筑。2007年6月被聯合國教科文組織評為世界文化遺產。

　　“鳥巢”是2008年北京奧運會主體育場，由中外著名的建筑設計師合作設計，外觀如圖2所示，建筑結構特別新穎，立面與結構的組件相互支撐，形成了網絡狀的構架，就像樹枝編織的鳥巢，非常生動。

　　3.功能仿生

　　自然生物經過長期進化，不僅完全適應了自然，而且其進化程度接近完美，有一些已超越了人類現有的科技成果。正因為如此，人們才會由衷地感嘆大自然造物的鬼斧神工，而研究和借鑒它們的優異結構和奇妙的功能，已經成為技術革新的新方向。

　　雷達的發明靈感來源于蝙蝠。蝙蝠能在黑夜里捕捉昆蟲，從來不會撞上障礙物，這引起了科學家們的好奇心。經過大量研究，科學家發現其中的奧秘，蝙蝠在飛行中發出超聲波，并能及時感知該超聲波遇到障礙反射的回波，所以它們能成功避開飛行中的障礙物。雷達的發明受此啟發，雷達發出的是一種頻率更高，能量更大的電磁波。飛機裝上雷達，飛行員如同有了千里眼，可以穿透黑夜和云霧，感知眼睛看不到的遙遠目標。

　　昆蟲復眼結構獨特、功能優異，是重要的仿生對象。復眼結構雖然簡單，但是視場大，對運動物體的感應十分靈敏。人眼和普通相機都是使用單個透鏡聚焦光線，這種排列能夠制造高分辨率圖像；而復眼是天然的多孔徑光學成像系統，可以產生全景視角，呈現顯著的深度感官�？茖W家受到昆蟲復眼結構的啟發，成功設計了復眼照相機，半球狀相機排列著180個顯微透鏡，視野達到了160度，能夠同時聚焦物體的不同深度。復眼照相機在微型廣角監視設備、內視鏡等監視技術領域有應用前景。

　　4.結構和材料仿生

　　隨著仿生學的深入開展，人們不但從外形、功能去模仿生物，而且從生物奇特的結構中得到啟發。鯊魚皮泳衣就是國際游泳界的神話�？茖W研究表明，鯊魚皮膚粗糙的V形皺褶能夠降低水流阻力，鯊魚皮泳衣的超伸展纖維表面模仿了鯊魚皮膚。根據這種特殊構造生產的泳衣富有彈性，另外還在接縫處模仿人類的肌腱，為運動員向后劃水時提供額外動力。

　　蜜蜂蜂巢由一個個排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，每個小蜂房的底部由3個相同的菱形組成，蜜蜂為什么要弄這么復雜的結構呢？這引起了科學家的關注�？茖W研究發現了其中的秘密，蜂巢中菱形的鈍角和銳角大小竟然完全符合數學原理，即如何使用最少的材料制造出結實耐用的大房子的要求。蜜蜂筑蜂巢使用了最少的蜂蠟，就能做到蜂巢內部空間最大，結構穩定性最好，真是令人驚嘆。

　　芳綸蜂窩是一種模仿自然界蜜蜂蜂巢結構、經由樹脂浸漬的芳綸纖維紙制成的非金屬復合材料，圖3是芳綸蜂窩結構圖，具有重量輕、強度高、抗沖擊、耐腐蝕、隔音隔熱，阻燃性能好、便于大面積整體成型等優點，被譽為飛機的“瘦身專家”。目前，美國波音公司和歐洲空中客車公司的所有民航客機都已全面使用芳綸蜂窩作為結構材料，主要用于圖4中飛機機翼、發動機罩、艙門、地板、行李箱、側板等。此外，芳綸蜂窩在高速列車、雷達、皮劃艇、直升機、無人機也有廣泛用途。

　　美國麻省理工學院科學家丹尼爾.諾塞拉成功研發了“人造樹葉”，為解決能源枯竭問題提供了新解決方案。這是一種神奇的太陽能人造樹葉，只要有太陽光，它就能將水分解成氫氣和氧氣，這些氣體再被輸送到一個分離的燃料電池中儲存并發出電力。

　　自然神奇，創意無限。雖然人類在仿生學研究領域已經取得了大量重要進展，設計、制造了許多優秀的產品，但是神奇的大自然中仍然有無窮的秘密等著我們去探索，例如昆蟲的變色隱身、神奇的壁虎、大豆的生物固氮。大豆有著神奇的生物固氮功能，直接吸收空氣中的氮氣變成植物蛋白造福人類；人們為了提高農產品產量大量生產和使用化肥和尿素，化肥和尿素工業化生產過程復雜，長期使用化肥提高了農業產量，卻污染環境。借鑒容易，結合不易，認識自然、模仿自然、超越自然是仿生設計的三重境界。我們只有掌握了相關的專業知識，再經過仔細觀察、分析、思考、研究、實驗等過程，才能發現自然界的種種神奇之處和內在機理，才能真正找到產品設計、開發的新思路。

　　參考文獻

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