结构仿生设计方法及其在机械领域中的应用

夏令辉

【摘 要】在明确结构仿生设计方法的基础上，促进其在机械设计中的广泛应用，有助于提升机械设计的合理性，彰显仿生学的研究价值。本文在对结构仿生设计方法进行综合阐述的基础上，分析了结构仿生设计方法在机械领域中的具体应用，并阐述了结构仿生设计的不足之处及发展趋势，以期为相关人士提供借鉴和参考。

【关键词】结构仿生设计；扑翼飞行器；仿生机器人

中图分类号： TH122 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）16-0024-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.16.010

【Abstract】on the basis of clear structure bionic design method， it can promote its wide application in mechanical design， which helps to improve the rationality of mechanical design and highlight the research value of bionics. Based on the comprehensive exposition of the bionic design method of structure， this paper analyzes the specific application of the Structure Bionic Design Method in the mechanical field， and expounds the shortcomings and development trend of the structure bionic design， in order to provide reference and reference for the related people.

【Key words】Structural bionic design； Flapping wing aircraft； Bionic robot

0 前言

随着社会经济的迅速发展和社会生产力水平的进一步提升，仿生设计的重要性被逐渐挖掘出来。在机械设计过程中充分发挥结构仿生设计的优势，有助于促进机械设计理念的创新，对促进人类社会的发展进步大有裨益。基于此，探析结构仿生设计方法及其在机械领域中的应用，具有十分重要的现实意义。

1 结构仿生设计方法概述

众所周知，生物在自然进化过程中会形成独特的生理功能，这也为高新科技术的发展提供了思路，有助于促进机械设计和制造方法的创新。仿生学在创建之初建立在对生物特性的简单模仿上，而随着时间的推移，现阶段，仿生学已经实现了由灵感启迪向研究其自然特性的转变，在对生物特性进行观察和总结的基础上，将其应用于机械设计和制造领域，对促进人类文明的发展进步具有重要帮助。仿生学在相似性理论的引导下，以生物特性为基本依据，应用于机械制造中，有助于提升机械设计的可靠性和合理性，有助于确保机械设计制造原理符合时代发展主流。仿生学不具备明显的边界，具有多学科交叉的特点，加之其适用范围的广泛性，使得难以将其作为一个独立学科进行划分[1]。

结构仿生主要是指，在对生物的结构、形态、功能等因素进行深入研究的基础上，了解生物的机理，将生物与机械的总体布局及其构件进行类比分析，明确结构仿生思路并搭建数学模型，并促进其实践应用。通过加大对结构仿生方法的应用力度，能够有效突破传统机械设计制造方法的束缚，提升机械设计的经济性。尽管众多学者已经针对结构仿生设计展开了研究，但大多集中在生物特征领域，并未对结构仿生方法进行研究。例如，田亚峰在对生物样品进行观察的基础上，分析了建立在生物样品基础上的产品设计方法。赵荣珍在综合评价机械设计不同阶段之目标的基础上，精简机械结构的仿生设计方法，但缺乏实例论证。笔者在对上述研究进行分析的基础上，提出结构仿生设计的方法，具体如下：设计人员应根据机械设计的技术性需求和知识性需求，完成生物选型工作，在对生物功能进行综合分析的基础上，实现与机械设计的类比分析，在明确生物结构规律后，采用仿生建模的方法进行试样制造，并进行试验论证，确保机械设计能够充分满足实际应用需求。例如，某设计人员在对蜣螂表面进行细致观察的基础上，设计出了农耕的非光滑犁杖，能够有效降低土地的阻力，促进了农耕效率的提升[2]。

2 结构仿生设计方法在机械领域中的具体应用

2.1 扑翼飞行器

与鸟类的翼相比，昆虫的翅膀结构大多较为简单，且其质量较轻，能够根据外部环境灵活收缩翅膀。例如，蜻蜓翅膀实现了薄膜材料和网状结构的有机结合，只需轻轻扇动翅膀，即可产生强大动力。例如，某公司在细致观察蜻蜓飞行姿态的基础上，完成了扑翼飞机的设计工作。再如，某公司在对蜂鸟的飞行姿态进行深入研究的基础上，设计出了具备自主控制功能的导航系统。英国某高校设计出的扑翼昆虫机也是建立在对天蛾翅膀结构深入分析的基础上。随着科学研究的不断深入，我国针对于扑翼飞行器的研发也取得了优异成果，通过对昆虫的飞行能力进行模仿，为改进和研发飞行器提供了启示，而扑翼飞行器的研究也将成为仿生领域的热点[3]。

2.2 仿生机器人

伴随着仿生学研究进程的深入，为机器人的研发工作提供了指导依据，通过将生物的结构、运动模式作为参考依据，形成机器人研发的凭证，有助于提升机器人设计制造的合理性。例如，南京航空航天大学研究院细致观察壁虎的掌纹结构，并深入分析壁虎的粘附机理，在此基础上设计出爬墙机器人，充分彰显了结构仿生的重要价值。还有学者对生物适应能力和运动能力进行充分利用，设计出螳螂机器人和龙虾机器人。陈殿生在对乌龟的翻转过程进行了探析，明确了其翻转机理，设计出了弹跳机器人。王海通過对甲壳虫的行走状态进行仔细观察，设计出了能够在山路爬行的微型机车，被广泛应用于震后抢险救援的过程中。

2.3 仿生减阻

在对仿生减阻进行研究的过程中，主要将水流减阻、空气减阻和土壤减阻进行作为主要研究方向。吉林大学在对蜣螂表面进行分析，构建完备的生物脱附体系，为机械仿生提供了重要参考。实践研究证实：在机械设计中，通过对土壤动物体表非光滑特征的应用，能够促进机械设计减阻性能的提升。有学者在研究中指出，鲨鱼表皮的齿状凸起能够有效降低水流和空气对自身的阻力，通过将这一特性应用于飞机飞行试验中，能够从根本上降低空气阻力。哈尔滨工业大学在设计水下机器人的过程中，模仿鲨鱼的表面凸起原理，促进了机器人水下工作效率的提升，为潜艇性能的改进提供了发展思路。此外，大众集团在生产汽车的过程中，模仿了甲壳虫的外形，有效减小了风对汽车行驶的阻力。

2.4 结构轻量化

现阶段，国内外学者在结构仿真研究的过程中，纷纷认识到结构轻量化的重要意义。岑海堂在研究中，在明确竹竿结构和排列方式的基础上，基于结构仿生理念的指导下，设计出翼身结合框，其重量显著降低。马金凤在飞机机翼加强框的设计过程中，借鉴蜂窝结构，促进机翼结构强度的增加。朱光武在设计机床结构件的过程中，始终坚持结构仿生的指导，设计出能够灵活移动的横梁和工作台。例如，F1赛车的车架和变速箱等都是运用了由碳纤维和铝合金构成的复合型材料，这种材料是基于蜂窝结构转变而来的，能够有效增强赛车的抗撞击性能，且具有轻量化的优势。

2.5 机构仿生设计

在机构仿生设计的过程中，通过对生物优越性能的借鉴，也取得了一系列卓越的研究进展。例如，有学者在研究中发现，植物叶片的收缩和伸展能够实现对叶片的有效保护，部分热带植物一旦遭遇温度骤降会立即收缩叶片，实现预防霜冻灾害的目标。该学者在这一发现的指引下，在设计太阳能电池的过程中应用了这一原理，使得天阳能电池板能够在低温状态下开启自动保护功能，延长了电池的使用寿命。再如，某学者在研究中发现，蝴蝶的体表分布着薄薄的鳞片，具有调节体温的功效，在人造卫星温控系统的仿生设计中，通过对这一原理优势的充分发挥，有效降低温度骤升骤降对精密仪器准确性造成的不良影响。还有学者通过对苍蝇后翅平衡性能的运用，设计出轻量化的谐振陀螺仪。

3 结构仿生设计的不足之处及发展趋势

3.1 不足之处

尽管国内外针对结构仿生的研究已经取得了良好的发展成效，但在机械领域应用仿生设计的方法，还存在诸多问题：第一，大部分学者在研究过程中注重对特定生物特性的机械模仿，并未总结出仿生设计流程，降低了结构仿生方法的适用性，不利于彰显结构仿生的应用价值。第二，部分学者针对结构仿生的设计大多建立在灵感的基础上，不能够在相关准则的指引下，未能实现对生物结构、形态和运动规律等进行整体了解，难以在理论层面上达到统一，限制了其应用的步伐。第三，在以往的研究中，学者实现了由发现生物结构到提取力学特征，再--结构仿生应用的转变，这一过程设计若要应用到众多的学科和領域，由于缺乏理论指导，使得研究的难度进一步增加。第四，由于生物种类和性能多种多样，部分科研机构不具备充足的人手和科研资金，而部分生物需要在活体条件下开展研究，这也无形中增加了研究过程的复杂性，使得研究过程困难重重。第五，在规格较小的机械零件的设计和制造过程中，受其表面积和体积的影响，难以促进结构仿生方案的落实，且部分机械零件的制造工艺无法充分满足仿生设计需求，也不利于促进结构仿生价值的最大化。

3.2 发展前景

调查统计显示，现阶段，我国的能源和资源与其他国家相比已不具备显著优势，在机械设计制造过程中，应充分克服粗放式生产管理模式的弊端，促进机械设计的创新，实现节约生产材料的终极目标。而这一目标的实现，也依赖于结构仿生设计的广泛应用。经过实践研究，笔者对结构仿生的应用前景进行了推测：第一，在以往的仿生设计中，主要集中于对生物外形的模仿，以及对生物结构原理的理论分析，目前，针对结构仿生的研究，则主要集中在对生物的性能和结构进行应用。第二，目前，结构仿生已经实现了由生物形态模拟到生物功能原理的转变，在不久的将来，则会呈现向微观组织构型的发展趋势。第三，在以往的研究中，研究人员在观察生物机构的基础上，采用数学建模的方式实现仿真分析，并对仿生试样的效果进行验证。随着科技的进一步发展，结构仿生将成为机械设计创新的原动力。第四，随着机械设计的精细化和智能化发展，各学科之间联系的紧密度日渐提升，对蛋白质结构和基因组的研究将成为结构仿生研究的主流，对促进计算机仿生学的发展大有裨益。

结论：综上所述，通过将结构仿生技术应用于扑翼飞行器和仿生机器人的设计过程中，能够有效促进其结构的轻量化，发挥其减阻的性能。因此，在机械设计和制造的过程中，可以借鉴上述方法。

【参考文献】

[1]田亚峰，李正羊，叶霞.横梁筋板的结构仿生设计及优化[J].机床与液压，2016，44（20）：5-9+43.

[2]赵荣珍，王群旺，豆鹏刚.风力机塔架结构仿生设计及力学性能分析[J].机械设计与制造，2016（05）：53-55+60.

[3]董永进，朱光武.真实蜂巢的力学分析和航天载荷结构仿生设计[J].宇航学报，2016，37（03）：262-267.