浅议仿生学原理在机械设计领域中的应用

【摘要】近年来，随着生物科仿生学的不断发展，仿生技术在很多工程领域都得到了广泛应用。所谓仿生学，就是指通过研究不同生物的生物特性，来分析其结构、功能和原理，并将这些结构、功能和原理应用在工程技术设备的设计与研发中，从而提高工程技术设备的整体性能的一种科学。本文主要探讨了其在机械设计领域的应用。文章重点分析了机械仿生设计中的基本内容，并对仿生学原理在机械设计领域中的实际应用做出简要论述。

【关键词】仿生学；科学原理；机械设计；应用

仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是一门集生物学、工程学和数学为一体的现代边缘性科学。仿生学的应用已经有一定时间，并且已经取得了非常大的成就，最典型的例子莫过于通过分析鸟类的飞行原理而进行的飞机发明。近年来，仿生学更是应用在智能机器人、雷达、声纳、人工脏器、自动控制器、自动导航器等多个科学研究领域中。可以说，其在机械设计领域的发展中所起到的作用越来越突出，科技地位越来越重要。现本文主要研究了其在机械设计领域中的具体应用。

1、仿生学原理

1.1外形仿生

外形仿生作为一种最常见的设计方法，在建筑和新材料的设计中得到广泛应用，同样也可应用于机械设计。蝼蛄、小家鼠等动物具有优良的挖掘功能。研究发现这几种动物挖掘足的爪趾内轮廓线大多是变曲率曲线，如穿山甲爪趾的爪尖是一面为斜面的圆锥楔形，爪尖顶端圆钝，楔面能分散土壤压力，减小触土面积，从而降低土壤阻力，使爪趾具有较强的入土能力和较好的脱土效果。这种有利于减粘降阻的结构在外形上与某些弯曲型深松部件极为类似，为改进深松部件几何形状，优化切削性能提供了仿生学研究的基础。

1.2结构仿生

（1）非光滑表面的仿生设计

①耐磨 地面触土机械部件失效的主要原因是磨料磨损。为了减少磨料磨损，人们一直在寻找新型的耐磨材料。在一般机械耐磨设计中，多采用硬化技术来提高构件的硬度和刚度，以此来增大耐磨性。但是这种耐磨技术并不能从根本上解决机械部件的磨损问题。而通过仿生学原理，则可以很好的提高机械部件的耐磨性能。这里所用到的仿生学主要是根据生长在粘湿土壤中动物所具备的生物特性来决定的。这些动物为了能够更好的适应环境，其体表都具有几何非光滑的特点，因而在与粘湿土壤接触时不会产生过大的摩擦力，并且能够起到一定的减阻作用，增大体表的耐磨性。若能够对地面触土机械部件的表层进行类似的结构设计处理，必将大大提高这类部件的抗磨性。

②防粘 穿山甲、蜣螂、螃蟹、泥鳅、步甲、蝗虫、潮虫是生活在粘湿环境中的典型土壤动物。通过对它们的防粘特性研究，发现这些动物体表都是一种非光滑鳞片形式。例如穿山甲除腹部及四肢两侧外，全身几乎都厚厚的瓦状角质鳞片所覆盖，且这些鳞片的形状都不是光滑结构，但大小与分布都较为均匀，并且其护蜡层、蜡质层都属于疏水性物质，因此其在泥水中游动时可以更加灵活，不会受到太大的阻力，也不会粘在身上泥水。若能够将穿山甲这种宏观非光滑表面结构的生物特性应用在土方工程的机械设备或工具材料中，则能够将这些原本是亲水性的金属材料变为疏水性，从而很好的提高其在土方工程应用中的减粘降阻性。

（2）仿生涂层设计

人们通过对生物体进行解剖研究发现，生物的微组织结构主要可分为层状结构与矩阵结构，此外还有折叠、螺旋等结构形式。人们通过模拟皮肤、血管壁、海螺壳等层状结构设计成耐磨涂层。模仿自然生物体海葵、海螺的结构设计，在微机电系统中人们开发出很簿的涂层体系。模拟生物结构的矩阵结构，对陶瓷结构进行改性，设计出高韧性陶瓷等。海螺壳、蛤喇壳是生物体通过把强度很低的碳酸钙整合后才具有的较高强度。有鉴于此，现在人们通过以下二种途径来实现整合涂层：一是有效排列分子，使其呈DNA螺旋结构，达到较高的机械强度；二是采用不同的材料组合成整合涂层，从而具有更高的机械强度和摩擦性能。

1.3功能仿生

功能仿生的目的是使人造的机械具有或能够部分实现高级动物丰富的功能，如思维、感知、运动、操作等，这在智能机器人的研究中具有重大意义。目前在工业领域中应用的机器人以焊接、装配、喷涂、搬运等工作为主，其共同特征是作业方式单一、缺乏变化。但是随着社会发展，机器人需要在更加宽泛的领域得到应用。除了进行生产之外，生活、娱乐和享受对于人类来说同样不可缺少，活动方式和身体结构酷似动物的仿生机器人将在这方面大显身手，如防灾救援和教育娱乐等。对人的独特思维功能的仿生是仿生机器人领域的最高目标。

2、仿生学原理在机械设计领域中的具体应用分析

2.1触土机械的设计

（1）钻头 在钻探工作中，经常会遇到钻头泥包问题。吉林大学正在研究设计一种仿生钻头，这种钻头的体表面仿造穿山甲背部鳞片的分布形式，钻头的切削齿仿造穿山甲的爪趾形状，以达到在泥质岩中钻进时减粘、降阻、脱附，有效地防止钻头泥包现象，提高机械钻速。

（2）深松部件 通过在室内大型土壤进行耕作试验，测定各种深松部件耕作以后土壤的宏现扰动轮廓和耕作阻力，结果表明郭志军等制作的外形仿生弯曲型深松部件的深松阻力取得最小值。

（3）推上板 在进行土壤切削试验时，丛茜等设计的仿生非光滑鳞片形推上板不易发生粘附，与光滑的推土板相比平均降低推土阻力15%左右。

2.2复合涂层体系的设计

仿生非光滑耐磨复合层的设计原则是由软、硬多相材料交替叠层形成的非光滑表面，具体来说就是将增强硬质颗粒钎焊在基体材料（碳钢）表面，形成非光滑耐磨复合层。这种结构既保证了基体的强韧性，又能保证非光滑表面具有减阻、耐磨作用。复合层的厚度可从几毫米到几十毫米不等。如任露泉等制备出的钎粒/WC（60/80目）/钎料/钢仿生非光滑耐磨复合层，其耐磨性为基体45钢（淬火态）的29倍。

2.3机械手与机器人的设计

华南农业大学利用仿生学原理设计了水稻工厂化育秧拔苗机械手，用以解决拔秧抛植的有序栽植问题。李明东等模仿骨骼肌的工作原理，用SMA丝（形状记忆合金）来驱动一个微型机器人手臂，将机器人传统的关节驱动方式转变为肌肉驱动方式。马建旭等模仿人体下肢设计的关节式弹性步行机构，在机器人的小腿中安置弹性装置，通过四组并联弹性元件和以机器人腿外壳为机架的四连杆机构的复合，产生缓冲、储能效果。

3、结束语

以仿生学原理为基础对机械设计进行新思想、新观念的指导，是机械设计创建人与自然之间的和谐关系，改进现有机械、仪器、建筑和工艺等的一个重要途径。为了满足未来社会发展的需要，机械性能势必需要进一步的改进与完善，机械设计方法自然也要不断的创新提高。而仿生学作为一种具有很高应用优越性的机械设计手段，也必然会有更大的发展应用空间。

参考文献

[1]钱侠.仿生学在机械设计中的应用[J].高校理科研究，2008，3（1）：51-52

[2]丛茜.鳞片形非光滑表面的仿生设计[J].吉林工业大学学报，1998，28 （2）：12-16

作者简介

张守权，男（1974年3月-），黑龙江建筑职业技术学院实训中心，工程师，从事机械工程研究。

相关热词搜索： 仿生学 机械设计 原理 领域