仿生技術在汽車設計中的應用研究

吳娜，馬云海

(1.山東交通學院，山東濟南 250023；2.吉林大學，吉林長春 130022)

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仿生技術在汽車設計中的應用研究

吳娜1，馬云海2

(1.山東交通學院，山東濟南 250023；2.吉林大學，吉林長春 130022)

摘要：仿生技術是仿生學研究在實際工程中的應用。仿生技術通過研究生物體對生存環(huán)境獨特神奇的身體形態(tài)、微觀機構和生物功能為實際新技術研究和應用激發(fā)仿生靈感和提供生物參考原型。從汽車造型、汽車材料、汽車減阻、汽車功能等方面研究了汽車設計中仿生技術的應用并展望未來汽車仿生技術，為仿生技術在汽車上的應用提供思路。

關鍵詞：仿生學；車輛工程；汽車造型；汽車材料；汽車減阻

0引言

自然界的生物通過長期進化對生存環(huán)境已具有很強的適應性,這種適應性表現(xiàn)在生物體應對生存環(huán)境獨特的身體形態(tài)、身體結構和特殊的生物功能。這些生物體神奇合理的形體結構和功能為人類解決工程難題提供設計靈感和仿生原型。仿生學就是通過研究生物體的結構、功能和工作原理，有意識地進行復制、改進和創(chuàng)新，并應用于工程技術之中，發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和設備，創(chuàng)造改良新技術[1]。經過幾十年的發(fā)展，仿生學已在理論研究和工程應用方面取得了顯著的研究成果。汽車，作為一種機電產品，在其快速發(fā)展過程中，許多靈感和創(chuàng)新技術也來自于仿生學研究。

1汽車外型仿生技術

自然界不同動物的外型展示不同的魅力：獅子兇猛，雄鷹犀利，甲殼蟲乖巧......除獨具個性魅力外,動物流線型的外型使其在運動過程中可以減小空氣阻力。動物外型為汽車造型設計提供了生物原型。

汽車仿生造型中最成功的為甲殼蟲汽車設計。1933年德國的Ferdinand PORSCHE博士設計了一款類似甲殼蟲外形的汽車。Porsche最大限度地發(fā)揮了甲殼蟲外形的長處(如圖1所示)。由于甲殼蟲汽車外型可愛獨特，頗具動感、強健、精致的特點使其深受人們喜愛。至2003年7月30日，全球已生產甲殼蟲汽車2 200萬輛。至今大街上仍然可以看到甲殼蟲汽車。甲殼蟲汽車是汽車造型中的經典之作，也是汽車造型與仿生學結合的完美之作。

圖1　大眾汽車公司的仿甲殼蟲汽車

魚型車是汽車發(fā)展史上的一個時代，它克服了船型車在高速行駛時產生較強空氣渦流的弊端，從船型車進化來的斜背設計使其不會產生渦流，同時其橫截面積和迎面阻力小。1964年和1965年的克萊斯勒汽車公司和福特汽車公司均開始批量生產魚型汽車。魚型車的設計真正實現(xiàn)汽車流線型車身外形設計。

寶馬公司在2005上海國際車展上隆重推出H2R氫燃料轎車。此款氫燃料汽車在動力方面可實現(xiàn)排量6 L、最大輸出功率超過210 kW、靜態(tài)加速到100 km/h用時6 s、最高車速302.4 km/h。在法國Miramas高速試車場此款車創(chuàng)下氫燃料內燃動力汽車的9項全球速度記錄。除了輕巧的鋁制底盤、硬殼式鋁制空間框架和碳纖維強化塑料的應用外，在車身造型方面進行仿生設計。H2R轎車車身造型設計靈感來源于海豚和企鵝的低阻身材(如圖2所示)：圓鼓的前臉、收起的尾部、極小的正鋒面，使其具有0.21的阻力系數(shù)。車后的擾流板能夠防止可能降低車速的空氣渦流產生。車身每一處細節(jié)的設計都達到最佳的空氣動力學特性要求。這些精致設計的綜合成就此款車在同類跑車中9項速度記錄的創(chuàng)造者。

圖2　寶馬汽車公司仿海豚汽車

奔馳汽車在近來的車身造型設計中采用肌肉感設計，使汽車造型剛柔并濟，動感十足(如圖3所示)。同時保時捷911仿青蛙造型、雪佛蘭camaro仿大黃蜂造型、法拉利F430仿馬造型、吉利熊貓仿大熊貓造型(如圖4所示)等均是汽車造型的仿生設計很成功的典范。汽車造型的仿生設計不但使汽車外型多彩、獨特，同時流線型的車身設計也有利于減小汽車行駛阻力。

圖3　奔馳汽車公司的仿肌肉造型汽車

圖4　吉利汽車公司的仿熊貓造型汽車

除了整車造型仿生設計外，汽車局部仿生學設計也取得很好的效果。汽車車燈作為汽車的眼睛，除具有照明功能外，對汽車造型美觀具有畫龍點睛作用。如寶馬、奔馳、別克、馬自達等汽車在車燈設計上采用仿鷹眼造型(如圖5所示)，使車燈看起來線條更流暢，感覺更深邃；捷豹汽車和別克汽車車燈采用仿豹眼造型，線條硬朗，感覺更霸氣。同時汽車的鷗翼車門、樹葉形后視鏡、仿生翼子板等部位的仿生設計為汽車帶來獨特的設計風格和時尚的設計感官。

在動物界中蜂巢結構算是非常獨特的。蜜蜂的蜂巢開口端為六角形，封底端為六角形棱錐體，由3個相同的菱形組成，是嚴格的六角柱形體。蜂巢結構具有用材少、質量輕、強度高的優(yōu)良物理性能?；诖私Y構的優(yōu)點，各種飛行器外殼采用蜂窩夾層結構提高飛行器強度，減輕質量。我國的“神州”號飛船外殼也采用蜂窩結構制作。同時六角形架構設計在建筑材料中廣泛使用。

美國固鉑輪胎公司聯(lián)合麥迪遜聚合物研究中心合作開發(fā)了仿蜂巢結構輪胎，在支撐結構設計上采用蜂巢的六面體設計如圖6所示。仿生輪胎具有質量輕、強度高、防御能力強和減震性能好的特點。與傳統(tǒng)輪胎相比，仿生輪胎無需充氣，抵御破壞能力強。仿蜂巢結構輪胎滿足抵御臨時爆炸裝置襲擊且遭遇襲擊后仍以80.47 km/h(50英里/小時)的速度行駛。仿蜂巢輪胎的發(fā)明對于越野汽車和軍用車輛具有重要意義。

圖5　汽車車燈的仿生造型設計

圖6　仿蜂巢六邊形結構輪胎

2汽車材料仿生技術

隨著汽車技術的發(fā)展，環(huán)保節(jié)能越來越成為汽車發(fā)展的必然趨勢。為滿足汽車節(jié)能環(huán)保要求，汽車輕量化研究和汽車新材料應用成為促進現(xiàn)代汽車發(fā)展的重要技術。仿生學研究為輕量化設計和新材料研究提供新思路和仿生原型。

在漫長的進化過程中，生物復合材料實現(xiàn)了自身的高度優(yōu)化。天然生物復合材料具有多極精巧組裝結構和優(yōu)良的力學性質，對天然生物復合材料的研究及其仿生應用正日益受到人們的極大重視。工程人員研究了竹子、貝殼、牙齒、骨骼、昆蟲外甲殼等生物材料的組成、結構、力學特點，發(fā)現(xiàn)生物材料獨特的材料組成和幾何結構是實現(xiàn)其質量輕、耐沖擊、大韌性和高強度性能的機制所在(如圖7所示)。SARIKAYA等[2]研究了貝殼的結構組成和力學機制并應用于陶瓷復合材料中，將斷裂韌性提高了40%。陳斌等人[3]在蟬、蜣螂等昆蟲的外甲中發(fā)現(xiàn)了“釘柱”結構和連續(xù)不斷繞過孔洞的纖維結構，進行了仿生雙螺旋鋪層層合板和仿生預成形孔洞復合材料的試制。試驗結果發(fā)現(xiàn)：與普通鋪層層合板相比，它們具有較高的斷裂韌性和強度。

汽車材料一直以金屬尤其是鋼作為首選，鋼材除了具有強度高、硬度好等優(yōu)點外，應用于汽車最大的缺點是質量大。為實現(xiàn)汽車輕量化必須找到新型的替代材料。鋁合金、鎂合金、泡沫合金、復合材料夾芯板、工程塑料等材料開始應用于汽車設計中，隨著輕量化的設計要求，這些材料在汽車上的應用越來越廣泛。

通過對自然界動物骨骼等物質結構的研究，新型輕量化材料和新型制造工藝被發(fā)明和使用。發(fā)泡材料是一種新型輕量化材料。發(fā)泡金屬、發(fā)泡塑料等材料是通過研究動物羽毛、殼體、骨骼等內部獨特而復雜的中空結構而汲取的靈感。發(fā)泡材料內部具有的多孔組織使材料質量大大減小，但材料的強度、韌性、抗沖擊能力等大大增強。寶馬汽車公司發(fā)明的整體注塑發(fā)泡技術也得益于仿生學研究。將催化劑加入熔化的塑料里，在高溫環(huán)境下釋放出氣體，就像酵母在制作蛋糕中的催化作用。一旦模具充滿，零件的表面凝固變硬，模具就在設定的程序下打開。這樣可以降低零件內部仍是流體狀態(tài)的壓力，使氣體在熔化的塑料里形成泡孔。經過此工序，零件的質量減少近20%。同時基于生物學增長規(guī)律的汽車結構形狀優(yōu)化設計方法可以減少零件質量，延長零件使用壽命。未來仿生材料在汽車輕量化設計中會越來越受到重視，植物強化纖維、竹纖維等不同結構的材料作為汽車新型材料其應用范圍會越來越廣。

生物復合材料的細觀機構和材料組成為人類改善現(xiàn)有復合材料和發(fā)展新型仿生復合材料提供了仿生基礎,飛行生物對材料強度、剛度、韌性、質量等性能的要求與汽車輕量化材料的要求相一致。同時對生物復合材料的自我診斷、自我調整和自我修復能力的深入研究將為汽車仿生智能復合材料的研究提供新的思路和有利的指導。

圖7　昆蟲外甲殼的復合結構

3汽車減阻仿生技術

生物表面是生物體與生存環(huán)境介質相互接觸且直接作用的外表面，是生物體與外界進行信息流、能量流和物質流傳遞與交換的窗口，生物表面大量的已知和未知信息、功能、特性對人類、工程、生物及相關學科的發(fā)展都有巨大的借鑒意義。自然界動物宏觀表現(xiàn)出的減黏脫附性能與其獨特的微觀結構是密不可分的。通過研究生物體表面的特殊特性和形態(tài)特征，并進行仿生設計，在汽車齒輪、汽車剎車片、內燃機缸套、汽車進氣管道等仿生非光滑減阻耐磨設計中取得較好成果。研究發(fā)現(xiàn)：蜣螂體表、穿山甲鱗片、貝殼等表面結構在長期的進化過程中優(yōu)化出良好的減阻耐磨性能，體表微觀結構如圖8(a)和(b)所示。研究證明：動物體表表面覆蓋的凹坑、凸包、棱紋、薄片等非光滑微觀結構具有良好的減阻特性,工程仿生應用效果良好[4-6]。

提高內燃機的可靠性、耐久性和降低故障率，一直是內燃機技術發(fā)展的一個重要研究方向?；钊c缸套是內燃機中的一對重要摩擦副，其使用壽命直接影響著內燃機的使用壽命和可靠性。鄧寶清等[7]將仿生非光滑結構用于活塞和缸套表面(如圖8(e)所示)，實驗結果證明:仿生非光滑結構活塞較普通結構的活塞耐磨性提高了4倍。主要原因是：通過設計非光滑結構增加活塞與缸套間的儲油能力，改善潤滑條件，有利于油膜的形成，同時有助于抑制摩擦表面溫升。王國林等[8]在170F柴油發(fā)動機進氣喉管內設計出凹坑非光滑仿生減阻表面，凹坑直徑為0.6 mm、深度為0.1 mm、軸向距離取1.1 mm。進氣道空氣流動仿真分析表明，這種光滑仿生設計將進氣道進氣阻力減小14.2%左右，流通系數(shù)提高1.2%左右。基于蜣螂頭部、鯊魚體表、信鴿尾羽和蝴蝶翅面鱗片的非光滑結構設計了凹坑、凸包、U形溝槽和V形溝槽4種仿生非光滑單元體并應用于柴油機螺旋進氣道內表面，流體軟件分析發(fā)現(xiàn)：在流量系數(shù)變化程度較小的情況下，仿生非光滑表面進氣道可以顯著提高渦流強度，優(yōu)化半開式燃燒室的燃燒效果[9]。

為提高汽車用制動轂的耐磨性和使用壽命,運用仿生耦合原理實現(xiàn)制動轂表面的條紋狀和網格狀等仿生非光滑結構設計(如圖8(d)所示)。試驗結果表明:仿生耦合制動轂具有優(yōu)良的耐磨性和較高的摩擦因數(shù),在實際工況下比普通制動轂壽命提高50%以上[10]，同時對制動轂進行激光仿生耦合處理能夠明顯提高其抗熱疲勞性能，使用壽命延長1倍[11]。

齒輪傳動是汽車變速箱中傳遞運動和動力的主要形式之一。齒輪副長期處于較高載荷作用之下，工作齒面局部區(qū)域會出現(xiàn)點蝕和裂紋，最終導致齒輪的疲勞失效。研究人員從貝殼、海筍等海洋貝殼表面近似網格狀的形態(tài)得到啟發(fā)，通過激光雕刻技術對汽車變速器齒輪齒面進行仿生形態(tài)設計。研究發(fā)現(xiàn)：仿生表面形態(tài)齒輪的抗彎曲疲勞性能較普通齒輪的顯著增強，其彎曲疲勞壽命提高了1.06～1.42倍。同時還發(fā)現(xiàn)：仿生表面形態(tài)齒輪的最大溫差值小于普通齒輪，均勻的溫度梯度變化對齒輪裂紋的萌生和擴展具有一定的遏阻作用[12]。

圖8　生物體表的非光滑結構及其在汽車部件的仿生設計

4汽車功能仿生研究

動物對環(huán)境具有很好的適應性。駱駝被稱為“沙漠之舟”，對沙漠環(huán)境具有很強的適應能力，表現(xiàn)在駱駝不僅有適應沙漠環(huán)境的體態(tài)而且具有高通過能力的駝蹄。研究發(fā)現(xiàn)駝蹄具有較厚的皮下層，可以起到彈性緩沖作用,且駝蹄的指枕受壓力后，可向周圍擴展，增大了足與沙的作用面積。駱駝行走時，駝蹄平行沙面入沙,垂直于沙面出沙，對沙形成較小擾動。駝蹄盤面以一定傾斜角度對沙面作用。這些作用方式使駝足產生較大的向前推力。通過對駱駝在沙地上行走時的運動特性、駝蹄下的應力變化及駝蹄與沙的相互作用特性的研究發(fā)明了仿駝蹄輪胎(如圖9所示)，可以提高車輛在沙漠及松軟地面的通過性。實驗研究表明:仿駝蹄輪胎比普通輪胎具有較好的牽引性能，可以有效提高車輛的越沙能力，同時改善車輪的垂直振動性能[13-14]。

伴隨汽車技術的發(fā)展，汽車行駛速度越來越快，汽車安全性日益受到重視。為實現(xiàn)汽車的安全性和智能化，高科技仿生技術為汽車設計和研究提供新思維和新方法。

眼睛是人不可缺少的器官。沒有眼睛人們將無法出行。正是基于視覺對周圍事物識別的重要性，現(xiàn)代汽車裝置的車載攝像頭、雷達、紅外線探測器、激光傳感器等起到了汽車“眼睛”的作用。這些裝備用來識別汽車周圍的環(huán)境狀況，探測一些障礙物或前車與汽車的距離和準確位置，判斷車輛行駛的潛在危險性。將探測信息傳遞給駕駛員以使駕駛員更好更安全地駕駛汽車，或通過車輛智能控制系統(tǒng)對汽車采取自動變速、制動等措施，以避免汽車追尾、撞擊行人或撞擊障礙物，實現(xiàn)汽車防撞保護的功能[15-16]。如沃爾沃XC60、一汽-大眾CC的2.0 T和3.0 L、一汽豐田銳志的2.5 L和3.0 L、奧迪A6L的2.8 L V6和3.0機械增壓等車均配備自適應巡航和自動剎車系統(tǒng)以避免追尾，減少事故的發(fā)生。

圖9　仿駝蹄輪胎

嗅覺功能對一些生物具有非常重要的作用，體現(xiàn)在幫助生物尋找食物、識別同類及同類間的信息交流等方面。為保證汽車的行駛安全性，要求駕駛員必須遠離酒駕。車載酒精傳感器通過類似動物嗅覺的方式來識別酒駕。傳感器通過氣敏元件對駕駛員呼吸出的酒精氣味及濃度進行識別，當酒精濃度達到設定的限值時即可判定駕駛員屬于酒駕，啟動相關程序如發(fā)出駕駛警告，對于嚴重酒駕的鎖止車輛使其無法啟動，以保護汽車行車安全，避免酒駕事故發(fā)生。目前車載酒精檢測儀在沃爾沃等汽車上已獲應用。

偏振光是指只在某個方向上振動，或者某個方向的振動占優(yōu)勢的光。太陽光本身并不是偏振光，當它穿過大氣層，受到大氣分子或塵埃等顆粒的散射后，變?yōu)槠窆狻游锢锰柶窆鈦磉M行導航定位現(xiàn)象非常普遍[17]。例如，螞蟻和蜜蜂等動物都能用天空的偏振光來導航，根據(jù)太陽方位的變化進行時間、方向的校正。科學家受益于蜜蜂偏振光定向本領，研制出偏振定向器用于飛機、艦船等的航行定向。有些動物可以利用較暗的月光偏振光來進行導航定向[18]。利用月光進行導航定向的特性對研究夜用定向儀器具有重要的仿生指導價值。未來這些仿生偏振光導航定向裝置對于汽車在沙漠或特殊地帶的行駛定向具有重要意義。

研究發(fā)現(xiàn)荷葉表面具有抗臟自潔的神奇功能，當水滴在表面滾動時會帶走表面的污染物和灰塵，達到自清潔的效果。荷葉葉面的自清潔功能被稱為“荷葉效應”。最早是由德國波恩大學植物學家BARTHLOTT[19]發(fā)現(xiàn)。荷葉的自清潔功能源于其表面蠟質材料疏水性和微觀粗糙結構的綜合作用。疏水性在動物界也是比較普遍的。WAGNER等[20]對97種昆蟲翅的微觀結構與潤濕性及其自清潔能力進行了研究，發(fā)現(xiàn)一些昆蟲的翅表面較強的疏水性使其具有自清潔能力。植物與動物體表的超疏水性為人們研究防水、防污材料提供仿生原型。國外已嘗試將仿生自清潔油漆用于建筑物外墻噴漆，通過雨水的沖洗建筑物即可干凈?？茖W家研究將仿生油漆用于汽車表面噴漆。仿生油漆的防水和自清潔作用將保持汽車干凈鮮艷。即使有灰塵落在汽車表面，通過水淋即可輕易將污漬帶走，光潔如新。同時如果這種疏水薄膜用于汽車玻璃，可大大降低汽車雨天行車危險性。

5結論

汽車，作為現(xiàn)代生活中必不可少的代步工具，節(jié)能環(huán)保、安全舒適是其必然發(fā)展趨勢。仿生技術在汽車設計制造中的應用加速汽車安全、環(huán)保、智能的發(fā)展步伐，為解決汽車發(fā)展過程中的技術難題提供仿生思路和指導。目前的汽車仿生技術還是形態(tài)、功能和材料等單個層面的獨立仿生應用。隨著仿生學的發(fā)展與完善，今后汽車仿生技術將實現(xiàn)形態(tài)、材料、功能、結構等不同方面耦合一體的綜合仿生研究，實現(xiàn)生物宏觀形態(tài)和微觀結構及功能為一體的多維仿生應用。

參考文獻:

【1】LU Y.Significance and Progress of Bionics[J].Journal of Bionics Engineering,2004,1(1):1-3.

【2】SARIKAYA M,GUNNISON K E,YASREBI M,et al.Seashells as a Natural Model to Study Laminated Composites[M].Lancaster Pemnsyl Vania:Tech Pub CoInc,1990：176-83.

【3】陳斌,彭向和,范鏡泓.生物自然復合材料的結構特征及仿生復合材料的研究[J].Acta Metallurgica Sinica(English letters),2000,17(3):59-62.

【4】任露泉,叢茜,陳秉聰,等.幾何非光滑典型生物體表防粘特性的研究[J].農業(yè)機械學報,1992,23(2):29-35.

【5】TONG J,REN L Q,CHEN B C.Geometrical Morphology,Chemical Constitution and Wettability of Body Surfaces of Soil Animals[J].Int Agr Eng J,1994,3(1/2):59-68.

【6】REN L Q,TIAN L M,LI J Q,et al.The Characteristic of Drag Reduction by Biomimetic Non-smooth Surface[J].Journal of Bionics Engineering,2007(4):109-116.

【7】鄧寶清,任露泉,陳慶海,等.仿生非光活塞缸套系統(tǒng)耐磨機理分析[C]//農業(yè)機械學會學術年會論文集,北京,2003.

【8】王國林,付晶.發(fā)動機進氣道三維數(shù)值模擬及仿生設計[J].重慶交通大學學報(自然科學版),2013,32(5)：1055-1058.

【9】隗海林,王海洲,倪偉新,等.仿生非光滑表面對車用柴油機螺旋進氣道流通特性的影響[J].吉林大學學報(工學版),2014,44(3)：668-674.

【10】宋起飛,劉勇兵,周宏,等.激光制備仿生耦合制動轂的摩擦磨損性能[J].吉林大學學報(工學版)，2007，37(5)：1069-1073.

【11】張志輝,任露泉,周宏,等.抗熱疲勞仿生耦合制動轂的激光加工參數(shù)[J].吉林大學學報(工學版)，2009,39(4):953-958.

【12】呂尤.網格型仿生表面形態(tài)汽車齒輪抗疲勞性能研究與數(shù)值模擬[D].長春：吉林大學，2012.

【13】李杰,莊繼德,魏東.沙漠仿生輪胎的靜態(tài)特性和動態(tài)特性研究[J].農業(yè)機械學報，2007,38(9)：30-33.

【14】李杰,莊繼德,魏東.沙漠用仿駝蹄橡膠輪胎的設計與試驗研究[J].農業(yè)工程學報,1999,15(2):32-36.

【15】伍宗富,陳日新,朱明旱.基于圖像識別的汽車智能防撞系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].機械與電子,2008(9):56-60.

【16】潘福全,符傳聰,魏慧娟,等.基于超聲波的汽車倒車防撞系統(tǒng)設計[J].機械工程與自動化,2010(2):145-147.

【17】WATERMAN T H.Animal Navigation[M].New York:Scientific American Books,1989.

【18】MARIE D,NANERIC N,CLARKe H S,et al.Animal Behavior：Insect Orientation to Polarized Moonlight[J].Nature,2003,424:33.

【19】BARTHLOTT W,NEINHUISC C.Purity of the Sacred Lotus,or Escape from Contamination in Biological Surfaces[J].Planta,1997,202(1):1-8.

【20】WAGNER T,NEINHUIS C,BARTHLOTT W.Wettability and Contaminability of Insect Wings as a Function of Their Surface Sculptures[J].Acta Zoologia(Stokholm),1996,77(3):213-225.

Application of the Bionics Technology in Automobile Engineering

WU Na1，MA Yunhai2

(1.Shandong Jiaotong Univercity，Jinan Shandong 250023,China；2.Jilin University, Changchun Jilin 130022,China)

Abstract:Bionics technology is application of bionics research in practical engineering. Through the study of the biological form, the unique microscopic mechanism and biological function, bionics technology provides bionic inspiration and biological reference prototype for the new technology research and application in automotive engineering. Four aspects of the automotive bionics technology were researched, including car styling，materials，resistance reduction and functions. The conclusions can provide guidance for the applications of bionics technology in automobile engineering in the future.

Keywords:Bionics；Vehicle engineering；Car styling；Automotive materials；Automotive resistance reduction

收稿日期：2015-08-31

作者簡介：吳娜(1977—)，女，博士，副教授，主要研究方向為機械仿生設計。E-mail:wuna1978@163.com。

中圖分類號:TH12

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)01-077-06