仿生學在機械產(chǎn)品中的應用技術(shù)

郭寒松

【摘 要】為了構(gòu)建人與自然的和諧關(guān)系，當今社會必須要解決的首要難題，就是經(jīng)濟高速發(fā)展與能源極度消耗的矛盾。新的歷史時期，人們更加重視仿生機械產(chǎn)品，以期提升其在能耗、控制、功能等方面的競爭力，在更廣闊的層面發(fā)展機械仿生設計。本文首先對產(chǎn)品仿生學設計概念進行了簡要介紹，并著重從四個方面，對于仿生學在產(chǎn)品機械設計中的應用進行了分析和探討。

【關(guān)鍵詞】產(chǎn)品機械設計;仿生學;概念;運用

產(chǎn)品設計是一門綜合的學科門類，涵蓋了物理、數(shù)學和工業(yè)設計等。它要求設計師能深入了解文化藝術(shù)和工業(yè)技術(shù)，并綜合運用各類學科的美學設計思想。為了滿足市場需求，在產(chǎn)品設計過程中，通過綜合分析，而不斷優(yōu)化產(chǎn)品的功能、材料、結(jié)構(gòu)和外形等。而作為人類學習和模仿大自然的重要方式，與大自然和諧共存的新型設計理念，在產(chǎn)品設計中應用仿生設計，能打造更多優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，并更好的為人類服務。通過遵循仿生學設計理念，在產(chǎn)品設計思路中，融合自然界生物體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、材料和功能等各類要素，既可以對用戶需求給于滿足，同時還能實現(xiàn)藝術(shù)品味的提高。隨著不斷更新的機械設計方法，開始向機械領(lǐng)域不斷拓展其他領(lǐng)域的新技術(shù)和新理念。本文將對仿生學在產(chǎn)品機械設計中的應用進行著重分析。

1.產(chǎn)品機械仿生設計概念

機械仿生設計是指與仿生設計的理念和方式相結(jié)合，通過發(fā)散性思維和現(xiàn)有工程技術(shù)的有效運用，設計結(jié)構(gòu)材料和機械產(chǎn)品，并凸顯創(chuàng)新性。產(chǎn)品機械仿生設計是在創(chuàng)新過去機械設計方法的基礎上，所誕生的一種新型的設計方法。信息化時代的到來，隨著迅猛發(fā)展的計算機技術(shù)，也不斷升級和更新了機械社會的方法和手段，并開始不斷向機械設計領(lǐng)域滲透和移植各種新技術(shù)和新理念。而仿生學的發(fā)展，使機械設計的外延空間更加廣闊，并圓滿的解決了一些生物界的難題。

2.仿生學在機械產(chǎn)品中的具體應用

2.1機械結(jié)構(gòu)仿生設計

作為機械仿生設計的重要組成，在機械結(jié)構(gòu)仿生設計中，應對自然界生物體的結(jié)構(gòu)形式與相應功能原理充分理解，通過仿生設計其功能和結(jié)構(gòu)，以更好的服務人類。經(jīng)過歲月的不斷進化和洗禮，自然界的生物已經(jīng)擁有了各種功能形態(tài)和結(jié)構(gòu)形式。而作為機械仿生設計的源泉，這些結(jié)構(gòu)形式和功能形態(tài)能為人類提供更多的借鑒和參考。以蜂巢的結(jié)構(gòu)為例，通過綜合分析這種力學結(jié)構(gòu)，既能將材料的使用減少，同時還能提高結(jié)構(gòu)的效能。而在特種飛行器件的結(jié)構(gòu)設計中應用該結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在實踐中證實了該功效。再比如，花炮架構(gòu)和復合紙板已經(jīng)在包裝中廣泛運用。通過這種機械結(jié)構(gòu)的設計，既可以減輕材料的使用和重量，也能對軸向抗壓強度給于滿足，同時還能對噪音進行吸收。

2.2機械運動機構(gòu)仿生設計

作為機械仿生設計的重要組成，運動機構(gòu)仿生設計是通過對動植物運動原理和特點充分了解的基礎上，全面模仿運動的各個細節(jié)以及基本結(jié)構(gòu)、運動的控制方式、運動功能。目前，在路面機械設計和現(xiàn)代機器人仿生設計這兩個領(lǐng)域，開始廣泛運用機構(gòu)仿生設計，并取得了顯著的成效。伴隨著迅猛發(fā)展的工程技術(shù)，在人類的日常生活和教育等方向，已逐漸普及使用機器人。例如，多功能仿生手指的設計比較接近自然界生物體的肌肉。在路面機械方面，通過“半浮式理論”的運用，對于新型步行輪機構(gòu)進行獨創(chuàng)性的設計，并在松軟土地等軟性地基工程中廣泛運用。而利用這一仿生設計的原理，還對一些運動阻力小、驅(qū)動力大的新型機構(gòu)給予科學的指導。

2.3機械材料仿生設計

主要是通過對生物組織的結(jié)構(gòu)、構(gòu)成原理和材料的聯(lián)系的研究，掌握材料特性，對材料的加工、制造和設計給于有效的指導，由此對機械的性能需求給于最大化的滿足?，F(xiàn)代新型復合材料研究的藍本，就是生物復合材料的結(jié)構(gòu)、原理等。而通過研究和分析天然生物材料的表面功能、形成原理，而制造出特種工程材料，擁有了仿生特性。

它將現(xiàn)有的金屬材料與高分子材料代替，并對產(chǎn)品機械使用性能進行了有效的改善。

2.4機械運動控制仿生設計

在產(chǎn)品機械設計領(lǐng)域，現(xiàn)代機械系統(tǒng)整體運行性能的重要保障，就是機電液一體化及機械人工智能控制。而現(xiàn)代仿生設計中的一個關(guān)鍵研究點，就是智能控制仿生設計，其發(fā)展推動了仿生機器人領(lǐng)域的進步。過去的一段時間里，人們非常青睞針對各種形態(tài)的動植物的工農(nóng)業(yè)機器。隨著科技的進步，在歐美等發(fā)達國家，也不斷提升了對仿生機器人的性能要求。這樣不單單能對路面識別、行走定位給于滿足，還能對目標形態(tài)進行準確識別，并對自身位置進行智能糾正和控制。

通過記憶作業(yè)，以實現(xiàn)智能的最大化。

3.產(chǎn)品機械仿生設計發(fā)展前景

作為為一種新型的設計方法，機械仿生設計與傳統(tǒng)的產(chǎn)品機械設計方法相比較，綜合了個門學科，并由此形成了更深遠的產(chǎn)品設計理念。隨著不斷發(fā)展的科學技術(shù)，還需要對產(chǎn)品機械仿生設計的系統(tǒng)理論進一步研究與總結(jié)。并且與計算機發(fā)展技術(shù)有效結(jié)合，進行仿生的輔助設計，由此推動了機械控制系統(tǒng)和仿生設計集成方面的進步和發(fā)展。而作為未來產(chǎn)品設計的一個方向，產(chǎn)品機械仿生設計是產(chǎn)品機械設計理念的一次跨越性的進步，與未來科技發(fā)展趨勢相符，并為產(chǎn)品設計的多元化發(fā)展提供了更加廣闊的空間。

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（作者單位：長江大學工程技術(shù)學院）