淺談仿生技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

傅彩虹

摘要：仿生設(shè)計(jì)正是一種創(chuàng)新型的設(shè)計(jì)理念，通過(guò)回歸自然的方式，進(jìn)行產(chǎn)品仿生創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這對(duì)追求個(gè)性化的現(xiàn)代社會(huì)具有重要意義。在工業(yè)化社會(huì)中，機(jī)電產(chǎn)品作為必不可少的元件、設(shè)備，將仿生技術(shù)應(yīng)用于機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)具有必要性和可行性。對(duì)此下文通過(guò)對(duì)仿生技術(shù)以及機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀入手，分析仿生技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用的重要意義，展開(kāi)仿生技術(shù)的應(yīng)用途徑分析，旨在能夠?yàn)闄C(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供新的活力。

關(guān)鍵詞：仿生技術(shù);機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì);意義;應(yīng)用渠道

0? 引言

在日常的生活和生產(chǎn)過(guò)程中，都離不開(kāi)機(jī)電產(chǎn)品，與此同時(shí)隨著社會(huì)發(fā)展的日新月異，市場(chǎng)需求的不斷變化，機(jī)電生產(chǎn)設(shè)計(jì)行業(yè)得到了迅猛發(fā)展，但是同時(shí)機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)所面臨著的挑戰(zhàn)增加，機(jī)電產(chǎn)品需要具有更高智能化、柔性化和個(gè)性化才行。傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品在性能、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)上無(wú)法滿足人們的這一需求，對(duì)此實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念的優(yōu)化創(chuàng)新，導(dǎo)入新的技術(shù)手段至關(guān)重要。

1? 仿生技術(shù)與機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析

1.1 仿生技術(shù)

仿生學(xué)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新的學(xué)科，是工程技術(shù)同生物科學(xué)相結(jié)合的交叉學(xué)科，仿生形態(tài)是常見(jiàn)的機(jī)能形態(tài)，其根據(jù)大自然中動(dòng)植物的特點(diǎn)，對(duì)于常見(jiàn)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能要素進(jìn)行重新模擬和設(shè)計(jì)。這種對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造必不可少的語(yǔ)言形態(tài)下所生產(chǎn)出來(lái)的產(chǎn)品就是仿生技術(shù)。利用仿生技術(shù)展開(kāi)產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)計(jì)其需要遵照兩個(gè)方面的原則。

第一，要求仿生技術(shù)要能夠把握住事物的正確的規(guī)律和本質(zhì)方法、方式。如，汽車設(shè)計(jì)中采用同鳥(niǎo)兒近似的外觀，就是參考模仿鳥(niǎo)的外形所具有的減少空氣阻力的功能作用;

第二，要求仿生設(shè)計(jì)人員具有豐富的生活實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，能夠從大自然中挖掘到各種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)理念。如，在老鷹能夠從高空中毫無(wú)障礙的看到地面上移動(dòng)的小動(dòng)物，這一生理特點(diǎn)可以應(yīng)用到攝影攝像領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。

1.2 新時(shí)期下機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)

機(jī)電產(chǎn)品是指使用機(jī)械、電器、電子設(shè)備所生產(chǎn)的各類農(nóng)具機(jī)械、電器等生產(chǎn)設(shè)備和生活用機(jī)具。機(jī)電產(chǎn)品作為工業(yè)社會(huì)中不可或缺的元件，隨著人類社會(huì)的發(fā)展，機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)上面臨著資源、環(huán)境、創(chuàng)新這三座大山，當(dāng)前只有促進(jìn)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，尋求更加科學(xué)的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)策略，才能夠更好地發(fā)揮機(jī)電產(chǎn)品社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。才能夠確保機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)成為人類共同的價(jià)值取向，對(duì)此新的形勢(shì)下，要求機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)要具有更加豐富的性能。

第一，機(jī)電產(chǎn)品的形式設(shè)計(jì)要求具有較高性價(jià)比。

市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制下，機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)不僅僅需要擁有較高的創(chuàng)新性，其還需要在滿足技術(shù)條件的同時(shí)擁有較高的經(jīng)濟(jì)效益。

第二，機(jī)電產(chǎn)品的形象設(shè)計(jì)要求具有創(chuàng)新性。

隨著機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)行業(yè)的迅猛發(fā)展，行業(yè)內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)越發(fā)激烈，只有提供創(chuàng)新性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)概念，主張形成不同的產(chǎn)品形象和產(chǎn)品特征，才能夠確保產(chǎn)機(jī)電產(chǎn)品市場(chǎng)形成積極的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，為機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)發(fā)展提供動(dòng)力。

第三，機(jī)電產(chǎn)品的需求層面要求實(shí)現(xiàn)多元化驅(qū)動(dòng)發(fā)展。

傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品需求層次的產(chǎn)品設(shè)計(jì)主要是資源能源驅(qū)動(dòng)，當(dāng)前需要能夠?qū)爰夹g(shù)驅(qū)動(dòng)、設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)等新的設(shè)計(jì)理念，不斷地推出新的產(chǎn)品，滿足用戶的需求。

第四，機(jī)電產(chǎn)品的體驗(yàn)層面要求實(shí)現(xiàn)人性化發(fā)展。

機(jī)電產(chǎn)品是應(yīng)用于各種機(jī)械、電子電器設(shè)備中的元件零件產(chǎn)品。隨著人本理念的發(fā)展，當(dāng)今要求機(jī)電產(chǎn)品能夠給予消費(fèi)者、使用者更多的人性化的體驗(yàn)。如，在汽車的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，需要能夠符合互動(dòng)參與性的特點(diǎn)，通過(guò)機(jī)電產(chǎn)品來(lái)提升整個(gè)汽車設(shè)計(jì)的人性化，柔性化等特點(diǎn)，提高汽車的市場(chǎng)消費(fèi)能力。

總之，機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)作為一個(gè)系統(tǒng)性的行業(yè)，按照機(jī)電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為整體和局部?jī)蓚€(gè)部分，因此仿生技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也可以分為微觀應(yīng)用和宏觀應(yīng)用。

2? 仿生技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 微觀仿生技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

微觀仿生主要是指通過(guò)借鑒動(dòng)植物的微觀結(jié)構(gòu)形態(tài)展開(kāi)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)。

第一，功能機(jī)理的仿生設(shè)計(jì)。功能機(jī)理是指自然界中的動(dòng)植物體所具有的獨(dú)特的功能機(jī)理。當(dāng)前對(duì)于自然界中的動(dòng)植物特有的功能的挖掘，基于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)技術(shù)和設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品的仿生設(shè)計(jì)。例如變色龍所具有的變色的功能特點(diǎn)，對(duì)于當(dāng)代機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有巨大的參考價(jià)值，設(shè)計(jì)中可以導(dǎo)入變色龍所具有的變色的功能特點(diǎn)，由此設(shè)計(jì)出能夠根據(jù)周邊環(huán)境溫度變化而變化的機(jī)電產(chǎn)品，由此大大提升機(jī)電產(chǎn)品的使用范圍。

如，將動(dòng)植物隨著環(huán)境變化而變化的性能應(yīng)用到機(jī)電產(chǎn)品中，有的機(jī)電產(chǎn)品在環(huán)境溫度異常的情況下，可以實(shí)現(xiàn)變色，從而起到故障排查的效果。

第二，材料的仿生設(shè)計(jì)。材料是機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)所在，機(jī)電產(chǎn)品的各種性能都是基于相應(yīng)的材料所實(shí)現(xiàn)的。隨著機(jī)電產(chǎn)品行業(yè)的發(fā)展，當(dāng)前要求應(yīng)用具有強(qiáng)度高、韌性好和實(shí)用性強(qiáng)的新型材料，由此提高機(jī)電產(chǎn)品的性能作用。對(duì)此可以借助仿生設(shè)計(jì)理念，從動(dòng)植物身上挖掘到新型的材料。例如，荷葉上的水不會(huì)進(jìn)入到荷葉的肌理中，這是因?yàn)楹扇~具有疏水性。而科研人員經(jīng)過(guò)科學(xué)分析，發(fā)現(xiàn)荷葉之所以擁有疏水性能，是因?yàn)楹扇~表面上具有納米結(jié)構(gòu)。根據(jù)納米結(jié)構(gòu)這一仿生形態(tài)特點(diǎn)，材料科學(xué)家們由此開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出新型的納米疏水材料，廣泛地應(yīng)用到機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)計(jì)中。

另外，仿生技術(shù)還為新型材料理念產(chǎn)生、生產(chǎn)提供創(chuàng)新源泉。在上世紀(jì)末所出現(xiàn)的一些合型智能材料，通常都是由兩種或是兩種以上的材料按照一定的工藝技術(shù)合成的。而這些復(fù)合材料的理念、材料的結(jié)構(gòu)性能以及各種機(jī)械物理性能都是基于仿生設(shè)計(jì)理念所展開(kāi)的。例如，具有高比剛度、比強(qiáng)度的多孔金屬材料就是從動(dòng)物骨骼結(jié)構(gòu)中仿生設(shè)計(jì)出來(lái)的?？梢哉f(shuō)，正是仿生技術(shù)的應(yīng)用，才使得機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)所采用的材料的性能越來(lái)越豐富，從而才能夠設(shè)計(jì)出更加美觀、耐用、性價(jià)比較高的機(jī)電產(chǎn)品。

第三，柔性形態(tài)的仿生設(shè)計(jì)。動(dòng)植物具有柔性化的特點(diǎn)，其能夠?qū)ψ匀画h(huán)境發(fā)揮其自我調(diào)節(jié)的作用，從而感知、決策、指令和反饋?zhàn)陨淼墓δ芷鞴俳Y(jié)構(gòu)，使得自身更好地在生態(tài)系統(tǒng)中生存。這是一種柔性生物特征。機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的根本目標(biāo)也是為人類的生產(chǎn)生活提供更加柔性化、智能化的幫助。因此提升機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的柔性仿生設(shè)計(jì)具有可行性。

例如，根據(jù)土壤動(dòng)物柔性非光滑體表的防粘性特性提供仿生信息，從而設(shè)計(jì)出能夠廣泛應(yīng)用于粘濕物料的挖掘、生產(chǎn)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)中的機(jī)電產(chǎn)品，提高機(jī)電產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。還可以將這一減粘脫附柔性化特點(diǎn)應(yīng)用到機(jī)械制造加工中，基于此來(lái)研究數(shù)控機(jī)床切削加工的曲面粘附問(wèn)題。

2.2 宏觀仿生技術(shù)在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用分析

宏觀仿生技術(shù)主要是指對(duì)于自然的動(dòng)植物的外形、外在結(jié)構(gòu)形態(tài)等的仿生學(xué)應(yīng)用。對(duì)于機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言，優(yōu)良的外形結(jié)構(gòu)能夠提高機(jī)電產(chǎn)品的加工制造工藝效率，提高對(duì)原材料的節(jié)約應(yīng)用。

第一，宏觀外形結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)。自然屆中的動(dòng)植物所具有的獨(dú)特的外部結(jié)構(gòu)，是動(dòng)植物經(jīng)過(guò)進(jìn)化所形成的成熟的生存特點(diǎn)。當(dāng)前在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用仿生技術(shù)展開(kāi)外形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，不僅僅可以達(dá)到吸引外界注意力的效果，推動(dòng)機(jī)電產(chǎn)品的市場(chǎng)需求發(fā)展，其更可以優(yōu)化機(jī)電產(chǎn)品的性能作用。最經(jīng)典的外形結(jié)構(gòu)的仿生設(shè)計(jì)理念應(yīng)用就是對(duì)于蜜蜂蜂巢結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。例如，蜜蜂蜂巢所具有的六邊形結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度較高，質(zhì)量較強(qiáng)、穩(wěn)定性較強(qiáng)，在汽車的車輪設(shè)計(jì)中，正是借助這種六邊形的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、防御性強(qiáng)和減震能力好的輪胎。

例如，汽車魚(yú)型車的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)正是通過(guò)仿生魚(yú)在高速游行中較低水渦流產(chǎn)生的外形特點(diǎn)，通過(guò)改善傳統(tǒng)船型車子外部形狀，從而減少汽車高速運(yùn)行中的空氣渦流的產(chǎn)生，提高汽車的運(yùn)行速度。還有借助啄木鳥(niǎo)頭部結(jié)構(gòu)中所具有的外形抗震性強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出新型的頭盔產(chǎn)品。

第二，形態(tài)概念的仿生設(shè)計(jì)。自然中的生物體的形態(tài)呈現(xiàn)出各異發(fā)展，蝴蝶需要?dú)v經(jīng)蟲(chóng)子形態(tài)、繭形態(tài)等。生物不同的生物形態(tài)特點(diǎn)，在機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也具有仿生設(shè)計(jì)的應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前可以將生物形態(tài)的仿生設(shè)計(jì)應(yīng)用分為具象的表現(xiàn)形式和抽象的表現(xiàn)形式兩種。前者主要是將生物的形態(tài)“寫實(shí)”地應(yīng)用到機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域中。例如，在汽車外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，1933年德國(guó)所稱生產(chǎn)出來(lái)的甲殼蟲(chóng)汽車，充分地發(fā)揮甲殼蟲(chóng)外形的特點(diǎn)，將甲殼蟲(chóng)外形所具有的動(dòng)態(tài)、精致等特點(diǎn)應(yīng)用到汽車設(shè)計(jì)中，從而使的甲殼蟲(chóng)汽車成為汽車造型中的經(jīng)典之作。而后者抽象形態(tài)的仿生設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)形態(tài)仿生的神似設(shè)計(jì)，在這一過(guò)程中，通過(guò)整合其他的設(shè)計(jì)理念，不斷地調(diào)整機(jī)電產(chǎn)品的形態(tài)、性能等，做到產(chǎn)品的形神俱備設(shè)計(jì)。

3? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，自然社會(huì)中所擁有的生物自有自己的一套功能形態(tài)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其所擁有的奇妙結(jié)構(gòu)讓設(shè)計(jì)者受益匪淺。對(duì)于機(jī)電產(chǎn)品制造加工行業(yè)而言，在節(jié)能減排理念下，更要求能夠從設(shè)計(jì)領(lǐng)域入手，提高機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)良性、綠色環(huán)保性，對(duì)此設(shè)計(jì)人員要能夠從仿生學(xué)入手，借助仿生技術(shù)展開(kāi)對(duì)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)的創(chuàng)新，推動(dòng)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)入到新的階段?，F(xiàn)如今仿生技術(shù)在設(shè)計(jì)行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用空間，對(duì)于機(jī)電產(chǎn)品而言，仿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的微觀功能、材料等方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的優(yōu)良性的同時(shí)，仿生技術(shù)還在機(jī)電產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)外形方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)化應(yīng)用，改變機(jī)電產(chǎn)品的外部特點(diǎn)。在未來(lái)的發(fā)現(xiàn)中，還要求能夠不斷地借助仿生學(xué)形態(tài)語(yǔ)言，不斷地從自然界中汲取創(chuàng)新創(chuàng)意點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電產(chǎn)品的優(yōu)化升級(jí)設(shè)計(jì)。

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