仿生設(shè)計在張拉整體結(jié)構(gòu)仿生水母推進(jìn)器中的應(yīng)用

張澤　孫建偉　孫金榮

關(guān)鍵詞：仿生設(shè)計;張拉整體結(jié)構(gòu);仿生水母;推進(jìn)器

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2022）02-0115-02

近年來，伴隨著智能機(jī)器人與仿生學(xué)的迅猛發(fā)展，仿生機(jī)器人逐漸受到各類研究人員的關(guān)注。仿生設(shè)計在一定程度上推動了設(shè)計工作的前進(jìn)，在輪船、飛機(jī)和火車等設(shè)計當(dāng)中均有一定的體現(xiàn)。國內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)研究單位對仿生設(shè)計進(jìn)行了大量的研究，邵景峰在《仿生設(shè)計在汽車造型設(shè)計中應(yīng)用的研究》一文中圍繞汽車造型設(shè)計領(lǐng)域引入仿生設(shè)計，并通過實(shí)際案例分析了該方法的可行性與意義;張世梁在《基于蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的傘狀可展機(jī)構(gòu)設(shè)計與分析》一文中以仿生設(shè)計理論為基礎(chǔ)，對蜘蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)的單元結(jié)構(gòu)與形態(tài)特征進(jìn)行提取，提煉出簡化蜘蛛網(wǎng)機(jī)構(gòu)的模型;李瑞在《基于仿生家居產(chǎn)品的設(shè)計方法研究》一文中以仿生家居產(chǎn)品為研究對象，將仿生設(shè)計融入家居產(chǎn)品設(shè)計的過程當(dāng)中;羅仕鑒等人在《產(chǎn)品外形仿生設(shè)計研究現(xiàn)狀與進(jìn)展》一文中提出“自下而上”與“自上而下”的設(shè)計過程，并對產(chǎn)品仿生設(shè)計的相關(guān)方法進(jìn)行總結(jié)歸納;陸冀寧等人在《3種不同的高速列車頭車造型仿生設(shè)計》一文中對不同類型的列車頭型仿生設(shè)計進(jìn)行分析，探究產(chǎn)品性能與功能受仿生設(shè)計方式的影響;王鵬在《仿生機(jī)器水母推進(jìn)理論與實(shí)驗(yàn)研究》一文中以動力學(xué)和仿生學(xué)理論為基礎(chǔ)，對仿生機(jī)器水母的樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計。從上述文獻(xiàn)可知，對于仿生設(shè)計來說，其關(guān)鍵點(diǎn)就是將大自然中的生物系統(tǒng)、功能、結(jié)構(gòu)、外形等進(jìn)行模擬建造（如圖1），從而完成產(chǎn)品的設(shè)計工作。文章以仿生設(shè)計理論為基礎(chǔ)，分析其在張拉整體機(jī)構(gòu)仿生水母推進(jìn)器設(shè)計過程中的應(yīng)用，以期為今后同領(lǐng)域設(shè)計起到指導(dǎo)性作用。

1仿生設(shè)計概述

仿生設(shè)計本質(zhì)上是仿生學(xué)的某一分支，其主要的研究對象為自然界中的萬物的形狀、色彩、功能和結(jié)構(gòu)等，并將研究對象的特征進(jìn)行總結(jié)歸納，應(yīng)用于設(shè)計產(chǎn)品的造型、結(jié)構(gòu)和功能的設(shè)計當(dāng)中，為產(chǎn)品設(shè)計提供新的途徑、方法及原理。仿生設(shè)計的主要內(nèi)容包括形態(tài)仿生、功能仿生和結(jié)構(gòu)仿生，其中重點(diǎn)為功能仿生和形態(tài)仿生。形態(tài)仿生主要是對生物外部所呈現(xiàn)的形態(tài)和象征寓意進(jìn)行研究歸納，并且利用藝術(shù)處理手段將歸納的內(nèi)容應(yīng)用在相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中;功能仿生主要對生物內(nèi)部所具備的功能原理進(jìn)行研究歸納，并通過歸納的原理對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行提升改進(jìn)，在一定程度上促進(jìn)產(chǎn)品迭代;結(jié)構(gòu)仿生主要對生物內(nèi)部的結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行研究歸納，并應(yīng)用于實(shí)際設(shè)計過程中。

2仿生設(shè)計在水母推進(jìn)器中的應(yīng)用意義

目前針對水母的研究多數(shù)聚焦于自身結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化，并沒有對水母水下運(yùn)動特征所呈現(xiàn)的推進(jìn)力及其宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)注。隨著人工智能的空前發(fā)展，水下仿真機(jī)器人受到越來越多專家學(xué)者的關(guān)注。利用研究、學(xué)習(xí)和模仿的仿生設(shè)計方法來對生物的形態(tài)、功能、結(jié)構(gòu)、控制機(jī)制和工作原理等進(jìn)行再造與復(fù)制，已經(jīng)成為水機(jī)器人研究的重要內(nèi)容。仿生水母作為機(jī)器人技術(shù)與水母推進(jìn)機(jī)理相融合的產(chǎn)物，為新型水下航行器的研制開辟了新的思路，具有十分可觀的應(yīng)用前景和研究價值，可以在危險和狹窄的水下進(jìn)行水下設(shè)備檢修、水質(zhì)監(jiān)測、海洋生物觀察、軍事偵察、水下考古和水下救撈等工作。

3仿生設(shè)計在張拉整體結(jié)構(gòu)仿生水母推進(jìn)器中的應(yīng)用思路

3.1形態(tài)仿生設(shè)計在張拉整體結(jié)構(gòu)推進(jìn)器中的應(yīng)用

因?yàn)槿祟愂谴笞匀恢凶顬橹匾囊粋€組成部分，所以說既然人類接受來自于大自然的饋贈，那么就需要承擔(dān)起相應(yīng)的責(zé)任，要實(shí)現(xiàn)與眾多生靈之間的和諧共處。不過大家都知道，在人類社會發(fā)展的過程中，人們利用各種物品在不斷地破壞自然環(huán)境，這也是人們需要注意的一個方面。另外在人類生活的過程中還需要仔細(xì)的觀察周邊生物的特征，借助智慧和科技來設(shè)計出更加符合人們生活需求的工具，也只有這樣才能夠保證人類的生存和發(fā)展。如果將差異化生物所呈現(xiàn)出的狀態(tài)應(yīng)用于仿生水母推進(jìn)器的整體設(shè)計進(jìn)程當(dāng)中，必定會為使用者帶來不一樣的體驗(yàn)，使其能夠充分感受到差異化生物的形態(tài)特征。仿生水母推進(jìn)器在設(shè)計和制造的過程中，以消費(fèi)者與環(huán)境需求為出發(fā)點(diǎn)，從選取的水母設(shè)計形象當(dāng)中提煉出優(yōu)質(zhì)的推進(jìn)器設(shè)計素材，即相關(guān)的局部輪廓、團(tuán)體和個體特點(diǎn)素材等。在原本水母所呈現(xiàn)的狀態(tài)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合歸納總結(jié)和變形制作，最終將水母自身的形態(tài)特點(diǎn)凸顯出來，進(jìn)而完成整體推進(jìn)器的設(shè)計。

3.2功能仿生設(shè)計在張拉整體結(jié)構(gòu)推進(jìn)器中的應(yīng)用

對自然界當(dāng)中生物的構(gòu)成功能進(jìn)行模仿，即功能仿生設(shè)計。經(jīng)過大量研究可知，水母內(nèi)腔的收擴(kuò)狀態(tài)在一定程度上受到其前端延伸到散體后端部分的肌肉肌肉纖維影響。水流在水母內(nèi)腔擴(kuò)張狀態(tài)下緩慢的流入，進(jìn)而逐漸積累，直至將內(nèi)腔充滿。與此同時，內(nèi)腔迅速收縮，將沖進(jìn)來的水?dāng)D壓至內(nèi)腔外部，在擠出水的同時產(chǎn)生一定的推力，從而致使水母本身在推力的作用下運(yùn)行起來。水母表面相對光滑，且本身呈現(xiàn)橢圓形狀，故在水中向上運(yùn)動的過程中能夠減小一定程度的阻力。由此可知，只有對水母運(yùn)動時的阻力和推進(jìn)力進(jìn)行綜合考慮，才能得到水母最佳的運(yùn)動效率和運(yùn)動速率，進(jìn)一步提升水母水中的推進(jìn)效果。因水母外觀呈鐘狀體，故其在前行時會遭受巨大的阻力，但其內(nèi)腔能夠極快的收縮，致使鐘狀體整體投影的范圍得到縮減，從而減小推進(jìn)阻力。另外，盡量將水母前期頭部設(shè)計成流線外形，這樣也可以在一定程度上縮小推進(jìn)阻力。

3.3結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計在張拉整體結(jié)構(gòu)推進(jìn)器中的應(yīng)用

針對各種生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究，能夠有效地歸納出其科學(xué)理論，并且在這一基礎(chǔ)上進(jìn)行差異化的產(chǎn)品設(shè)計，希望能夠借此來實(shí)現(xiàn)各種產(chǎn)品以及生物之間的配合，而這種理念就是結(jié)構(gòu)仿生。對水母作用機(jī)理和運(yùn)動機(jī)理進(jìn)行探究，得到水母骨骼生物系統(tǒng)和張拉整體結(jié)構(gòu)——映射的關(guān)系，張拉整體結(jié)構(gòu)通過相似性原理融入水母的運(yùn)動當(dāng)中，從而使張拉可展機(jī)構(gòu)推進(jìn)功能得到實(shí)現(xiàn)。張拉可展示機(jī)構(gòu)基于自身工作形式的不斷轉(zhuǎn)變，并借助驅(qū)動裝置所制造出來的驅(qū)動力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)收縮與舒張功能。張拉可展機(jī)構(gòu)在工作狀態(tài)下，保持鋼化模式，呈現(xiàn)展開形態(tài)，在一定程度上提升了整體的穩(wěn)定性和可靠性，能夠使不同形態(tài)下的承載作用得到充分發(fā)揮。因水母為軟體動物，故在實(shí)際過程中僅能對水母的推進(jìn)方式進(jìn)行模擬，利用4個外撥片進(jìn)行上下擺動來模擬其水下運(yùn)動，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，僅需半運(yùn)動就能實(shí)現(xiàn)水下仿生機(jī)器人的移動。外撥片在開張張開狀態(tài)時需要借助外力將運(yùn)動副拉起，拉桿基于張拉可展機(jī)構(gòu)特性會拉至最大，此時卸掉外力便能夠?qū)崿F(xiàn)自由張拉可展運(yùn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)水下推動。仿生水母水下推進(jìn)器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4結(jié)語

伴隨著仿生學(xué)設(shè)計學(xué)科的快速發(fā)展，仿生設(shè)計被廣泛的運(yùn)用在建筑設(shè)計、工程設(shè)計、機(jī)械設(shè)計等領(lǐng)域中，并且逐漸的發(fā)展成為了熱門產(chǎn)業(yè)，仿生水母推進(jìn)器也向著多元化、個性化的層面上發(fā)展。文章深入研究了仿生設(shè)計理論、方式以及造型等方面的問題，充分的闡述了其設(shè)計流程和運(yùn)行原理，掌握在設(shè)計中的重點(diǎn)，這樣也為仿生水母推進(jìn)器的創(chuàng)造設(shè)計提供了新的靈感，這樣不單單能夠有效地增加推進(jìn)器的外形美感，還能夠完善其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，滿足科學(xué)探究的要求，發(fā)揮出推進(jìn)器的重要作用，實(shí)現(xiàn)張拉運(yùn)動的自由伸展。同時保障了水下推動力，降低了能源的消耗，從而維護(hù)海洋的良好生態(tài)環(huán)境，完全符合綠色設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，還能為未來水下和軍事探測帶來更多的幫助。

3058500338241