淺議仿生學(xué)原理在機械設計領(lǐng)域中的應用論文
摘要：自然界中的生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然進(jìn)化，有很多具備了美妙的形態(tài)、巧妙的結構和神奇的功能，這為人們解決產(chǎn)品設計工作難題提供了新思路。仿生學(xué)是交叉學(xué)科，本文通過(guò)大量實(shí)例，介紹了形態(tài)仿生、功能仿生、結構材料仿生領(lǐng)域的相關(guān)進(jìn)展。自然神奇、創(chuàng )意無(wú)限、神奇的大自然中仍然有無(wú)窮的秘密等著(zhù)我們去探索，認識自然、模仿自然、超越自然是仿生設計的三重境界。
關(guān)鍵詞：仿生學(xué)；產(chǎn)品設計；仿生設計
中圖分類(lèi)號：J524文獻標識碼：A
自然界中的生物經(jīng)過(guò)億萬(wàn)年的自然進(jìn)化，有很多具備了美妙的形態(tài)、巧妙的結構和神奇的功能，這為人們解決產(chǎn)品設計工作難題提供了新思路。研究、學(xué)習、借鑒自然界中生物體的神奇特性，并把它們應用于產(chǎn)品設計中，改進(jìn)產(chǎn)品的功能和形態(tài)，這已成為國內外的研究熱點(diǎn)。仿生學(xué)的研究成果被廣泛用于軍事、醫學(xué)、制造、航空等方面，與人類(lèi)的生產(chǎn)、生活、未來(lái)發(fā)展有著(zhù)密切關(guān)系。
1.仿生學(xué)概述
仿生學(xué)的標志是一個(gè)巨大的積分符號，把解剖刀和電烙鐵積分在一起。這個(gè)標志的含義不僅顯示出仿生學(xué)的組成，而且也指出了仿生學(xué)的研究途徑。仿生學(xué)作為一門(mén)獨立學(xué)科，1960年9月誕生于美國。仿生學(xué)主要研究自然界中神奇的生物，研究其獨特能力和原理，并進(jìn)行科學(xué)模擬試驗，然后將得出的結論運用到產(chǎn)品設計和制造中去。仿生學(xué)是交叉學(xué)科，按研究領(lǐng)域可以大致分為形態(tài)仿生、功能仿生、結構材料仿生等等。
2.形態(tài)仿生
澳大利亞悉尼歌劇院是一座典型的仿生學(xué)建筑，如圖1所示，貝殼形屋頂就是最大亮點(diǎn)。歌劇院的主體結構新穎，由3組殼片組成。1959年悉尼歌劇院開(kāi)工，如何建造這些巨大的異形混凝土殼體，這是施工單位遇到的最大困難。1973年竣工后，立即成為悉尼市地標性建筑。2007年6月被聯(lián)合國教科文組織評為世界文化遺產(chǎn)。
“鳥(niǎo)巢”是2008年北京奧運會(huì )主體育場(chǎng)，由中外著(zhù)名的建筑設計師合作設計，外觀(guān)如圖2所示，建筑結構特別新穎，立面與結構的組件相互支撐，形成了網(wǎng)絡(luò )狀的構架，就像樹(shù)枝編織的鳥(niǎo)巢，非常生動(dòng)。
3.功能仿生
自然生物經(jīng)過(guò)長(cháng)期進(jìn)化，不僅完全適應了自然，而且其進(jìn)化程度接近完美，有一些已超越了人類(lèi)現有的科技成果。正因為如此，人們才會(huì )由衷地感嘆大自然造物的鬼斧神工，而研究和借鑒它們的優(yōu)異結構和奇妙的功能，已經(jīng)成為技術(shù)革新的新方向。
雷達的發(fā)明靈感來(lái)源于蝙蝠。蝙蝠能在黑夜里捕捉昆蟲(chóng)，從來(lái)不會(huì )撞上障礙物，這引起了科學(xué)家們的好奇心。經(jīng)過(guò)大量研究，科學(xué)家發(fā)現其中的奧秘，蝙蝠在飛行中發(fā)出超聲波，并能及時(shí)感知該超聲波遇到障礙反射的回波，所以它們能成功避開(kāi)飛行中的障礙物。雷達的發(fā)明受此啟發(fā)，雷達發(fā)出的是一種頻率更高，能量更大的電磁波。飛機裝上雷達，飛行員如同有了千里眼，可以穿透黑夜和云霧，感知眼睛看不到的遙遠目標。
昆蟲(chóng)復眼結構獨特、功能優(yōu)異，是重要的仿生對象。復眼結構雖然簡(jiǎn)單，但是視場(chǎng)大，對運動(dòng)物體的感應十分靈敏。人眼和普通相機都是使用單個(gè)透鏡聚焦光線(xiàn)，這種排列能夠制造高分辨率圖像；而復眼是天然的多孔徑光學(xué)成像系統，可以產(chǎn)生全景視角，呈現顯著(zhù)的深度感官�？茖W(xué)家受到昆蟲(chóng)復眼結構的啟發(fā)，成功設計了復眼照相機，半球狀相機排列著(zhù)180個(gè)顯微透鏡，視野達到了160度，能夠同時(shí)聚焦物體的不同深度。復眼照相機在微型廣角監視設備、內視鏡等監視技術(shù)領(lǐng)域有應用前景。
4.結構和材料仿生
隨著(zhù)仿生學(xué)的深入開(kāi)展，人們不但從外形、功能去模仿生物，而且從生物奇特的結構中得到啟發(fā)。鯊魚(yú)皮泳衣就是國際游泳界的神話(huà)�？茖W(xué)研究表明，鯊魚(yú)皮膚粗糙的V形皺褶能夠降低水流阻力，鯊魚(yú)皮泳衣的超伸展纖維表面模仿了鯊魚(yú)皮膚。根據這種特殊構造生產(chǎn)的泳衣富有彈性，另外還在接縫處模仿人類(lèi)的肌腱，為運動(dòng)員向后劃水時(shí)提供額外動(dòng)力。
蜜蜂蜂巢由一個(gè)個(gè)排列整齊的六棱柱形小蜂房組成，每個(gè)小蜂房的底部由3個(gè)相同的菱形組成，蜜蜂為什么要弄這么復雜的結構呢？這引起了科學(xué)家的關(guān)注�？茖W(xué)研究發(fā)現了其中的秘密，蜂巢中菱形的鈍角和銳角大小竟然完全符合數學(xué)原理，即如何使用最少的材料制造出結實(shí)耐用的大房子的要求。蜜蜂筑蜂巢使用了最少的蜂蠟，就能做到蜂巢內部空間最大，結構穩定性最好，真是令人驚嘆。
芳綸蜂窩是一種模仿自然界蜜蜂蜂巢結構、經(jīng)由樹(shù)脂浸漬的芳綸纖維紙制成的非金屬復合材料，圖3是芳綸蜂窩結構圖，具有重量輕、強度高、抗沖擊、耐腐蝕、隔音隔熱，阻燃性能好、便于大面積整體成型等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為飛機的“瘦身專(zhuān)家”。目前，美國波音公司和歐洲空中客車(chē)公司的所有民航客機都已全面使用芳綸蜂窩作為結構材料，主要用于圖4中飛機機翼、發(fā)動(dòng)機罩、艙門(mén)、地板、行李箱、側板等。此外，芳綸蜂窩在高速列車(chē)、雷達、皮劃艇、直升機、無(wú)人機也有廣泛用途。
美國麻省理工學(xué)院科學(xué)家丹尼爾.諾塞拉成功研發(fā)了“人造樹(shù)葉”，為解決能源枯竭問(wèn)題提供了新解決方案。這是一種神奇的太陽(yáng)能人造樹(shù)葉，只要有太陽(yáng)光，它就能將水分解成氫氣和氧氣，這些氣體再被輸送到一個(gè)分離的燃料電池中儲存并發(fā)出電力。
自然神奇，創(chuàng )意無(wú)限。雖然人類(lèi)在仿生學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了大量重要進(jìn)展，設計、制造了許多優(yōu)秀的產(chǎn)品，但是神奇的大自然中仍然有無(wú)窮的秘密等著(zhù)我們去探索，例如昆蟲(chóng)的變色隱身、神奇的壁虎、大豆的生物固氮。大豆有著(zhù)神奇的生物固氮功能，直接吸收空氣中的氮氣變成植物蛋白造福人類(lèi)；人們?yōu)榱颂岣咿r產(chǎn)品產(chǎn)量大量生產(chǎn)和使用化肥和尿素，化肥和尿素工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程復雜，長(cháng)期使用化肥提高了農業(yè)產(chǎn)量，卻污染環(huán)境。借鑒容易，結合不易，認識自然、模仿自然、超越自然是仿生設計的三重境界。我們只有掌握了相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識，再經(jīng)過(guò)仔細觀(guān)察、分析、思考、研究、實(shí)驗等過(guò)程，才能發(fā)現自然界的種種神奇之處和內在機理，才能真正找到產(chǎn)品設計、開(kāi)發(fā)的新思路。
參考文獻
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