淺議仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的應(yīng)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(jié)構(gòu)和神奇的功能，這為人們解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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)窮的秘密等著我們?nèi)ヌ剿鳎J(rèn)識(shí)自然、模仿自然、超越自然是仿生設(shè)計(jì)的三重境界。
關(guān)鍵詞：仿生學(xué)；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；仿生設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào)：J524文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jié)構(gòu)和神奇的功能，這為人們解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)工作難題提供了新思路。研究、學(xué)習(xí)、借鑒自然界中生物體的神奇特性，并把它們應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，改進(jìn)產(chǎn)品的功能和形態(tài)，這已成為國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。仿生學(xué)的研究成果被廣泛用于軍事、醫(yī)學(xué)、制造、航空等方面，與人類的生產(chǎn)、生活、未來(lái)發(fā)展有著密切關(guān)系。
1.仿生學(xué)概述
仿生學(xué)的標(biāo)志是一個(gè)巨大的積分符號(hào)，把解剖刀和電烙鐵積分在一起。這個(gè)標(biāo)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)作為一門獨(dú)立學(xué)科，1960年9月誕生于美國(guó)。仿生學(xué)主要研究自然界中神奇的生物，研究其獨(dú)特能力和原理，并進(jìn)行科學(xué)模擬試驗(yàn)，然后將得出的結(jié)論運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(biāo)性建筑。2007年6月被聯(lián)合國(guó)教科文組織評(píng)為世界文化遺產(chǎn)。
“鳥巢”是2008年北京奧運(yùn)會(huì)主體育場(chǎng)，由中外著名的建筑設(shè)計(jì)師合作設(shè)計(jì)，外觀如圖2所示，建筑結(jié)構(gòu)特別新穎，立面與結(jié)構(gòu)的組件相互支撐，形成了網(wǎng)絡(luò)狀的構(gòu)架，就像樹枝編織的鳥巢，非常生動(dòng)。
3.功能仿生
自然生物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化，不僅完全適應(yīng)了自然，而且其進(jìn)化程度接近完美，有一些已超越了人類現(xiàn)有的科技成果。正因?yàn)槿绱耍藗儾艜?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(jié)構(gòu)和奇妙的功能，已經(jīng)成為技術(shù)革新的新方向。
雷達(dá)的發(fā)明靈感來(lái)源于蝙蝠。蝙蝠能在黑夜里捕捉昆蟲，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(xiàn)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(dá)的發(fā)明受此啟發(fā)，雷達(dá)發(fā)出的是一種頻率更高，能量更大的電磁波。飛機(jī)裝上雷達(dá)，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(yuǎn)目標(biāo)。
昆蟲復(fù)眼結(jié)構(gòu)獨(dú)特、功能優(yōu)異，是重要的仿生對(duì)象。復(fù)眼結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但是視場(chǎng)大，對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的感應(yīng)十分靈敏。人眼和普通相機(jī)都是使用單個(gè)透鏡聚焦光線，這種排列能夠制造高分辨率圖像；而復(fù)眼是天然的多孔徑光學(xué)成像系統(tǒng)，可以產(chǎn)生全景視角，呈現(xiàn)顯著的深度感官。科學(xué)家受到昆蟲復(fù)眼結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，成功設(shè)計(jì)了復(fù)眼照相機(jī)，半球狀相機(jī)排列著180個(gè)顯微透鏡，視野達(dá)到了160度，能夠同時(shí)聚焦物體的不同深度。復(fù)眼照相機(jī)在微型廣角監(jiān)視設(shè)備、內(nèi)視鏡等監(jiān)視技術(shù)領(lǐng)域有應(yīng)用前景。
4.結(jié)構(gòu)和材料仿生
隨著仿生學(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(jié)構(gòu)中得到啟發(fā)。鯊魚皮泳衣就是國(guó)際游泳界的神話。科學(xué)研究表明，鯊魚皮膚粗糙的V形皺褶能夠降低水流阻力，鯊魚皮泳衣的超伸展纖維表面模仿了鯊魚皮膚。根據(jù)這種特殊構(gòu)造生產(chǎn)的泳衣富有彈性，另外還在接縫處模仿人類的肌腱，為運(yùn)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(fù)雜的結(jié)構(gòu)呢？這引起了科學(xué)家的關(guān)注。科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)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(shù)學(xué)原理，即如何使用最少的材料制造出結(jié)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(nèi)部空間最大，結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(jié)構(gòu)、經(jīng)由樹脂浸漬的芳綸纖維紙制成的非金屬?gòu)?fù)合材料，圖3是芳綸蜂窩結(jié)構(gòu)圖，具有重量輕、強(qiáng)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(jī)的“瘦身專家”。目前，美國(guó)波音公司和歐洲空中客車公司的所有民航客機(jī)都已全面使用芳綸蜂窩作為結(jié)構(gòu)材料，主要用于圖4中飛機(jī)機(jī)翼、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、艙門、地板、行李箱、側(cè)板等。此外，芳綸蜂窩在高速列車、雷達(dá)、皮劃艇、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)也有廣泛用途。
美國(guó)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(chǔ)存并發(fā)出電力。
自然神奇，創(chuàng)意無(wú)限。雖然人類在仿生學(xué)研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了大量重要進(jìn)展，設(shè)計(jì)、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)窮的秘密等著我們?nèi)ヌ剿鳎缋ハx的變色隱身、神奇的壁虎、大豆的生物固氮。大豆有著神奇的生物固氮功能，直接吸收空氣中的氮?dú)庾兂芍参锏鞍自旄Ｈ祟悾蝗藗優(yōu)榱颂岣咿r(nóng)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(fù)雜，長(zhǎng)期使用化肥提高了農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，卻污染環(huán)境。借鑒容易，結(jié)合不易，認(rèn)識(shí)自然、模仿自然、超越自然是仿生設(shè)計(jì)的三重境界。我們只有掌握了相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，再經(jīng)過(guò)仔細(xì)觀察、分析、思考、研究、實(shí)驗(yàn)等過(guò)程，才能發(fā)現(xiàn)自然界的種種神奇之處和內(nèi)在機(jī)理，才能真正找到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)的新思路。
參考文獻(xiàn)
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