【摘要】近年來，隨著生物科仿生學(xué)的不斷發(fā)展，仿生技術(shù)在很多工程領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。所謂仿生學(xué)，就是指通過研究不同生物的生物特性，來分析其結(jié)構(gòu)、功能和原理，并將這些結(jié)構(gòu)、功能和原理應(yīng)用在工程技術(shù)設(shè)備的設(shè)計(jì)與研發(fā)中，從而提高工程技術(shù)設(shè)備的整體性能的一種科學(xué)。本文主要探討了其在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。文章重點(diǎn)分析了機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中的基本內(nèi)容，并對仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用做出簡要論述。

【關(guān)鍵詞】仿生學(xué)；科學(xué)原理；機(jī)械設(shè)計(jì)；應(yīng)用

仿生學(xué)是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學(xué)，它是一門集生物學(xué)、工程學(xué)和數(shù)學(xué)為一體的現(xiàn)代邊緣性科學(xué)。仿生學(xué)的應(yīng)用已經(jīng)有一定時(shí)間，并且已經(jīng)取得了非常大的成就，最典型的例子莫過于通過分析鳥類的飛行原理而進(jìn)行的飛機(jī)發(fā)明。近年來，仿生學(xué)更是應(yīng)用在智能機(jī)器人、雷達(dá)、聲納、人工臟器、自動(dòng)控制器、自動(dòng)導(dǎo)航器等多個(gè)科學(xué)研究領(lǐng)域中?？梢哉f，其在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的發(fā)展中所起到的作用越來越突出，科技地位越來越重要。現(xiàn)本文主要研究了其在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的具體應(yīng)用。

1、仿生學(xué)原理

1.1外形仿生

外形仿生作為一種最常見的設(shè)計(jì)方法，在建筑和新材料的設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用，同樣也可應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)。螻蛄、小家鼠等動(dòng)物具有優(yōu)良的挖掘功能。研究發(fā)現(xiàn)這幾種動(dòng)物挖掘足的爪趾內(nèi)輪廓線大多是變曲率曲線，如穿山甲爪趾的爪尖是一面為斜面的圓錐楔形，爪尖頂端圓鈍，楔面能分散土壤壓力，減小觸土面積，從而降低土壤阻力，使爪趾具有較強(qiáng)的入土能力和較好的脫土效果。這種有利于減粘降阻的結(jié)構(gòu)在外形上與某些彎曲型深松部件極為類似，為改進(jìn)深松部件幾何形狀，優(yōu)化切削性能提供了仿生學(xué)研究的基礎(chǔ)。

1.2結(jié)構(gòu)仿生

（1）非光滑表面的仿生設(shè)計(jì)

①耐磨 地面觸土機(jī)械部件失效的主要原因是磨料磨損。為了減少磨料磨損，人們一直在尋找新型的耐磨材料。在一般機(jī)械耐磨設(shè)計(jì)中，多采用硬化技術(shù)來提高構(gòu)件的硬度和剛度，以此來增大耐磨性。但是這種耐磨技術(shù)并不能從根本上解決機(jī)械部件的磨損問題。而通過仿生學(xué)原理，則可以很好的提高機(jī)械部件的耐磨性能。這里所用到的仿生學(xué)主要是根據(jù)生長在粘濕土壤中動(dòng)物所具備的生物特性來決定的。這些動(dòng)物為了能夠更好的適應(yīng)環(huán)境，其體表都具有幾何非光滑的特點(diǎn)，因而在與粘濕土壤接觸時(shí)不會(huì)產(chǎn)生過大的摩擦力，并且能夠起到一定的減阻作用，增大體表的耐磨性。若能夠?qū)Φ孛嬗|土機(jī)械部件的表層進(jìn)行類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)處理，必將大大提高這類部件的抗磨性。

②防粘 穿山甲、蜣螂、螃蟹、泥鰍、步甲、蝗蟲、潮蟲是生活在粘濕環(huán)境中的典型土壤動(dòng)物。通過對它們的防粘特性研究，發(fā)現(xiàn)這些動(dòng)物體表都是一種非光滑鱗片形式。例如穿山甲除腹部及四肢兩側(cè)外，全身幾乎都厚厚的瓦狀角質(zhì)鱗片所覆蓋，且這些鱗片的形狀都不是光滑結(jié)構(gòu)，但大小與分布都較為均勻，并且其護(hù)蠟層、蠟質(zhì)層都屬于疏水性物質(zhì)，因此其在泥水中游動(dòng)時(shí)可以更加靈活，不會(huì)受到太大的阻力，也不會(huì)粘在身上泥水。若能夠?qū)⒋┥郊走@種宏觀非光滑表面結(jié)構(gòu)的生物特性應(yīng)用在土方工程的機(jī)械設(shè)備或工具材料中，則能夠?qū)⑦@些原本是親水性的金屬材料變?yōu)槭杷?，從而很好的提高其在土方工程?yīng)用中的減粘降阻性。

（2）仿生涂層設(shè)計(jì)

人們通過對生物體進(jìn)行解剖研究發(fā)現(xiàn)，生物的微組織結(jié)構(gòu)主要可分為層狀結(jié)構(gòu)與矩陣結(jié)構(gòu)，此外還有折疊、螺旋等結(jié)構(gòu)形式。人們通過模擬皮膚、血管壁、海螺殼等層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成耐磨涂層。模仿自然生物體?？⒑Ｂ莸慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在微機(jī)電系統(tǒng)中人們開發(fā)出很簿的涂層體系。模擬生物結(jié)構(gòu)的矩陣結(jié)構(gòu)，對陶瓷結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，設(shè)計(jì)出高韌性陶瓷等。海螺殼、蛤喇殼是生物體通過把強(qiáng)度很低的碳酸鈣整合后才具有的較高強(qiáng)度。有鑒于此，現(xiàn)在人們通過以下二種途徑來實(shí)現(xiàn)整合涂層：一是有效排列分子，使其呈DNA螺旋結(jié)構(gòu)，達(dá)到較高的機(jī)械強(qiáng)度；二是采用不同的材料組合成整合涂層，從而具有更高的機(jī)械強(qiáng)度和摩擦性能。

1.3功能仿生

功能仿生的目的是使人造的機(jī)械具有或能夠部分實(shí)現(xiàn)高級動(dòng)物豐富的功能，如思維、感知、運(yùn)動(dòng)、操作等，這在智能機(jī)器人的研究中具有重大意義。目前在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的機(jī)器人以焊接、裝配、噴涂、搬運(yùn)等工作為主，其共同特征是作業(yè)方式單一、缺乏變化。但是隨著社會(huì)發(fā)展，機(jī)器人需要在更加寬泛的領(lǐng)域得到應(yīng)用。除了進(jìn)行生產(chǎn)之外，生活、娛樂和享受對于人類來說同樣不可缺少，活動(dòng)方式和身體結(jié)構(gòu)酷似動(dòng)物的仿生機(jī)器人將在這方面大顯身手，如防災(zāi)救援和教育娛樂等。對人的獨(dú)特思維功能的仿生是仿生機(jī)器人領(lǐng)域的最高目標(biāo)。

2、仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的具體應(yīng)用分析

2.1觸土機(jī)械的設(shè)計(jì)

（1）鉆頭 在鉆探工作中，經(jīng)常會(huì)遇到鉆頭泥包問題。吉林大學(xué)正在研究設(shè)計(jì)一種仿生鉆頭，這種鉆頭的體表面仿造穿山甲背部鱗片的分布形式，鉆頭的切削齒仿造穿山甲的爪趾形狀，以達(dá)到在泥質(zhì)巖中鉆進(jìn)時(shí)減粘、降阻、脫附，有效地防止鉆頭泥包現(xiàn)象，提高機(jī)械鉆速。

（2）深松部件 通過在室內(nèi)大型土壤進(jìn)行耕作試驗(yàn)，測定各種深松部件耕作以后土壤的宏現(xiàn)擾動(dòng)輪廓和耕作阻力，結(jié)果表明郭志軍等制作的外形仿生彎曲型深松部件的深松阻力取得最小值。

（3）推上板 在進(jìn)行土壤切削試驗(yàn)時(shí)，叢茜等設(shè)計(jì)的仿生非光滑鱗片形推上板不易發(fā)生粘附，與光滑的推土板相比平均降低推土阻力15%左右。

2.2復(fù)合涂層體系的設(shè)計(jì)

仿生非光滑耐磨復(fù)合層的設(shè)計(jì)原則是由軟、硬多相材料交替疊層形成的非光滑表面，具體來說就是將增強(qiáng)硬質(zhì)顆粒釬焊在基體材料（碳鋼）表面，形成非光滑耐磨復(fù)合層。這種結(jié)構(gòu)既保證了基體的強(qiáng)韌性，又能保證非光滑表面具有減阻、耐磨作用。復(fù)合層的厚度可從幾毫米到幾十毫米不等。如任露泉等制備出的釬粒/WC（60/80目）/釬料/鋼仿生非光滑耐磨復(fù)合層，其耐磨性為基體45鋼（淬火態(tài)）的29倍。

2.3機(jī)械手與機(jī)器人的設(shè)計(jì)

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)利用仿生學(xué)原理設(shè)計(jì)了水稻工廠化育秧拔苗機(jī)械手，用以解決拔秧拋植的有序栽植問題。李明東等模仿骨骼肌的工作原理，用SMA絲（形狀記憶合金）來驅(qū)動(dòng)一個(gè)微型機(jī)器人手臂，將機(jī)器人傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧∪怛?qū)動(dòng)方式。馬建旭等模仿人體下肢設(shè)計(jì)的關(guān)節(jié)式彈性步行機(jī)構(gòu)，在機(jī)器人的小腿中安置彈性裝置，通過四組并聯(lián)彈性元件和以機(jī)器人腿外殼為機(jī)架的四連桿機(jī)構(gòu)的復(fù)合，產(chǎn)生緩沖、儲(chǔ)能效果。

3、結(jié)束語

以仿生學(xué)原理為基礎(chǔ)對機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行新思想、新觀念的指導(dǎo)，是機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)建人與自然之間的和諧關(guān)系，改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)械、儀器、建筑和工藝等的一個(gè)重要途徑。為了滿足未來社會(huì)發(fā)展的需要，機(jī)械性能勢必需要進(jìn)一步的改進(jìn)與完善，機(jī)械設(shè)計(jì)方法自然也要不斷的創(chuàng)新提高。而仿生學(xué)作為一種具有很高應(yīng)用優(yōu)越性的機(jī)械設(shè)計(jì)手段，也必然會(huì)有更大的發(fā)展應(yīng)用空間。

參考文獻(xiàn)

[1]錢俠.仿生學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].高校理科研究，2008，3（1）：51-52

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作者簡介

張守權(quán)，男（1974年3月-），黑龍江建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院實(shí)訓(xùn)中心，工程師，從事機(jī)械工程研究。