仿生学原理在机械设计中的应用

朱书启

甘肃机电职业技术学院741001

1 引言

仿生学是一门实现生物特点与技术有效融合的科学，其通过对生物结构特征、生理特性以及能量、信息转换控制等方面的综合研究，选取一部分成果应用到各行业领域的生产体系，进而实现其理念创新和技术变革。在实际生产中，仿生学的应用往往能创造新的工艺系统、建筑构型以及自动化装置等，而且在设计理念方面，其同样能提供新的思路与方向，以一种特定的途径有效解决相关难题。就目前而言，随着大量仿生机械产品的推出，仿生学应用在机械设计领域中越来越受到重视，相应的研究投入也正逐年增加。当然，近年来机械仿生设计方面取得的成就也不在少数，随着时代的发展而得到了不断深入、广泛和有效的推进。

2 机械仿生设计的基本内容

当前形势下，机械仿生设计无疑正向着多元化发展，而且也逐步从传统的基础设计走向了新型的创新设计。目前，机械设计行业已然建立起了全面的仿生体系，通过对生物科学的有益吸收，主要实现了以下几个方面的仿生设计：

2.1 功能特性仿生

在自然界的长期发展演变中，生物为了更好适应周围环境的改变，逐渐形成了自身独有的功能特性。而在机械仿生设计中，这一点往往能为各方面的工作指引一个新的方向，并使之有效抓住技术创新的突破口。现今已有的设计实例中，不仅包括生物特殊外形的仿生、还包括生理特性的一系列应用，显然这些方面技术创新的研究都取得了相应的成果，功能特性的仿生也使得机械设计不再拘泥于传统的模型设计，而更多拥有了其灵活性与实效性。

2.2 运动特征仿生

机械设计中，运动体系的规划往往是重点以及难点，同样，信号的规范性是最复杂的问题，由于在集中监控模式下，监控中在机械仿生设计中，生物运动特征的仿生也必不可少。对于这些生物与生俱来的特点，通过将其板块化、细节化，便能从中找出与实际生产工作的良好结合点，使得相应的机械设计更贴合自然，因而应用水平也就随之提高。目前的运动特征仿生中，对生物基本运动方式、运动系统的调节等都进行了全面的研究，而实际生活中的一些相关机械设备也为生产工作带来了极大的便利。

2.3 组织结构仿生

这方面的仿生是结合生物科学而进行的深层应用，也从微观角度上实现了人与自然的协调发展。在相关的机械仿生设计中，其通常在材料生产方面收效较为显著，因此而推出的一系列仿生材料也良好地适应了高强度、高效率的性能需求，为生产发展带来了极大的经济效益。而通过对生物内部组织机制一些必要性联系的分析，机械微组装、分级结构设计等也都有了新的发展方向。

2.4 信息控制仿生

随着信息化时代的到来，人们对于信息的传递与控制要求也越来越高，而在这一方面，生物在不断进化过程所拥有的一些能力同样可以借鉴。具体地，在机械仿生设计中，信息管理设备往往能通过生物的一些信息获取方式、反馈系统以及自主控制能力等得到全新的发展空间，不仅生产质量得以有效保证，而且实际效率也随之大大提高。

3 仿生学原理在机械设计中的实际应用

纵观当前机械仿生设计的发展趋势，在实际生产中的应用更加多元化与广泛化，而相应的技术革新也正逐步走向智能化与全面化，现具体举出以下几例加以分析：

3.1 半步行轮驱动机构

在地面工作机械的仿生设计研究中，半步行轮驱动机构是根据传统的水牛耕地现象而创造出的新型技术，如下图（a）所示，通过对水牛在水田中的工作特征分析，陈秉聪等人提出了全新的“半浮式理论”，有效的将机械运动中的“沉”、“浮”以及“滑行”、“驱动”加以有机结合，以此改变了传统生产中承重与驱动并存的结构体系，而代之以一种适用于水田及松软土壤工作的高效生产方式。同时，从机械仿生设计所延伸的一系列研究中，也相继推出了众多滚动阻力较小，而驱动动力较大的先进设备，为行业生产提供了巨大的动力。显然，仿生学原理在机械设计中的实际应用不仅加快了机械设备的改革，而且还有效促进了设备实效化、便利化的发展。

（a）仿生半步行轮

（b）仿生机械手关节

3.2 大型触土机械设计

在大型触土机械的设计方面，相关科研人员也从深松部件、钻头以及推土板三个方面的结构中找到了仿生学结合要点。通过不断操作试验，在减小深松阻力这点上，成功提出了仿生弯曲型结构，而且在钻头设计上，同样参照穿山甲体表鳞片分布形式制作出了新型的仿生钻头，不仅有效解决了生产工作中的钻头泥包问题，还极大的加强了泥质岩钻探中机械设备的实际工作效率。由此可见，随着仿生学原理的不断深化应用，机械设计中存在的一些难题也将逐步得到妥善的解决，实际设备生产效率也将因此而大大提高。

3.3 人工智能机器人

近代机械设计领域的发展成果中，最重要的莫过于机器人，这不仅仅是机械制造重大变革的体现，更是仿生学原理在机械设计方面的本质性应用。目前，相关的人工智能机器人的设计制造等都已较为纯熟，通过对人体相关结构体系的不断认知，机器人已然能够适应人类生产生活中的大部分工作。如上图（b）所示，仿生机械手关节的设计无疑大大加强了机械设备的灵活性，而随着计算机网络技术的配合推进，机械自动化生产进程也因此而得到了促进。从目前的形势来看，仿生机器人的设计将逐步走向全面化与智能化，而未来生产工作将因其大量投入使用而变得极为便利。

4 总结

显然，仿生学在机械设计中的应用无疑为其注入了新的血液，使得相应的生产工作很好契合了人与自然协调发展的要求，这既是科技创新的必要，更是维持机械设计行业强大生命力的重要途径。当前正处于生物科学飞速发展的阶段，因而深化仿生学在机械领域的应用也必须加快进程。当然，在这方面工作上，更应从本质上分析生物的独有特性和功能，不可一味进行模仿，必须立足于提高生产力的基础上进行全面的仿生设计。

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