浅议仿生学原理在机械设计领域中的应用
摘要：自然界中的生物经过亿万年的自然进化，有很多具备了美妙的形态、巧妙的结构和神奇的功能，这为人们解决产品设计工作难题提供了新思路。仿生学是交叉学科，本文通过大量实例，介绍了形态仿生、功能仿生、结构材料仿生领域的相关进展。自然神奇、创意无限、神奇的大自然中仍然有无穷的秘密等着我们去探索，认识自然、模仿自然、超越自然是仿生设计的三重境界。
关键词：仿生学；产品设计；仿生设计
中图分类号：J524文献标识码：A
自然界中的生物经过亿万年的自然进化，有很多具备了美妙的形态、巧妙的结构和神奇的功能，这为人们解决产品设计工作难题提供了新思路。研究、学习、借鉴自然界中生物体的神奇特性，并把它们应用于产品设计中，改进产品的功能和形态，这已成为国内外的研究热点。仿生学的研究成果被广泛用于军事、医学、制造、航空等方面，与人类的生产、生活、未来发展有着密切关系。
1.仿生学概述
仿生学的标志是一个巨大的积分符号，把解剖刀和电烙铁积分在一起。这个标志的含义不仅显示出仿生学的组成，而且也指出了仿生学的研究途径。仿生学作为一门独立学科，1960年9月诞生于美国。仿生学主要研究自然界中神奇的生物，研究其独特能力和原理，并进行科学模拟试验，然后将得出的结论运用到产品设计和制造中去。仿生学是交叉学科，按研究领域可以大致分为形态仿生、功能仿生、结构材料仿生等等。
2.形态仿生
澳大利亚悉尼歌剧院是一座典型的仿生学建筑，如图1所示，贝壳形屋顶就是最大亮点。歌剧院的主体结构新颖，由3组壳片组成。1959年悉尼歌剧院开工，如何建造这些巨大的异形混凝土壳体，这是施工单位遇到的最大困难。1973年竣工后，立即成为悉尼市地标性建筑。2007年6月被联合国教科文组织评为世界文化遗产。
“鸟巢”是2008年北京奥运会主体育场，由中外著名的建筑设计师合作设计，外观如图2所示，建筑结构特别新颖，立面与结构的组件相互支撑，形成了网络状的构架，就像树枝编织的鸟巢，非常生动。
3.功能仿生
自然生物经过长期进化，不仅完全适应了自然，而且其进化程度接近完美，有一些已超越了人类现有的科技成果。正因为如此，人们才会由衷地感叹大自然造物的鬼斧神工，而研究和借鉴它们的优异结构和奇妙的功能，已经成为技术革新的新方向。
雷达的发明灵感来源于蝙蝠。蝙蝠能在黑夜里捕捉昆虫，从来不会撞上障碍物，这引起了科学家们的好奇心。经过大量研究，科学家发现其中的奥秘，蝙蝠在飞行中发出超声波，并能及时感知该超声波遇到障碍反射的回波，所以它们能成功避开飞行中的障碍物。雷达的发明受此启发，雷达发出的是一种频率更高，能量更大的电磁波。飞机装上雷达，飞行员如同有了千里眼，可以穿透黑夜和云雾，感知眼睛看不到的遥远目标。
昆虫复眼结构独特、功能优异，是重要的仿生对象。复眼结构虽然简单，但是视场大，对运动物体的感应十分灵敏。人眼和普通相机都是使用单个透镜聚焦光线，这种排列能够制造高分辨率图像；而复眼是天然的多孔径光学成像系统，可以产生全景视角，呈现显著的深度感官。科学家受到昆虫复眼结构的启发，成功设计了复眼照相机，半球状相机排列着180个显微透镜，视野达到了160度，能够同时聚焦物体的不同深度。复眼照相机在微型广角监视设备、内视镜等监视技术领域有应用前景。
4.结构和材料仿生
随着仿生学的深入开展，人们不但从外形、功能去模仿生物，而且从生物奇特的结构中得到启发。鲨鱼皮泳衣就是国际游泳界的神话。科学研究表明，鲨鱼皮肤粗糙的V形皱褶能够降低水流阻力，鲨鱼皮泳衣的超伸展纤维表面模仿了鲨鱼皮肤。根据这种特殊构造生产的泳衣富有弹性，另外还在接缝处模仿人类的肌腱，为运动员向后划水时提供额外动力。
蜜蜂蜂巢由一个个排列整齐的六棱柱形小蜂房组成，每个小蜂房的底部由3个相同的菱形组成，蜜蜂为什么要弄这么复杂的结构呢？这引起了科学家的关注。科学研究发现了其中的秘密，蜂巢中菱形的钝角和锐角大小竟然完全符合数学原理，即如何使用最少的材料制造出结实耐用的大房子的要求。蜜蜂筑蜂巢使用了最少的蜂蜡，就能做到蜂巢内部空间最大，结构稳定性最好，真是令人惊叹。
芳纶蜂窝是一种模仿自然界蜜蜂蜂巢结构、经由树脂浸渍的芳纶纤维纸制成的非金属复合材料，图3是芳纶蜂窝结构图，具有重量轻、强度高、抗冲击、耐腐蚀、隔音隔热，阻燃性能好、便于大面积整体成型等优点，被誉为飞机的“瘦身专家”。目前，美国波音公司和欧洲空中客车公司的所有民航客机都已全面使用芳纶蜂窝作为结构材料，主要用于图4中飞机机翼、发动机罩、舱门、地板、行李箱、侧板等。此外，芳纶蜂窝在高速列车、雷达、皮划艇、直升机、无人机也有广泛用途。
美国麻省理工学院科学家丹尼尔.诺塞拉成功研发了“人造树叶”，为解决能源枯竭问题提供了新解决方案。这是一种神奇的太阳能人造树叶，只要有太阳光，它就能将水分解成氢气和氧气，这些气体再被输送到一个分离的燃料电池中储存并发出电力。
自然神奇，创意无限。虽然人类在仿生学研究领域已经取得了大量重要进展，设计、制造了许多优秀的产品，但是神奇的大自然中仍然有无穷的秘密等着我们去探索，例如昆虫的变色隐身、神奇的壁虎、大豆的生物固氮。大豆有着神奇的生物固氮功能，直接吸收空气中的氮气变成植物蛋白造福人类；人们为了提高农产品产量大量生产和使用化肥和尿素，化肥和尿素工业化生产过程复杂，长期使用化肥提高了农业产量，却污染环境。借鉴容易，结合不易，认识自然、模仿自然、超越自然是仿生设计的三重境界。我们只有掌握了相关的专业知识，再经过仔细观察、分析、思考、研究、实验等过程，才能发现自然界的种种神奇之处和内在机理，才能真正找到产品设计、开发的新思路。
作者：赵智博
参考文献
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