仿生学的研究领域 浅议仿生学原理在机械设计领域中的应用

浅议仿生学原理在机械设计领域中的应用

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