浅议仿生学原理在机械设计领域中的应用

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  • 更新时间2018-06-29
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  摘要:生物学在不断的发展,生物学中的仿生学也被应用在各个领域,仿生学的发展让很多的行业都得到了大幅度的进步,由于仿生学是一个新的行业,很多人对仿生学原理都不太理解,仿生学原理是通过在结构、原理和功能等方面应用在工程设计中,将整体的工程设计和研发应用到具体的工程中,现在这种原理在机械设计中被广泛的应用。本文对机械设计领域中的仿生学原理应用进行了探讨,为相关的研究做出借鉴。


  关键词:仿生学原理;机械设计;具体应用


  仿生学原理在机械设计中已经被广泛应用,仿生学原理作为生物学领域中的一部分,为很多的行业都作出贡献。仿生学原理就是一门模仿生物建造技术的科学,这就是一门生物学、数学和工程学为一体的科学,将这一科学进行了具体性的分析,现在的仿生学原理在机械设计领域中已经被重视,而且在机械设计领域中的作用变得越来越突出,因此,一定要重视仿生学原理在机械设计中的应用,这样就可以让机械设计行业发展的更好。


  1仿生学原理简介


  仿生学原理已经被广泛的应用,但是现在的人们对仿生学原理的理解还不够,由于是一种新兴的技术,很多的人对仿生学原理还不熟悉,仅仅是在生活中听到了关于仿生学的一些知识,其实,仿生学在建筑机械设计中已经被广泛的应用,现在已经有了很多的产品都在应用仿生学,但是并不是盲目的应用这些动物的特征,需要根据需要将这些动物与机械联系在一起,应用到动物身上的特征。例如可以使用鼠类的爪尖来制作脱土设备,主要就是利用土壤的分散力和鼠类爪尖的面积来制作脱土设备,鼠类的爪尖与土地的接触面积非常小,能够减少机械与土地之间的阻力,将脱土效果变得更好。这就是仿生学原理的应用,机械设计是离不开仿生学原理的,仿生学原理让机械设备的发展前景变得更好。


  2仿生设计法


  仿生设计有两种方式,一种是外形仿生,另一种就是结构仿生,如果后是结构仿生就是一种比较复杂的仿生,外形仿生前文已经进行了让简单的介绍,以下主要是介绍结构仿生:


  2.1非光滑表面的仿生设计


  非光滑表面的仿生设计主要就是针对易磨损的机械设备来设计的,主要的特性就是耐磨。机械设备中为了减少设备部件的磨损,就要在设备的材料中寻找解决措施,如果没有将设备的耐磨性做好,设备就会出现磨损。针对这一设计理念,在机械设计中就要考虑到耐磨性,但是如果使用材料是不能从根本上解決磨损的问题的,机遇这一问题仿生学应运而生,将仿生学与机械设计结合在一起,这样就可以完善机械设计,让机械设计在生产中被广泛的应用。在耐磨性上应用仿生学就要利用粘湿土壤中生存的动物来进行设计,粘湿动物就是为了更好的适应环境,才会进化的更加完美,可以利用粘湿性动物接触地面不会产生较大的摩擦力来增加机械设备表面的耐磨性,在机械设计的过程中对表层进行处理,这样就可以提高机械人的耐磨性。


  非光滑表面的仿生设计就是要防粘,有些机械设计在设计的时候是无法避免机械的粘黏的,如果机械设计中没有对机械进行粘黏处理,就会导致机械设备在使用的时候出现故障,对工程的应用造成影响。要将解决粘黏性,可以利用仿生学中的穿山甲等动物,利用穿山甲等动物的防粘性,对全身的鳞片进行研究,穿山甲的鳞片并不是光滑的,在上面有着蜡质层,蜡质层的出现就解决了产生的粘黏性。在机械设计的时候也可以将这一特性结合到机械设备中,让机械设计更加的合理。


  2.2仿生涂层设计


  结构设计的第二个特点就是仿生涂层设计,仿生涂层设计也是被经常应用的一个设计方式。人们对海螺壳等层状设计结构进行了研究,与机械设计中的耐磨性进行了联系,人们发明了一种涂层体系,这种涂层体系就是模拟生物结构的矩阵结构,模拟生物结构的矩阵结构,对陶瓷结构进行改性,设计出高韧性陶瓷等。海螺壳、蛤喇壳是生物体通过把强度很低的碳酸钙整合后才具有的较高强度。有鉴于此,现在人们通过以下二种途径来实现整合涂层:一是有效排列分子,使其呈DNA螺旋结构,达到较高的机械强度;二是采用不同的材料组合成整合涂层,从而具有更高的机械强度和摩擦性能。


  2.3功能仿生


  功能仿生的目的是使人造的机械具有或能够部分实现高级动物丰富的功能,如思维、感知、运动、操作等,这在智能机器人的研究中具有重大意义。目前在工业领域中应用的机器人以焊接、装配、喷涂、搬运等工作为主,其共同特征是作业方式单一、缺乏变化。但是随着社会发展,机器人需要在更加宽泛的领域得到应用。除了进行生产之外,生活、娱乐和享受对于人类来说同样不可缺少,活动方式和身体结构酷似动物的仿生机器人将在这方面大显身手,如防灾救援和教育娱乐等。对人的独特思维功能的仿生是仿生机器人领域的最高目标。


  3仿生学原理在机械设计领域中的具体应用分析


  3.1触土机械的设计


  3.1.1钻头


  在钻探工作中,经常会遇到钻头泥包问题。吉林大学正在研究设计一种仿生钻头,这种钻头的体表面仿造穿山甲背部鳞片的分布形式,钻头的切削齿仿造穿山甲的爪趾形状,以达到在泥质岩中钻进时减粘、降阻、脱附,有效地防止钻头泥包现象,提高机械钻速。


  3.1.2深松部件


  通过在室内大型土壤进行耕作试验,测定各种深松部件耕作以后土壤的宏现扰动轮廓和耕作阻力,结果表明郭志军等制作的外形仿生弯曲型深松部件的深松阻力取得最小值。


  3.2复合涂层体系的设计


  仿生非光滑耐磨复合层的设计原则是由软、硬多相材料交替叠层形成的非光滑表面,具体来说就是将增强硬质颗粒钎焊在基体材料(碳钢)表面,形成非光滑耐磨复合层。这种结构既保证了基体的强韧性,又能保证非光滑表面具有减阻、耐磨作用。复合层的厚度可从几毫米到几十毫米不等。如任露泉等制备出的钎粒/WC(60/80目)/钎料/钢仿生非光滑耐磨复合层,其耐磨性为基体45钢(淬火态)的29倍。


  3.3机械手与机器人的设计


  某大学利用仿生学原理设计了水稻工厂化育秧拔苗机械手,用以解决拔秧抛植的有序栽植问题。李明东等模仿骨骼肌的工作原理,用SMA丝(形状记忆合金)来驱动一个微型机器人手臂,将机器人传统的关节驱动方式转变为肌肉驱动方式。马建旭等模仿人体下肢设计的关节式弹性步行机构,在机器人的小腿中安置弹性装置,通过四组并联弹性元件和以机器人腿外壳为机架的四连杆机构的复合,产生缓冲、储能效果。


  4结论


  以仿生学原理为基础对机械设计进行新思想、新观念的指导,是机械设计创建人与自然之间的和谐关系,改进现有机械、仪器、建筑和工艺等的一个重要途径。为了满足未来社会发展的需要,机械性能势必需要进一步的改进与完善,机械设计方法自然也要不断的创新提高。而仿生学作为一种具有很高应用优越性的机械设计手段,也必然会有更大的发展应用空间。


  参考文献 

  [1]钱侠.仿生学在机械设计中的应用[J].高校理科研究,2012,3(1):51-52. 

  [2]丛茜.鳞片形非光滑表面的仿生设计[J].吉林工业大学学报,2010,28(2):12-16. 

  作者简介:陈贻思,身份证号:45242119810102047X。