仿生制造技術(shù)

1、 仿生制造技術(shù) 摘要:科學(xué)技術(shù)日新月異，機械設(shè)計的理念和技術(shù)隨之也迎來了多元化的發(fā)展。近年來，隨著仿生學(xué)在機械設(shè)計領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，眾多研究難題得以有效解決，而且行業(yè)市場經(jīng)濟也隨之得到了一定促進，為我國生產(chǎn)機械化的推進提供了巨大的動力。本文分析了機械仿生設(shè)計中的相關(guān)基本內(nèi)容，并就仿生學(xué)原理在機械設(shè)計中的實際應(yīng)用作出淺要論述。 關(guān)鍵字:仿生學(xué);機械設(shè)計;應(yīng)用 1引言 仿生學(xué)是一門實現(xiàn)生物特點與技術(shù)有效融合的科學(xué)，其通過對生物結(jié)構(gòu)特征、生理特性以及能量、信息轉(zhuǎn)換控制等方面的綜合研究，選取一部分成果應(yīng)用到各行業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)體系，進而實現(xiàn)其理念創(chuàng)新和技術(shù)變革。在實際生產(chǎn)中，仿生學(xué)的應(yīng)用往往能創(chuàng)造新的工藝系

2、統(tǒng)、建筑構(gòu)型以及自動化裝置等，而且在設(shè)計理念方面，其同樣能提供新的思路與方向，以一種特定的途徑有效解決相關(guān)難題。就目前而言，隨著大量仿生機械產(chǎn)品的推出，仿生學(xué)應(yīng)用在機械設(shè)計領(lǐng)域中越來越受到重視，相應(yīng)的研究投入也正逐年增加。當然，近年來機械仿生設(shè)計方面取得的成就也不在少數(shù)，隨著時代的發(fā)展而得到了不斷深入、廣泛和有效的推進。 2 ) L械仿生設(shè)計的基本內(nèi)容 當前形勢卜，機械仿生設(shè)計無疑正向著多元化發(fā)展，而且也逐步從傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計走向了新型的創(chuàng)新設(shè)計。目前，機械設(shè)計行業(yè)已然建立起了全面的仿生體系，通過對生物科學(xué)的有益吸收，主要實現(xiàn)了以卜幾個方而的仿生設(shè)計: 2.1功能特性仿生 在自然界的長期發(fā)展演變

3、中，生物為了更好適應(yīng)周圍環(huán)境的改變，逐漸形成了自身獨有的功能特性。而在機械仿生設(shè)計中，這一點往往能為各方面的工作指引一個新的方向，并使之有效抓住技術(shù)創(chuàng)新的突破口?，F(xiàn)今已有的設(shè)計實例中，不僅包括生物特殊外形的仿生、還包括生理特性的一系列應(yīng)用，顯然這些方面技術(shù)創(chuàng)新的研究都取得了相應(yīng)的成果，功能特性的仿生也使得機械設(shè)計不再拘泥于傳統(tǒng)的模型設(shè)計，而更多擁有了其靈活h與實效性。 a.a運動特征仿生 #J L械設(shè)計中，運動體系的規(guī)劃往往是重點以及難點，同樣，在機械仿生設(shè)計中，生物運動特征的仿生也必不可少。對于這些生物與生俱來的特點，通過將其板塊化、細節(jié)化，便能從中找出與實際生產(chǎn)工作的良好結(jié)合點，使得相應(yīng)的

4、機械設(shè)計更貼合自然，因而應(yīng)用水平也就隨之提高。目前的運動特征仿生中，對生物基本運動方式、運動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等都進行了全面的研究，而實際生活中的一些相關(guān)機械設(shè)備也為生產(chǎn)工作帶來了極大的便利 2.3組織結(jié)構(gòu)仿生 這方面的仿生是結(jié)合生物科學(xué)而進行的深層應(yīng)用，也從微觀角度上實現(xiàn)了人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。在相關(guān)的機械仿生設(shè)計中，其通常在材料生產(chǎn)方面收效較為顯著，因此而推出的一系列仿生材料也良好地適應(yīng)了高強度、高效率的性能需求，為生產(chǎn)發(fā)展帶來了極大的經(jīng)濟效益。而通過對生物內(nèi)部組織機制一些必要性聯(lián)系的分析，機械微組裝、分級結(jié)構(gòu)設(shè)計等也都有了新的發(fā)展方向 2.4信息控制仿生 隨著信息化時代的到來，人們對于信息的傳遞與

5、控制要求也越來越高，而在這一方面，生物在不斷進化過程所擁有的一些能力同樣可以借鑒。具體地，在機械仿生設(shè)計中，信息管理設(shè)備往往能通過生物的一些信息獲取方式、反饋系統(tǒng)以及自主控制能力等得到全新的發(fā)展空問，不僅生產(chǎn)質(zhì)量得以有效保證，而且實際效率也隨之大大提高、3filL械仿生設(shè)計主要研究方向仿生機械學(xué)是以力學(xué)或機械學(xué)作為基礎(chǔ)的，綜合生物學(xué)、醫(yī)學(xué)及工程學(xué)的一門邊緣學(xué)科，它既把工程技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、生物學(xué)，又把醫(yī)學(xué)、生物學(xué)的知識應(yīng)用于工程技術(shù)。它包含著對生物現(xiàn)象進行力學(xué)研究，對生物的運動、動作進行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會的要求付之實用化。  3.1機械仿生理論與機理研究 機械仿生設(shè)計比傳統(tǒng)

6、機械設(shè)計范疇更寬、更廣，從概念設(shè)計到產(chǎn)品開發(fā)要實現(xiàn)與工程仿生學(xué)，包括生命科學(xué)、生物科學(xué)等在內(nèi)的多層次、全方位上的滲透，通過對生物原形機理、機構(gòu)的研究，創(chuàng)造和完善仿生機械設(shè)計的全新理論體系，從而為新型仿生機械產(chǎn)品的開發(fā)與生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。 在該領(lǐng)域，我國已經(jīng)開展了以工程機械和農(nóng)業(yè)機械為典型的地而機械仿生脫附減阻研究，引起國內(nèi)外同行的廣泛關(guān)注。包括生物非光滑脫附減阻、生物體表潤濕性、生物柔性和生物電與生物潤滑等內(nèi)容，以及與之相對應(yīng)的仿生非光滑脫附減阻、仿生脫附減阻材料、仿生柔性脫附和仿生電滲原理等方而基礎(chǔ)性機理研究，目前形成了比較完善的的生物脫附與機械仿生研究理論體系與方法體系u，并且在此基礎(chǔ)上逐步進

7、行規(guī)范和升級。 3.2計算機輔助仿生設(shè)計 計算機輔助設(shè)訊CAD)技術(shù)的吃速發(fā)展使機械形狀、結(jié)構(gòu)和機構(gòu)的快速演化、變異與再生成為可能，可以加快機械產(chǎn)品的標準化和系列化設(shè)計進程，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。主要包括:優(yōu)化設(shè)計與CAl)造型、逆向工程與三維建模、動態(tài)模擬與工程仿真、仿生型構(gòu)形CAl)系統(tǒng)等。 根據(jù)土壤動物柔性非光滑的特征規(guī)律和仿生類比結(jié)果，采用數(shù)值優(yōu)化為仿生柔性非光滑而的尺寸設(shè)計提供了依據(jù)，根據(jù)布爾運算理論，采用體素拼合CAl)造型技術(shù)，對轉(zhuǎn)動和移動復(fù)合柔性進行建模，構(gòu)造出鏈戮圖3a)、布戮圖3b)仿生柔性非光滑表而，具有良好的減粘降阻作用iz。根據(jù)單個牛蹄角表而，利用直接特征曲線生成曲而

8、法重構(gòu)牛蹄角的三維兒何模緞圖3c)，為逆向工程技術(shù)應(yīng)用到工程仿生領(lǐng)域定量研究動物步行足三維兒何特征及松軟地而仿生步行技術(shù)的發(fā)展提供了一定的基礎(chǔ)13。根據(jù)單個穿山甲鱗片建立數(shù)學(xué)模型，并把多個鱗片按一定分布規(guī)律排列，通過調(diào)整參數(shù)可以很好的模擬不同鱗片形狀的非光滑體淑圖3d)，為仿生推土板設(shè)計提供優(yōu)化數(shù)據(jù)on 3.3機械仿生控制與系統(tǒng)集成 典型控制系統(tǒng)山中央處理系統(tǒng)集中處理各傳感器采集的各種信號，再山中央處理系統(tǒng)給各執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出不同的行動指令。但是，在動物體中還有與之平行的另一個非神經(jīng)反饋生物前饋控制機制，或稱之為機械超前反饋。例如，肌肉骨骼系統(tǒng)在抵抗外力時能根據(jù)其變形情況迅速進行調(diào)整，這種調(diào)整能在

9、最快的神經(jīng)反射之前就完成。這種前饋能減少神經(jīng)系統(tǒng)造成的不穩(wěn)定性，保證了對全系統(tǒng)的控制質(zhì)量。在復(fù)雜的機械系統(tǒng)控制中，如果能引入機械前饋的機制，對于減少中央處理系統(tǒng)的負擔、簡化控制系統(tǒng)、提高系統(tǒng)的控制速度與質(zhì)量都具有重人的意義。3.4仿生機器人設(shè)計仿生機器人包括仿生物和仿人兩類，前者模仿各種生物，如蛇、螃蟹、蜘蛛、蜜蜂等的功能，后者模仿人的肌體構(gòu)造或器官功能，如仿人于、于臂、步態(tài)等功能IS。仿生物機器人尤其是小型機器人在災(zāi)難事故中，可以很好地完成攀巖、滅火、鉆洞、浮水等人類難以完成或者對救援人員有極人傷害的救助活動。仿人機器人能搬桌子、抬東西，可以幫助人類尤其是老年人進行重體力的生活必要勞動。一些

10、能唱歌、會跳舞的人形和動物形狀機器人在帶給人們快樂的同時，也激發(fā)了人類對科學(xué)的濃厚興趣。 仿生機器人根據(jù)不同的需要設(shè)計特殊的生物功能，目前山于社會需要還不充分，難免被人們視為“不實用”，但是這種在機器人上體現(xiàn)的技術(shù)可以為其他領(lǐng)域做好技術(shù)儲備。所以，仿生機器人必將是超出人類一般需求之前探索的一門真正的前沿kexue 4結(jié)束語 機械仿生設(shè)計順應(yīng)人與自然和諧發(fā)展潮流的必然趨勢，極具創(chuàng)新魅力和強人生命力。在機械結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計、運動機構(gòu)仿生設(shè)計和控制仿生設(shè)計中，不要過于追求對動物運動效果惟妙惟肖的模仿，要注意到動物運動的“原動機”與人造發(fā)動機的根本不同16。仿生機械機構(gòu)多為一系列旋轉(zhuǎn)關(guān)歡或移動關(guān)節(jié))連接起

11、來的開式運動鏈，這使其運動分析和靜力分析復(fù)雜化，運動操作位姿與各關(guān)節(jié)變量、受力和力矩之間的關(guān)系等，均不是一般機械機構(gòu)分析方法能夠解決的。因此，機械仿生設(shè)計具有多樣性和復(fù)雜性。在滿足基本運動形式、運動規(guī)律或運動軌跡等條件下，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)簡單化、機構(gòu)小型化，使仿生機械產(chǎn)品具有較好的動力學(xué)性能，以提高整體效率。 參考文獻 fll邱支振.機械工程的未來與仿生J.安徽工業(yè)人學(xué)學(xué)報.2002, 19 (3): 230- 232 QIU Zhi一zhen. Future of mechanicalengineering and bionics, Journal of East China University

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