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(jī)械設(shè)計(jì)的理念和技術(shù)隨之也迎來(lái)了多元化的發(fā)展。近年來(lái)，隨著仿生學(xué)在機(jī)械設(shè)計(jì)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(chǎng)經(jīng)濟(jì)也隨之得到了一定促進(jìn)，為我國(guó)生產(chǎn)機(jī)械化的推進(jìn)提供了巨大的動(dòng)力。本文分析了機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中的相關(guān)基本內(nèi)容，并就仿生學(xué)原理在機(jī)械設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用作出淺要論述。 關(guān)鍵字:仿生學(xué);機(jī)械設(shè)計(jì);應(yīng)用 1引言 仿生學(xué)是一門(mén)實(shí)現(xiàn)生物特點(diǎn)與技術(shù)有效融合的科學(xué)，其通過(guò)對(duì)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)其理念創(chuàng)新和技術(shù)變革。在實(shí)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(dòng)化裝置等，而且在設(shè)計(jì)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(jī)械產(chǎn)品的推出，仿生學(xué)應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中越來(lái)越受到重視，相應(yīng)的研究投入也正逐年增加。當(dāng)然，近年來(lái)機(jī)械仿生設(shè)計(jì)方面取得的成就也不在少數(shù)，隨著時(shí)代的發(fā)展而得到了不斷深入、廣泛和有效的推進(jìn)。 2 ) L械仿生設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容 當(dāng)前形勢(shì)卜，機(jī)械仿生設(shè)計(jì)無(wú)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(jì)走向了新型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。目前，機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)已然建立起了全面的仿生體系，通過(guò)對(duì)生物科學(xué)的有益吸收，主要實(shí)現(xiàn)了以卜幾個(gè)方而的仿生設(shè)計(jì): 2.1功能特性仿生 在自然界的長(zhǎng)期發(fā)展演變

3、中，生物為了更好適應(yīng)周?chē)h(huán)境的改變，逐漸形成了自身獨(dú)有的功能特性。而在機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中，這一點(diǎn)往往能為各方面的工作指引一個(gè)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(jì)實(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)不再拘泥于傳統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)，而更多擁有了其靈活h與實(shí)效性。 a.a運(yùn)動(dòng)特征仿生 #J L械設(shè)計(jì)中，運(yùn)動(dòng)體系的規(guī)劃往往是重點(diǎn)以及難點(diǎn)，同樣，在機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中，生物運(yùn)動(dòng)特征的仿生也必不可少。對(duì)于這些生物與生俱來(lái)的特點(diǎn)，通過(guò)將其板塊化、細(xì)節(jié)化，便能從中找出與實(shí)際生產(chǎn)工作的良好結(jié)合點(diǎn)，使得相應(yīng)的

4、機(jī)械設(shè)計(jì)更貼合自然，因而應(yīng)用水平也就隨之提高。目前的運(yùn)動(dòng)特征仿生中，對(duì)生物基本運(yùn)動(dòng)方式、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)等都進(jìn)行了全面的研究，而實(shí)際生活中的一些相關(guān)機(jī)械設(shè)備也為生產(chǎn)工作帶來(lái)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(jìn)行的深層應(yīng)用，也從微觀角度上實(shí)現(xiàn)了人與自然的協(xié)調(diào)發(fā)展。在相關(guān)的機(jī)械仿生設(shè)計(jì)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(qiáng)度、高效率的性能需求，為生產(chǎn)發(fā)展帶來(lái)了極大的經(jīng)濟(jì)效益。而通過(guò)對(duì)生物內(nèi)部組織機(jī)制一些必要性聯(lián)系的分析，機(jī)械微組裝、分級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)代的到來(lái)，人們對(duì)于信息的傳遞與

5、控制要求也越來(lái)越高，而在這一方面，生物在不斷進(jìn)化過(guò)程所擁有的一些能力同樣可以借鑒。具體地，在機(jī)械仿生設(shè)計(jì)中，信息管理設(shè)備往往能通過(guò)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(wèn)，不僅生產(chǎn)質(zhì)量得以有效保證，而且實(shí)際效率也隨之大大提高、3filL械仿生設(shè)計(jì)主要研究方向仿生機(jī)械學(xué)是以力學(xué)或機(jī)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(mén)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(shí)應(yīng)用于工程技術(shù)。它包含著對(duì)生物現(xiàn)象進(jìn)行力學(xué)研究，對(duì)生物的運(yùn)動(dòng)、動(dòng)作進(jìn)行工程分析，并把這些成果根據(jù)社會(huì)的要求付之實(shí)用化。  3.1機(jī)械仿生理論與機(jī)理研究 機(jī)械仿生設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)

6、機(jī)械設(shè)計(jì)范疇更寬、更廣，從概念設(shè)計(jì)到產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要實(shí)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(guò)對(duì)生物原形機(jī)理、機(jī)構(gòu)的研究，創(chuàng)造和完善仿生機(jī)械設(shè)計(jì)的全新理論體系，從而為新型仿生機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)打下基礎(chǔ)。 在該領(lǐng)域，我國(guó)已經(jīng)開(kāi)展了以工程機(jī)械和農(nóng)業(yè)機(jī)械為典型的地而機(jī)械仿生脫附減阻研究，引起國(guó)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(rùn)濕性、生物柔性和生物電與生物潤(rùn)滑等內(nèi)容，以及與之相對(duì)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(jī)理研究，目前形成了比較完善的的生物脫附與機(jī)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(jìn)

7、行規(guī)范和升級(jí)。 3.2計(jì)算機(jī)輔助仿生設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)訊CAD)技術(shù)的吃速發(fā)展使機(jī)械形狀、結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)的快速演化、變異與再生成為可能，可以加快機(jī)械產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化和系列化設(shè)計(jì)進(jìn)程，縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。主要包括:優(yōu)化設(shè)計(jì)與CAl)造型、逆向工程與三維建模、動(dòng)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(dòng)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(jì)提供了依據(jù)，根據(jù)布爾運(yùn)算理論，采用體素拼合CAl)造型技術(shù)，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)復(fù)合柔性進(jìn)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(gè)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(dòng)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(gè)穿山甲鱗片建立數(shù)學(xué)模型，并把多個(gè)鱗片按一定分布規(guī)律排列，通過(guò)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(jì)提供優(yōu)化數(shù)據(jù)on 3.3機(jī)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(hào)，再山中央處理系統(tǒng)給各執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出不同的行動(dòng)指令。但是，在動(dòng)物體中還有與之平行的另一個(gè)非神經(jīng)反饋生物前饋控制機(jī)制，或稱之為機(jī)械超前反饋。例如，肌肉骨骼系統(tǒng)在抵抗外力時(shí)能根據(jù)其變形情況迅速進(jìn)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(duì)全系統(tǒng)的控制質(zhì)量。在復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)控制中，如果能引入機(jī)械前饋的機(jī)制，對(duì)于減少中央處理系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)、簡(jiǎn)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(jī)器人設(shè)計(jì)仿生機(jī)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(jī)器人尤其是小型機(jī)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(duì)救援人員有極人傷害的救助活動(dòng)。仿人機(jī)器人能搬桌子、抬東西，可以幫助人類尤其是老年人進(jìn)行重體力的生活必要?jiǎng)趧?dòng)。一些

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

11、來(lái)的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈，這使其運(yùn)動(dòng)分析和靜力分析復(fù)雜化，運(yùn)動(dòng)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(jī)械機(jī)構(gòu)分析方法能夠解決的。因此，機(jī)械仿生設(shè)計(jì)具有多樣性和復(fù)雜性。在滿足基本運(yùn)動(dòng)形式、運(yùn)動(dòng)規(guī)律或運(yùn)動(dòng)軌跡等條件下，應(yīng)注意結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、機(jī)構(gòu)小型化，使仿生機(jī)械產(chǎn)品具有較好的動(dòng)力學(xué)性能，以提高整體效率。 參考文獻(xiàn) fll邱支振.機(jī)械工程的未來(lái)與仿生J.安徽工業(yè)人學(xué)學(xué)報(bào).2002, 19 (3): 230- 232 QIU Zhi一zhen. Future of mechanicalengineering and bionics, Journal of East China University

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