仿生技术在汽车设计中的应用研究

吴娜，马云海

(1.山东交通学院，山东济南 250023；2.吉林大学，吉林长春 130022)



仿生技术在汽车设计中的应用研究

吴娜1，马云海2

(1.山东交通学院，山东济南 250023；2.吉林大学，吉林长春 130022)

摘要：仿生技术是仿生学研究在实际工程中的应用。仿生技术通过研究生物体对生存环境独特神奇的身体形态、微观机构和生物功能为实际新技术研究和应用激发仿生灵感和提供生物参考原型。从汽车造型、汽车材料、汽车减阻、汽车功能等方面研究了汽车设计中仿生技术的应用并展望未来汽车仿生技术，为仿生技术在汽车上的应用提供思路。

关键词：仿生学；车辆工程；汽车造型；汽车材料；汽车减阻

0引言

自然界的生物通过长期进化对生存环境已具有很强的适应性,这种适应性表现在生物体应对生存环境独特的身体形态、身体结构和特殊的生物功能。这些生物体神奇合理的形体结构和功能为人类解决工程难题提供设计灵感和仿生原型。仿生学就是通过研究生物体的结构、功能和工作原理，有意识地进行复制、改进和创新，并应用于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和设备，创造改良新技术[1]。经过几十年的发展，仿生学已在理论研究和工程应用方面取得了显著的研究成果。汽车，作为一种机电产品，在其快速发展过程中，许多灵感和创新技术也来自于仿生学研究。

1汽车外型仿生技术

自然界不同动物的外型展示不同的魅力：狮子凶猛，雄鹰犀利，甲壳虫乖巧......除独具个性魅力外,动物流线型的外型使其在运动过程中可以减小空气阻力。动物外型为汽车造型设计提供了生物原型。

汽车仿生造型中最成功的为甲壳虫汽车设计。1933年德国的Ferdinand PORSCHE博士设计了一款类似甲壳虫外形的汽车。Porsche最大限度地发挥了甲壳虫外形的长处(如图1所示)。由于甲壳虫汽车外型可爱独特，颇具动感、强健、精致的特点使其深受人们喜爱。至2003年7月30日，全球已生产甲壳虫汽车2 200万辆。至今大街上仍然可以看到甲壳虫汽车。甲壳虫汽车是汽车造型中的经典之作，也是汽车造型与仿生学结合的完美之作。

图1　大众汽车公司的仿甲壳虫汽车

鱼型车是汽车发展史上的一个时代，它克服了船型车在高速行驶时产生较强空气涡流的弊端，从船型车进化来的斜背设计使其不会产生涡流，同时其横截面积和迎面阻力小。1964年和1965年的克莱斯勒汽车公司和福特汽车公司均开始批量生产鱼型汽车。鱼型车的设计真正实现汽车流线型车身外形设计。

宝马公司在2005上海国际车展上隆重推出H2R氢燃料轿车。此款氢燃料汽车在动力方面可实现排量6 L、最大输出功率超过210 kW、静态加速到100 km/h用时6 s、最高车速302.4 km/h。在法国Miramas高速试车场此款车创下氢燃料内燃动力汽车的9项全球速度记录。除了轻巧的铝制底盘、硬壳式铝制空间框架和碳纤维强化塑料的应用外，在车身造型方面进行仿生设计。H2R轿车车身造型设计灵感来源于海豚和企鹅的低阻身材(如图2所示)：圆鼓的前脸、收起的尾部、极小的正锋面，使其具有0.21的阻力系数。车后的扰流板能够防止可能降低车速的空气涡流产生。车身每一处细节的设计都达到最佳的空气动力学特性要求。这些精致设计的综合成就此款车在同类跑车中9项速度记录的创造者。

图2　宝马汽车公司仿海豚汽车

奔驰汽车在近来的车身造型设计中采用肌肉感设计，使汽车造型刚柔并济，动感十足(如图3所示)。同时保时捷911仿青蛙造型、雪佛兰camaro仿大黄蜂造型、法拉利F430仿马造型、吉利熊猫仿大熊猫造型(如图4所示)等均是汽车造型的仿生设计很成功的典范。汽车造型的仿生设计不但使汽车外型多彩、独特，同时流线型的车身设计也有利于减小汽车行驶阻力。

图3　奔驰汽车公司的仿肌肉造型汽车

图4　吉利汽车公司的仿熊猫造型汽车

除了整车造型仿生设计外，汽车局部仿生学设计也取得很好的效果。汽车车灯作为汽车的眼睛，除具有照明功能外，对汽车造型美观具有画龙点睛作用。如宝马、奔驰、别克、马自达等汽车在车灯设计上采用仿鹰眼造型(如图5所示)，使车灯看起来线条更流畅，感觉更深邃；捷豹汽车和别克汽车车灯采用仿豹眼造型，线条硬朗，感觉更霸气。同时汽车的鸥翼车门、树叶形后视镜、仿生翼子板等部位的仿生设计为汽车带来独特的设计风格和时尚的设计感官。

在动物界中蜂巢结构算是非常独特的。蜜蜂的蜂巢开口端为六角形，封底端为六角形棱锥体，由3个相同的菱形组成，是严格的六角柱形体。蜂巢结构具有用材少、质量轻、强度高的优良物理性能。基于此结构的优点，各种飞行器外壳采用蜂窝夹层结构提高飞行器强度，减轻质量。我国的“神州”号飞船外壳也采用蜂窝结构制作。同时六角形架构设计在建筑材料中广泛使用。

美国固铂轮胎公司联合麦迪逊聚合物研究中心合作开发了仿蜂巢结构轮胎，在支撑结构设计上采用蜂巢的六面体设计如图6所示。仿生轮胎具有质量轻、强度高、防御能力强和减震性能好的特点。与传统轮胎相比，仿生轮胎无需充气，抵御破坏能力强。仿蜂巢结构轮胎满足抵御临时爆炸装置袭击且遭遇袭击后仍以80.47 km/h(50英里/小时)的速度行驶。仿蜂巢轮胎的发明对于越野汽车和军用车辆具有重要意义。

图5　汽车车灯的仿生造型设计

图6　仿蜂巢六边形结构轮胎

2汽车材料仿生技术

随着汽车技术的发展，环保节能越来越成为汽车发展的必然趋势。为满足汽车节能环保要求，汽车轻量化研究和汽车新材料应用成为促进现代汽车发展的重要技术。仿生学研究为轻量化设计和新材料研究提供新思路和仿生原型。

在漫长的进化过程中，生物复合材料实现了自身的高度优化。天然生物复合材料具有多极精巧组装结构和优良的力学性质，对天然生物复合材料的研究及其仿生应用正日益受到人们的极大重视。工程人员研究了竹子、贝壳、牙齿、骨骼、昆虫外甲壳等生物材料的组成、结构、力学特点，发现生物材料独特的材料组成和几何结构是实现其质量轻、耐冲击、大韧性和高强度性能的机制所在(如图7所示)。SARIKAYA等[2]研究了贝壳的结构组成和力学机制并应用于陶瓷复合材料中，将断裂韧性提高了40%。陈斌等人[3]在蝉、蜣螂等昆虫的外甲中发现了“钉柱”结构和连续不断绕过孔洞的纤维结构，进行了仿生双螺旋铺层层合板和仿生预成形孔洞复合材料的试制。试验结果发现：与普通铺层层合板相比，它们具有较高的断裂韧性和强度。

汽车材料一直以金属尤其是钢作为首选，钢材除了具有强度高、硬度好等优点外，应用于汽车最大的缺点是质量大。为实现汽车轻量化必须找到新型的替代材料。铝合金、镁合金、泡沫合金、复合材料夹芯板、工程塑料等材料开始应用于汽车设计中，随着轻量化的设计要求，这些材料在汽车上的应用越来越广泛。

通过对自然界动物骨骼等物质结构的研究，新型轻量化材料和新型制造工艺被发明和使用。发泡材料是一种新型轻量化材料。发泡金属、发泡塑料等材料是通过研究动物羽毛、壳体、骨骼等内部独特而复杂的中空结构而汲取的灵感。发泡材料内部具有的多孔组织使材料质量大大减小，但材料的强度、韧性、抗冲击能力等大大增强。宝马汽车公司发明的整体注塑发泡技术也得益于仿生学研究。将催化剂加入熔化的塑料里，在高温环境下释放出气体，就像酵母在制作蛋糕中的催化作用。一旦模具充满，零件的表面凝固变硬，模具就在设定的程序下打开。这样可以降低零件内部仍是流体状态的压力，使气体在熔化的塑料里形成泡孔。经过此工序，零件的质量减少近20%。同时基于生物学增长规律的汽车结构形状优化设计方法可以减少零件质量，延长零件使用寿命。未来仿生材料在汽车轻量化设计中会越来越受到重视，植物强化纤维、竹纤维等不同结构的材料作为汽车新型材料其应用范围会越来越广。

生物复合材料的细观机构和材料组成为人类改善现有复合材料和发展新型仿生复合材料提供了仿生基础,飞行生物对材料强度、刚度、韧性、质量等性能的要求与汽车轻量化材料的要求相一致。同时对生物复合材料的自我诊断、自我调整和自我修复能力的深入研究将为汽车仿生智能复合材料的研究提供新的思路和有利的指导。

图7　昆虫外甲壳的复合结构

3汽车减阻仿生技术

生物表面是生物体与生存环境介质相互接触且直接作用的外表面，是生物体与外界进行信息流、能量流和物质流传递与交换的窗口，生物表面大量的已知和未知信息、功能、特性对人类、工程、生物及相关学科的发展都有巨大的借鉴意义。自然界动物宏观表现出的减黏脱附性能与其独特的微观结构是密不可分的。通过研究生物体表面的特殊特性和形态特征，并进行仿生设计，在汽车齿轮、汽车刹车片、内燃机缸套、汽车进气管道等仿生非光滑减阻耐磨设计中取得较好成果。研究发现：蜣螂体表、穿山甲鳞片、贝壳等表面结构在长期的进化过程中优化出良好的减阻耐磨性能，体表微观结构如图8(a)和(b)所示。研究证明：动物体表表面覆盖的凹坑、凸包、棱纹、薄片等非光滑微观结构具有良好的减阻特性,工程仿生应用效果良好[4-6]。

提高内燃机的可靠性、耐久性和降低故障率，一直是内燃机技术发展的一个重要研究方向。活塞与缸套是内燃机中的一对重要摩擦副，其使用寿命直接影响着内燃机的使用寿命和可靠性。邓宝清等[7]将仿生非光滑结构用于活塞和缸套表面(如图8(e)所示)，实验结果证明:仿生非光滑结构活塞较普通结构的活塞耐磨性提高了4倍。主要原因是：通过设计非光滑结构增加活塞与缸套间的储油能力，改善润滑条件，有利于油膜的形成，同时有助于抑制摩擦表面温升。王国林等[8]在170F柴油发动机进气喉管内设计出凹坑非光滑仿生减阻表面，凹坑直径为0.6 mm、深度为0.1 mm、轴向距离取1.1 mm。进气道空气流动仿真分析表明，这种光滑仿生设计将进气道进气阻力减小14.2%左右，流通系数提高1.2%左右。基于蜣螂头部、鲨鱼体表、信鸽尾羽和蝴蝶翅面鳞片的非光滑结构设计了凹坑、凸包、U形沟槽和V形沟槽4种仿生非光滑单元体并应用于柴油机螺旋进气道内表面，流体软件分析发现：在流量系数变化程度较小的情况下，仿生非光滑表面进气道可以显著提高涡流强度，优化半开式燃烧室的燃烧效果[9]。

为提高汽车用制动毂的耐磨性和使用寿命,运用仿生耦合原理实现制动毂表面的条纹状和网格状等仿生非光滑结构设计(如图8(d)所示)。试验结果表明:仿生耦合制动毂具有优良的耐磨性和较高的摩擦因数,在实际工况下比普通制动毂寿命提高50%以上[10]，同时对制动毂进行激光仿生耦合处理能够明显提高其抗热疲劳性能，使用寿命延长1倍[11]。

齿轮传动是汽车变速箱中传递运动和动力的主要形式之一。齿轮副长期处于较高载荷作用之下，工作齿面局部区域会出现点蚀和裂纹，最终导致齿轮的疲劳失效。研究人员从贝壳、海笋等海洋贝壳表面近似网格状的形态得到启发，通过激光雕刻技术对汽车变速器齿轮齿面进行仿生形态设计。研究发现：仿生表面形态齿轮的抗弯曲疲劳性能较普通齿轮的显著增强，其弯曲疲劳寿命提高了1.06～1.42倍。同时还发现：仿生表面形态齿轮的最大温差值小于普通齿轮，均匀的温度梯度变化对齿轮裂纹的萌生和扩展具有一定的遏阻作用[12]。

图8　生物体表的非光滑结构及其在汽车部件的仿生设计

4汽车功能仿生研究

动物对环境具有很好的适应性。骆驼被称为“沙漠之舟”，对沙漠环境具有很强的适应能力，表现在骆驼不仅有适应沙漠环境的体态而且具有高通过能力的驼蹄。研究发现驼蹄具有较厚的皮下层，可以起到弹性缓冲作用,且驼蹄的指枕受压力后，可向周围扩展，增大了足与沙的作用面积。骆驼行走时，驼蹄平行沙面入沙,垂直于沙面出沙，对沙形成较小扰动。驼蹄盘面以一定倾斜角度对沙面作用。这些作用方式使驼足产生较大的向前推力。通过对骆驼在沙地上行走时的运动特性、驼蹄下的应力变化及驼蹄与沙的相互作用特性的研究发明了仿驼蹄轮胎(如图9所示)，可以提高车辆在沙漠及松软地面的通过性。实验研究表明:仿驼蹄轮胎比普通轮胎具有较好的牵引性能，可以有效提高车辆的越沙能力，同时改善车轮的垂直振动性能[13-14]。

伴随汽车技术的发展，汽车行驶速度越来越快，汽车安全性日益受到重视。为实现汽车的安全性和智能化，高科技仿生技术为汽车设计和研究提供新思维和新方法。

眼睛是人不可缺少的器官。没有眼睛人们将无法出行。正是基于视觉对周围事物识别的重要性，现代汽车装置的车载摄像头、雷达、红外线探测器、激光传感器等起到了汽车“眼睛”的作用。这些装备用来识别汽车周围的环境状况，探测一些障碍物或前车与汽车的距离和准确位置，判断车辆行驶的潜在危险性。将探测信息传递给驾驶员以使驾驶员更好更安全地驾驶汽车，或通过车辆智能控制系统对汽车采取自动变速、制动等措施，以避免汽车追尾、撞击行人或撞击障碍物，实现汽车防撞保护的功能[15-16]。如沃尔沃XC60、一汽-大众CC的2.0 T和3.0 L、一汽丰田锐志的2.5 L和3.0 L、奥迪A6L的2.8 L V6和3.0机械增压等车均配备自适应巡航和自动刹车系统以避免追尾，减少事故的发生。

图9　仿驼蹄轮胎

嗅觉功能对一些生物具有非常重要的作用，体现在帮助生物寻找食物、识别同类及同类间的信息交流等方面。为保证汽车的行驶安全性，要求驾驶员必须远离酒驾。车载酒精传感器通过类似动物嗅觉的方式来识别酒驾。传感器通过气敏元件对驾驶员呼吸出的酒精气味及浓度进行识别，当酒精浓度达到设定的限值时即可判定驾驶员属于酒驾，启动相关程序如发出驾驶警告，对于严重酒驾的锁止车辆使其无法启动，以保护汽车行车安全，避免酒驾事故发生。目前车载酒精检测仪在沃尔沃等汽车上已获应用。

偏振光是指只在某个方向上振动，或者某个方向的振动占优势的光。太阳光本身并不是偏振光，当它穿过大气层，受到大气分子或尘埃等颗粒的散射后，变为偏振光。动物利用太阳偏振光来进行导航定位现象非常普遍[17]。例如，蚂蚁和蜜蜂等动物都能用天空的偏振光来导航，根据太阳方位的变化进行时间、方向的校正。科学家受益于蜜蜂偏振光定向本领，研制出偏振定向器用于飞机、舰船等的航行定向。有些动物可以利用较暗的月光偏振光来进行导航定向[18]。利用月光进行导航定向的特性对研究夜用定向仪器具有重要的仿生指导价值。未来这些仿生偏振光导航定向装置对于汽车在沙漠或特殊地带的行驶定向具有重要意义。

研究发现荷叶表面具有抗脏自洁的神奇功能，当水滴在表面滚动时会带走表面的污染物和灰尘，达到自清洁的效果。荷叶叶面的自清洁功能被称为“荷叶效应”。最早是由德国波恩大学植物学家BARTHLOTT[19]发现。荷叶的自清洁功能源于其表面蜡质材料疏水性和微观粗糙结构的综合作用。疏水性在动物界也是比较普遍的。WAGNER等[20]对97种昆虫翅的微观结构与润湿性及其自清洁能力进行了研究，发现一些昆虫的翅表面较强的疏水性使其具有自清洁能力。植物与动物体表的超疏水性为人们研究防水、防污材料提供仿生原型。国外已尝试将仿生自清洁油漆用于建筑物外墙喷漆，通过雨水的冲洗建筑物即可干净。科学家研究将仿生油漆用于汽车表面喷漆。仿生油漆的防水和自清洁作用将保持汽车干净鲜艳。即使有灰尘落在汽车表面，通过水淋即可轻易将污渍带走，光洁如新。同时如果这种疏水薄膜用于汽车玻璃，可大大降低汽车雨天行车危险性。

5结论

汽车，作为现代生活中必不可少的代步工具，节能环保、安全舒适是其必然发展趋势。仿生技术在汽车设计制造中的应用加速汽车安全、环保、智能的发展步伐，为解决汽车发展过程中的技术难题提供仿生思路和指导。目前的汽车仿生技术还是形态、功能和材料等单个层面的独立仿生应用。随着仿生学的发展与完善，今后汽车仿生技术将实现形态、材料、功能、结构等不同方面耦合一体的综合仿生研究，实现生物宏观形态和微观结构及功能为一体的多维仿生应用。

参考文献:

【1】LU Y.Significance and Progress of Bionics[J].Journal of Bionics Engineering,2004,1(1):1-3.

【2】SARIKAYA M,GUNNISON K E,YASREBI M,et al.Seashells as a Natural Model to Study Laminated Composites[M].Lancaster Pemnsyl Vania:Tech Pub CoInc,1990：176-83.

【3】陈斌,彭向和,范镜泓.生物自然复合材料的结构特征及仿生复合材料的研究[J].Acta Metallurgica Sinica(English letters),2000,17(3):59-62.

【4】任露泉,丛茜,陈秉聪,等.几何非光滑典型生物体表防粘特性的研究[J].农业机械学报,1992,23(2):29-35.

【5】TONG J,REN L Q,CHEN B C.Geometrical Morphology,Chemical Constitution and Wettability of Body Surfaces of Soil Animals[J].Int Agr Eng J,1994,3(1/2):59-68.

【6】REN L Q,TIAN L M,LI J Q,et al.The Characteristic of Drag Reduction by Biomimetic Non-smooth Surface[J].Journal of Bionics Engineering,2007(4):109-116.

【7】邓宝清,任露泉,陈庆海,等.仿生非光活塞缸套系统耐磨机理分析[C]//农业机械学会学术年会论文集,北京,2003.

【8】王国林,付晶.发动机进气道三维数值模拟及仿生设计[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2013,32(5)：1055-1058.

【9】隗海林,王海洲,倪伟新,等.仿生非光滑表面对车用柴油机螺旋进气道流通特性的影响[J].吉林大学学报(工学版),2014,44(3)：668-674.

【10】宋起飞,刘勇兵,周宏,等.激光制备仿生耦合制动毂的摩擦磨损性能[J].吉林大学学报(工学版)，2007，37(5)：1069-1073.

【11】张志辉,任露泉,周宏,等.抗热疲劳仿生耦合制动毂的激光加工参数[J].吉林大学学报(工学版)，2009,39(4):953-958.

【12】吕尤.网格型仿生表面形态汽车齿轮抗疲劳性能研究与数值模拟[D].长春：吉林大学，2012.

【13】李杰,庄继德,魏东.沙漠仿生轮胎的静态特性和动态特性研究[J].农业机械学报，2007,38(9)：30-33.

【14】李杰,庄继德,魏东.沙漠用仿驼蹄橡胶轮胎的设计与试验研究[J].农业工程学报,1999,15(2):32-36.

【15】伍宗富,陈日新,朱明旱.基于图像识别的汽车智能防撞系统研究与实现[J].机械与电子,2008(9):56-60.

【16】潘福全,符传聪,魏慧娟,等.基于超声波的汽车倒车防撞系统设计[J].机械工程与自动化,2010(2):145-147.

【17】WATERMAN T H.Animal Navigation[M].New York:Scientific American Books,1989.

【18】MARIE D,NANERIC N,CLARKe H S,et al.Animal Behavior：Insect Orientation to Polarized Moonlight[J].Nature,2003,424:33.

【19】BARTHLOTT W,NEINHUISC C.Purity of the Sacred Lotus,or Escape from Contamination in Biological Surfaces[J].Planta,1997,202(1):1-8.

【20】WAGNER T,NEINHUIS C,BARTHLOTT W.Wettability and Contaminability of Insect Wings as a Function of Their Surface Sculptures[J].Acta Zoologia(Stokholm),1996,77(3):213-225.

Application of the Bionics Technology in Automobile Engineering

WU Na1，MA Yunhai2

(1.Shandong Jiaotong Univercity，Jinan Shandong 250023,China；2.Jilin University, Changchun Jilin 130022,China)

Abstract:Bionics technology is application of bionics research in practical engineering. Through the study of the biological form, the unique microscopic mechanism and biological function, bionics technology provides bionic inspiration and biological reference prototype for the new technology research and application in automotive engineering. Four aspects of the automotive bionics technology were researched, including car styling，materials，resistance reduction and functions. The conclusions can provide guidance for the applications of bionics technology in automobile engineering in the future.

Keywords:Bionics；Vehicle engineering；Car styling；Automotive materials；Automotive resistance reduction

收稿日期：2015-08-31

作者简介：吴娜(1977—)，女，博士，副教授，主要研究方向为机械仿生设计。E-mail:wuna1978@163.com。

中图分类号:TH12

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)01-077-06