仿生学在机械产品中的应用技术

郭寒松

【摘 要】为了构建人与自然的和谐关系，当今社会必须要解决的首要难题，就是经济高速发展与能源极度消耗的矛盾。新的历史时期，人们更加重视仿生机械产品，以期提升其在能耗、控制、功能等方面的竞争力，在更广阔的层面发展机械仿生设计。本文首先对产品仿生学设计概念进行了简要介绍，并着重从四个方面，对于仿生学在产品机械设计中的应用进行了分析和探讨。

【关键词】产品机械设计;仿生学;概念;运用

产品设计是一门综合的学科门类，涵盖了物理、数学和工业设计等。它要求设计师能深入了解文化艺术和工业技术，并综合运用各类学科的美学设计思想。为了满足市场需求，在产品设计过程中，通过综合分析，而不断优化产品的功能、材料、结构和外形等。而作为人类學习和模仿大自然的重要方式，与大自然和谐共存的新型设计理念，在产品设计中应用仿生设计，能打造更多优质的产品，并更好的为人类服务。通过遵循仿生学设计理念，在产品设计思路中，融合自然界生物体的形态、结构、材料和功能等各类要素，既可以对用户需求给于满足，同时还能实现艺术品味的提高。随着不断更新的机械设计方法，开始向机械领域不断拓展其他领域的新技术和新理念。本文将对仿生学在产品机械设计中的应用进行着重分析。

1.产品机械仿生设计概念

机械仿生设计是指与仿生设计的理念和方式相结合，通过发散性思维和现有工程技术的有效运用，设计结构材料和机械产品，并凸显创新性。产品机械仿生设计是在创新过去机械设计方法的基础上，所诞生的一种新型的设计方法。信息化时代的到来，随着迅猛发展的计算机技术，也不断升级和更新了机械社会的方法和手段，并开始不断向机械设计领域渗透和移植各种新技术和新理念。而仿生学的发展，使机械设计的外延空间更加广阔，并圆满的解决了一些生物界的难题。

2.仿生学在机械产品中的具体应用

2.1机械结构仿生设计

作为机械仿生设计的重要组成，在机械结构仿生设计中，应对自然界生物体的结构形式与相应功能原理充分理解，通过仿生设计其功能和结构，以更好的服务人类。经过岁月的不断进化和洗礼，自然界的生物已经拥有了各种功能形态和结构形式。而作为机械仿生设计的源泉，这些结构形式和功能形态能为人类提供更多的借鉴和参考。以蜂巢的结构为例，通过综合分析这种力学结构，既能将材料的使用减少，同时还能提高结构的效能。而在特种飞行器件的结构设计中应用该结构，已经在实践中证实了该功效。再比如，花炮架构和复合纸板已经在包装中广泛运用。通过这种机械结构的设计，既可以减轻材料的使用和重量，也能对轴向抗压强度给于满足，同时还能对噪音进行吸收。

2.2机械运动机构仿生设计

作为机械仿生设计的重要组成，运动机构仿生设计是通过对动植物运动原理和特点充分了解的基础上，全面模仿运动的各个细节以及基本结构、运动的控制方式、运动功能。目前，在路面机械设计和现代机器人仿生设计这两个领域，开始广泛运用机构仿生设计，并取得了显著的成效。伴随着迅猛发展的工程技术，在人类的日常生活和教育等方向，已逐渐普及使用机器人。例如，多功能仿生手指的设计比较接近自然界生物体的肌肉。在路面机械方面，通过“半浮式理论”的运用，对于新型步行轮机构进行独创性的设计，并在松软土地等软性地基工程中广泛运用。而利用这一仿生设计的原理，还对一些运动阻力小、驱动力大的新型机构给予科学的指导。

2.3机械材料仿生设计

主要是通过对生物组织的结构、构成原理和材料的联系的研究，掌握材料特性，对材料的加工、制造和设计给于有效的指导，由此对机械的性能需求给于最大化的满足。现代新型复合材料研究的蓝本，就是生物复合材料的结构、原理等。而通过研究和分析天然生物材料的表面功能、形成原理，而制造出特种工程材料，拥有了仿生特性。

它将现有的金属材料与高分子材料代替，并对产品机械使用性能进行了有效的改善。

2.4机械运动控制仿生设计

在产品机械设计领域，现代机械系统整体运行性能的重要保障，就是机电液一体化及机械人工智能控制。而现代仿生设计中的一个关键研究点，就是智能控制仿生设计，其发展推动了仿生机器人领域的进步。过去的一段时间里，人们非常青睐针对各种形态的动植物的工农业机器。随着科技的进步，在欧美等发达国家，也不断提升了对仿生机器人的性能要求。这样不单单能对路面识别、行走定位给于满足，还能对目标形态进行准确识别，并对自身位置进行智能纠正和控制。

通过记忆作业，以实现智能的最大化。

3.产品机械仿生设计发展前景

作为为一种新型的设计方法，机械仿生设计与传统的产品机械设计方法相比较，综合了个门学科，并由此形成了更深远的产品设计理念。随着不断发展的科学技术，还需要对产品机械仿生设计的系统理论进一步研究与总结。并且与计算机发展技术有效结合，进行仿生的辅助设计，由此推动了机械控制系统和仿生设计集成方面的进步和发展。而作为未来产品设计的一个方向，产品机械仿生设计是产品机械设计理念的一次跨越性的进步，与未来科技发展趋势相符，并为产品设计的多元化发展提供了更加广阔的空间。

参考文献：

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（作者单位：长江大学工程技术学院）