仿生设计在张拉整体结构仿生水母推进器中的应用

张泽　孙建伟　孙金荣

关键词：仿生设计;张拉整体结构;仿生水母;推进器

中图分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2022）02-0115-02

近年来，伴随着智能机器人与仿生学的迅猛发展，仿生机器人逐渐受到各类研究人员的关注。仿生设计在一定程度上推动了设计工作的前进，在轮船、飞机和火车等设计当中均有一定的体现。国内外学者及相关研究单位对仿生设计进行了大量的研究，邵景峰在《仿生设计在汽车造型设计中应用的研究》一文中围绕汽车造型设计领域引入仿生设计，并通过实际案例分析了该方法的可行性与意义;张世梁在《基于蜘蛛网结构的伞状可展机构设计与分析》一文中以仿生设计理论为基础，对蜘蛛网结构的单元结构与形态特征进行提取，提炼出简化蜘蛛网机构的模型;李瑞在《基于仿生家居产品的设计方法研究》一文中以仿生家居产品为研究对象，将仿生设计融入家居产品设计的过程当中;罗仕鉴等人在《产品外形仿生设计研究现状与进展》一文中提出“自下而上”与“自上而下”的设计过程，并对产品仿生设计的相关方法进行总结归纳;陆冀宁等人在《3种不同的高速列车头车造型仿生设计》一文中对不同类型的列车头型仿生设计进行分析，探究产品性能与功能受仿生设计方式的影响;王鹏在《仿生机器水母推进理论与实验研究》一文中以动力学和仿生学理论为基础，对仿生机器水母的样机进行设计。从上述文献可知，对于仿生设计来说，其关键点就是将大自然中的生物系统、功能、结构、外形等进行模拟建造（如图1），从而完成产品的设计工作。文章以仿生设计理论为基础，分析其在张拉整体机构仿生水母推进器设计过程中的应用，以期为今后同领域设计起到指导性作用。

1仿生设计概述

仿生设计本质上是仿生学的某一分支，其主要的研究对象为自然界中的万物的形状、色彩、功能和结构等，并将研究对象的特征进行总结归纳，应用于设计产品的造型、结构和功能的设计当中，为产品设计提供新的途径、方法及原理。仿生设计的主要内容包括形态仿生、功能仿生和结构仿生，其中重点为功能仿生和形态仿生。形态仿生主要是对生物外部所呈现的形态和象征寓意进行研究归纳，并且利用艺术处理手段将归纳的内容应用在相关的产品设计当中;功能仿生主要对生物内部所具备的功能原理进行研究归纳，并通过归纳的原理对现有产品进行提升改进，在一定程度上促进产品迭代;结构仿生主要对生物内部的结构原理进行研究归纳，并应用于实际设计过程中。

2仿生设计在水母推进器中的应用意义

目前针对水母的研究多数聚焦于自身结构的设计和优化，并没有对水母水下运动特征所呈现的推进力及其宏观结构进行关注。随着人工智能的空前发展，水下仿真机器人受到越来越多专家学者的关注。利用研究、学习和模仿的仿生设计方法来对生物的形态、功能、结构、控制机制和工作原理等进行再造与复制，已经成为水机器人研究的重要内容。仿生水母作为机器人技术与水母推进机理相融合的产物，为新型水下航行器的研制开辟了新的思路，具有十分可观的应用前景和研究价值，可以在危险和狭窄的水下进行水下设备检修、水质监测、海洋生物观察、军事侦察、水下考古和水下救捞等工作。

3仿生设计在张拉整体结构仿生水母推进器中的应用思路

3.1形态仿生设计在张拉整体结构推进器中的应用

因为人类是大自然中最为重要的一个组成部分，所以说既然人类接受来自于大自然的馈赠，那么就需要承担起相应的责任，要实现与众多生灵之间的和谐共处。不过大家都知道，在人类社会发展的过程中，人们利用各种物品在不断地破坏自然环境，这也是人们需要注意的一个方面。另外在人类生活的过程中还需要仔细的观察周边生物的特征，借助智慧和科技来设计出更加符合人们生活需求的工具，也只有这样才能够保证人类的生存和发展。如果将差异化生物所呈现出的状态应用于仿生水母推进器的整体设计进程当中，必定会为使用者带来不一样的体验，使其能够充分感受到差异化生物的形态特征。仿生水母推进器在设计和制造的过程中，以消费者与环境需求为出发点，从选取的水母设计形象当中提炼出优质的推进器设计素材，即相关的局部轮廓、团体和个体特点素材等。在原本水母所呈现的状态特点的基础上进行综合归纳总结和变形制作，最终将水母自身的形态特点凸显出来，进而完成整体推进器的设计。

3.2功能仿生设计在张拉整体结构推进器中的应用

对自然界当中生物的构成功能进行模仿，即功能仿生设计。经过大量研究可知，水母内腔的收扩状态在一定程度上受到其前端延伸到散体后端部分的肌肉肌肉纤维影响。水流在水母内腔扩张状态下缓慢的流入，进而逐渐积累，直至将内腔充满。与此同时，内腔迅速收缩，将冲进来的水挤压至内腔外部，在挤出水的同时产生一定的推力，从而致使水母本身在推力的作用下运行起来。水母表面相对光滑，且本身呈现椭圆形状，故在水中向上运动的过程中能够减小一定程度的阻力。由此可知，只有对水母运动时的阻力和推进力进行综合考虑，才能得到水母最佳的运动效率和运动速率，进一步提升水母水中的推进效果。因水母外观呈钟状体，故其在前行时会遭受巨大的阻力，但其内腔能够极快的收缩，致使钟状体整体投影的范围得到缩减，从而减小推进阻力。另外，尽量将水母前期头部设计成流线外形，这样也可以在一定程度上缩小推进阻力。

3.3结构仿生设计在张拉整体结构推进器中的应用

针对各种生物结构进行分析和研究，能够有效地归纳出其科学理论，并且在这一基础上进行差异化的产品设计，希望能够借此来实现各种产品以及生物之间的配合，而这种理念就是结构仿生。对水母作用机理和运动机理进行探究，得到水母骨骼生物系统和张拉整体结构——映射的关系，张拉整体结构通过相似性原理融入水母的运动当中，从而使张拉可展机构推进功能得到实现。张拉可展示机构基于自身工作形式的不断转变，并借助驱动装置所制造出来的驱动力，进而实现收缩与舒张功能。张拉可展机构在工作状态下，保持钢化模式，呈现展开形态，在一定程度上提升了整体的稳定性和可靠性，能够使不同形态下的承载作用得到充分发挥。因水母为软体动物，故在实际过程中仅能对水母的推进方式进行模拟，利用4个外拨片进行上下摆动来模拟其水下运动，通过机械结构优化之后，仅需半运动就能实现水下仿生机器人的移动。外拨片在开张张开状态时需要借助外力将运动副拉起，拉杆基于张拉可展机构特性会拉至最大，此时卸掉外力便能够实现自由张拉可展运动，进而实现水下推动。仿生水母水下推进器结构如图2所示。

4结语

伴随着仿生学设计学科的快速发展，仿生设计被广泛的运用在建筑设计、工程设计、机械设计等领域中，并且逐渐的发展成为了热门产业，仿生水母推进器也向着多元化、个性化的层面上发展。文章深入研究了仿生设计理论、方式以及造型等方面的问题，充分的阐述了其设计流程和运行原理，掌握在设计中的重点，这样也为仿生水母推进器的创造设计提供了新的灵感，这样不单单能够有效地增加推进器的外形美感，还能够完善其内部结构，满足科学探究的要求，发挥出推进器的重要作用，实现张拉运动的自由伸展。同时保障了水下推动力，降低了能源的消耗，从而维护海洋的良好生态环境，完全符合绿色设计的标准，还能为未来水下和军事探测帶来更多的帮助。

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