仿生学在机械设计中的应用

— ５２ —
如 蛇 、螃 蟹 、蜘 蛛 、蜜 蜂 等 的 功 能 ， 后 者 模 仿 人 的 肌 体 构 造 或 器 官 功 能 ， 如 仿 人 手 、手 臂 、步 态 等 功 能 ［１５］。仿 生 物 机 器 人 尤 其 是 小 型 机 器 人 在 灾 难 事 故 中 ， 可 以 很 好 地 完 成 攀 岩 、灭 火 、钻 洞 、 浮水等人类难以完成或者对救援人员有极大伤害的救助活 动 。 仿 人 机 器 人 能 搬 桌 子 、抬 东 西 ， 可 以 帮 助 人 类 尤 其 是 老 年 人 进 行 重 体 力 的 生 活 必 要 劳 动 。一 些 能 唱 歌 、会 跳 舞 的 人 形 和 动物形状机器人在带给人们快乐的同时， 也激发了人类对科 学的浓厚兴趣。
［ 关 键 词］ 仿 生 学 机 械 设 计 ＣＡＤ 进 展
０ 引言 随着计算机技术的飞速发展， 机械设计的手段和方法也不 断更新和升级， 许多新理论和新技术不断向机械设计领域移植 和渗透， 其中仿生学的发展为机械设计提供了更广阔的外延空 间 。 生 物 经 过 长 期 与 自 然 环 境 的 物 质 、能 量 及 信 息 交 换 ， 造 就 了适应生态环境的生物系统， 许多科学难题在生物界已经得到 圆 满 解 决 ［１］。经 济 高 速 发 展 与 能 源 极 度 消 耗 的 矛 盾 是 当 今 世 界 的一个难题， 重建人与自然的和谐时代， 重视学习生物体复杂、 精 细 、出 色 的 功 能 ， 创 造 在 结 构 、功 能 、控 制 、能 耗 等 诸 方 面 更 具 有 竞 争 力 的 仿 生 机 械 产 品 ， 越 来 越 受 到 人 们 的 重 视 ［２］。 涉 及 机 械 学 和 仿 生 学 的 机 械 仿 生 设 计 将 会 在 更 多 、更 深 、更 广 的 层 面上获得发展。 １ 机械仿生设计概念与内涵 机 械 仿 生 设 计（ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｂｉｏｎｉｃｓ Ｄｅｓｉｇｎ， ＭＢＤ） 是 指 充 分 发挥设计者的创造力， 利用人类已有的机械设计相关技术成 果， 借助现代工程仿生学的创新思维方式， 设计出具有新颖 性 、创 造 性 及 实 用 性 的 机 械 机 构 或 产 品（ 装 置） 的 一 种 实 践 活 动。 机 械 仿 生 设 计（ ＭＢＤ） 是 基 于 传 统 机 械 设 计 基 础 ， 而 又 高 于 传 统 机 械 设 计 的 创 新 设 计 。 它 和 计 算 机 辅 助 设 计 （ＣＡＤ）、优 化 设 计 （ＯＤ）、可 靠 性 设 计 （ＲＤ）、摩 擦 学 设 计 （ＦＤ）、有 限 元 设 计 （ＦＥＤ）等 一 起 构 成 现 代 机 械 设 计 方 法 学 体 系 ， 并 吸 收 了 仿 生 学 的有益设计思想， 是一种新的设计方法学。 ２ 机械仿生设计的主要内容 ２．１ 机械功能结构仿生设计 机械功能结构仿生设计是机械仿生设计的核心内容之 一， 通过研究生物的结构奥秘和机理进行机械功能和结构仿 生 设 计 。自 然 界 的 生 物 经 过 长 期 与 自 然 环 境 的 磨 合 ， 形 成 了 复 杂 的 、适 应 各 种 外 界 环 境 的 高 性 能 结 构 特 征 或 体 表 形 态 。这 些 结构特征或体表形态为机械仿生设计提供了最佳的包括宏观 和 微 观 的 结 构 原 形 。 蜂 巢 六 角 柱 状 结 构（ 图 １ａ） 是 一 种 经 济 省 料的形体， 飞行器拟蜂巢夹层设计， 既增加结构强度， 又节省 材 料 、减 轻 重 量 。 仿 蜂 巢 复 合 纸 板（ 图 １ｂ） 立 面 抗 压 而 重 量 轻 ， 并 能 吸 音 、隔 热 、防 潮 ， 可 以 代 替 木 板 作 高 档 贵 重 物 品 或 易 碎 商 品 的 包 装 ［３］。
（ ａ） 仿 生 机 械 手 关 节
（ ｂ） 仿 生 半 步 行 轮
图 ２ 仿生机构
２．３ 机械材料仿生设计 材 料 仿 生 设 计 范 围 广 泛 ， 包 括 生 物 组 织 形 成 机 制 、结 构 和 过程的相互关系， 并最终利用所获得的结果进行材料的设计 与 合 成 ， 以 适 应 机 械 各 种 性 能 要 求 ［８］。 天 然 生 物 材 料 的 分 级 结 构 、微 组 装 和 功 能 研 究 是 材 料 仿 生 设 计 的 依 据 ， 天 然 生 物 复 合 材 料 结 构 为 新 型 复 合 材 料 研 究 提 供 了 仿 生 学 基 础 ［９］。分 析 天 然 生 物 材 料 微 组 装 、生 物 功 能 及 形 成 机 理 ， 发 展 仿 生 高 性 能 工 程 材料以代替现有金属材料改善某些机械性能， 如工程机械的 防粘附性能等。 ２．４ 机械控制仿生设计 现代机器系统大多是机电一体化的集成体， 机械智能控 制是实现现代机械系统作业性能的保证。机械智能控制仿生 设计是智能仿生机器人设计的重要内容。仿生机器人的发展 在很大程度上代表了机械智能控制仿生设计的水平。过去以 定型物、无机物等规格化目标为作业对象的机器人在工业领 域得到长足发展。近年来涉及到以复杂多样的动植物为作业 对 象 的 农 业 机 器 人 备 受 青 睐 ［１０］。日 本 、美 国 等 发 达 国 家 在 这 方 面的研究居于世界之首。作业对象的复杂多样要求机器人除 了 应 具 有 一 般 工 业 机 器 人 的 定 位 、导 航 功 能 外 ， 还 应 该 准 确 识 别作业对象的无规则形状， 精确知道自身当前的位姿， 以实现 精确定位和均匀作业。
（ ａ） 柔性链型构造
（ ｂ） 柔性布型构造
（ ｃ） 牛蹄三维线框模型
（ ｄ） 穿山甲鳞片模型
图 ３ 三 维 ＣＡＤ 几 何 模 型 ３．３ 机械仿生控制与系统集成 典型控制系统由中央处理系统集中处理各传感器采集的 各种信号， 再由中央处理系统给各执行机构发出不同的行动 指令。但是， 在动物体中还有与之平行的另一个非神经反 馈 — —— 生 物 前 馈 控 制 机 制 ， 或 称 之 为 机 械 超 前 反 馈 。 例 如 ， 肌 肉骨骼系统在抵抗外力时能根据其变形情况迅速进行调整， 这种调整能在最快的神经反射之前就完成。这种前馈能减少 神 经 系 统 造 成 的 不 稳 定 性 ， 保 证 了 对 全 系 统 的 控 制 质 量 。在 复 杂的机械系统控制中， 如果能引入机械前馈的机制， 对于减少 中 央 处 理 系 统 的 负 担 、简 化 控 制 系 统 、提 高 系 统 的 控 制 速 度 与 质量都具有重大的意义。 ３．４ 仿生机器人设计 仿生机器人包括仿生物和仿人两类， 前者模仿各种生物，
— ５１ —
科技信息
高校理科研究
３ 机械仿生设计主要研究方向 ３．１ 机械仿生理论与机理研究 机 械 仿 生 设 计 比 传 统 机 械 设 计 范 畴 更 宽 、更 广 ， 从 概 念 设 计 到 产 品 开 发 要 实 现 与 工 程 仿 生 学 ， 包 括 生 命 科 学 、生 物 科 学 等 在 内 的 多 层 次 、全 方 位 上 的 渗 透 ， 通 过 对 生 物 原 形 机 理 、机 构的研究， 创造和完善仿生机械设计的全新理论体系， 从而为 新型仿生机械产品的开发与生产打下基础。 在该领域， 我国已经开展了以工程机械和农业机械为典 型的地面机械仿生脱附减阻研究， 引起国内外同行的广泛关 注 。 包 括 生 物 非 光 滑 脱 附 减 阻 、生 物 体 表 润 湿 性 、生 物 柔 性 和 生物电与生物润滑等内容， 以及与之相对应的仿生非光滑脱 附 减 阻 、仿 生 脱 附 减 阻 材 料 、仿 生 柔 性 脱 附 和 仿 生 电 渗 原 理 等 方面基础性机理研究， 目前形成了比较完善的的生物脱附与 机 械 仿 生 研 究 理 论 体 系 与 方 法 体 系 ［１１］， 并 且 在 此 基 础 上 逐 步 进行规范和升级。 ３．２ 计算机辅助仿生设计 计 算 机 辅 助 设 计（ ＣＡＤ） 技 术 的 飞 速 发 展 使 机 械 形 状 、结 构 和 机 构 的 快 速 演 化 、变 异 与 再 生 成 为 可 能 ， 可 以 加 快 机 械 产 品 的 标 准 化 和 系 列 化 设 计 进 程 ， 缩 短 新 产 品 的 开 发 周 期 。主 要 包 括 ： 优 化 设 计 与 ＣＡＤ 造 型 、逆 向 工 程 与 三 维 建 模 、动 态 模 拟 与 工 程 仿 真 、仿 生 型 构 形 ＣＡＤ 系 统 等 。 根据土壤动物柔性非光滑的特征规律和仿生类比结果， 采用数值优化为仿生柔性非光滑面的尺寸设计提供了依据， 根 据 布 尔 运 算 理 论 ， 采 用 体 素 拼 合 ＣＡＤ 造 型 技 术 ， 对 转 动 和 移 动 复 合 柔 性 进 行 建 模 ， 构 造 出 链 型（ 图 ３ａ） 、布 型（ 图 ３ｂ） 仿 生 柔 性 非 光 滑 表 面 ， 具 有 良 好 的 减 粘 降 阻 作 用 ［１２］。根 据 单 个 牛 蹄角表面， 利用直接特征曲线生成曲面法重构牛蹄角的三维 几 何 模 型（ 图 ３ｃ） ， 为 逆 向 工 程 技 术 应 用 到 工 程 仿 生 领 域 定 量 研究动物步行足三维几何特征及松软地面仿生步行技术的发 展 提 供 了 一 定 的 基 础 ［１３］。根 据 单 个 穿 山 甲 鳞 片 建 立 数 学 模 型 ， 并把多个鳞片按一定分布规律排列， 通过调整参数可以很好 的 模 拟 不 同 鳞 片 形 状 的 非 光 滑 体 表（ 图 ３ｄ） ， 为 仿 生 推 土 板 设 计 提 供 优 化 数 据 ［１４］。
随着人类社会的进步， 机器人已经走出工厂， 进入百姓生 活 、娱 乐 和 教 育 中 。 根 据 手 的 功 能 ， 将 杯 装 饮 料 机 的 机 械 手 设 计 成 关 节 型 多 指 手 机 构（ 图 ２ａ） ， 采 用 双 曲 柄 机 构 保 证 机 械 手 灵 活 和 可 靠 ， 在 性 能 上 满 足 实 际 应 用 要 求 ［４］。 由 橡 胶 管 和 纤 维 编织网构成的人工气动肌肉驱动机构， 在收缩比、功率质量 比 、应 力 以 及 刚 度 变 化 等 方 面 和 生 物 肌 肉 很 接 近 ［５］。 经 过 特 殊 加工制造而成橡胶弹性圆柱壳和内部密缠的细钢丝组成柔性 仿 生 手 指 ， 具 有 很 好 的 动 态 特 性 ［６］。