仿生学原理在机械设计中应用
仿生学原理在机械设计中的应用
摘要：本文主要分析了仿生学原理分别从外形仿生、结构仿生和功能仿生三个方面进行分析。

并就仿生学原理在机械设计中的实际应用进行了探讨。

关键词：仿生学；原理；机械；设计目前仿生学原理被应用到了很多的领域和行业。

机械仿生设计作为一种新型的设计方法短期内已经从集合多门学科逐步发展形成更深更广的产品设计理念它为产品设计的多元化发展提供了新的可能它的发展与进步使得产品设计的道路越走越宽。

仿生学原理
外形仿生外形仿生是实际生活中用的最多的一种方法尤其是用于机械设计中居多。

动物经过长期的土壤生活进化拥有了很强的挖掘功能他们的外观形状和其在挖掘过程中所表现出来的力学性能给人们提供了参考。

一些动物挖掘和脱土减阻相当强如土狗、老鼠和公鸡等这些动物的爪趾内轮廓线主要表现为变曲率曲线。

穿山甲的挖掘功能也相当强其爪尖为圆锥楔形不仅可以减少应力集中也强化了其爪部与土体的机械强度提高了爪部对土壤的耐磨性；再者在
确保了楔入力足够大的前提下增大了顶端的过渡圆角使土壤压实形状被改变减少了土壤的粘附。

结构仿生
表面不光滑仿生设计
防粘一些土壤动物虽说生活在粘湿的环境中但因为自身独特的生物构造身体很少会有土留在上面这些防粘特性就集中表现在体表的呈现着鳞片形的几何非光滑形态上。

又因土壤动物具有疏水性护蜡层和蜡质层其鳞片形的非光滑体表可进一步增加其疏水性大大降低了土壤动物在土壤中运动时的土壤粘附度。

一般我们在土方工程中经常见到的亲水性金属材料就是借鉴了这种生物的非光滑表面来减少粘附、降低阻碍的。

防磨损地面触土机械部件常常会因为磨料磨损而导致部分功能失效。

那些生活在粘湿土壤中的动物体表的几何体光滑性不强这些特征能有效的降阻和减粘并且相当耐磨。

土壤动物因为体表触土部位几何形状单元体密布它们在进行运动时能有效降低体表上正压力的作用减少摩擦。

而且表面不光滑有助于将磨料对表面的犁削运动转化为滚动运动减阻、耐磨效果明显。

如果地面触土机械部件的表层运用这种结构和组成机理就能使得其抗磨性变强。

涂层仿生设计
现实生活中用到的一些耐磨涂层就是模拟了人类的皮肤、血管壁以及海螺壳等层状结构设计而成。

我们经常见到的耐磨涂层的结构体系主要有一种成分、多种成分、梯度涂层、多层涂层超晶体和二元处理等几种。

最近几年计算机系统中所用到的薄涂层
就是模仿了海螺和海葵的结构体系而设计的。

生物体把低强度的碳酸钙转化成了层状结构的海螺壳和蛤蜊壳增高了强度。

目前人们常使用分子有效排列和组合不同材料的方式来实现整合涂层从而提高其机械强度与摩擦学性能。

1.3.功能仿生
功能仿生可以使人造机械实现部分高级动物所能进行的操作如进行简单的感知和运动等这对于智能机器人的研发意义重大。

现在地球上的生物体是大自然在不断的淘汰中生存下来的它们的系统比较复杂、也比较完备所有的生物体在结构和机能上都实现了精巧、协调、合理和高效。

而人作为一种高等动物具有由骨骼、肌肉、关节以及韧带组成的多关节弹性结构的四肢运动极具灵活性并且能完成复杂的动作。

这对于功能仿生和研究仿生机器人意义非凡。

再者仿生设计也模仿了人的独特思维功能。

仿生学原理在机械设计中的实际应用
当前机械仿生设计在实际生产中的应用越来越多而相应的技术也在慢慢向智能化与全面化发展。

半步行轮驱动机构在地面工作的机械中就不乏仿生设计半步行轮驱动机构就是在借鉴了传统的水牛耕地现象而发展起来的新技术如下图 1 所示通过对水牛在水田中的工作特征分析就出现了全新的“半浮式理论” 有效的结合了机械运动中的“沉”、“浮”以及“滑行” 、“驱动”等特点由此使得承重与驱动并
存的结构体系得到完善用一种适用于水田及松软土壤工作的高效生产方式来取代。

同时机械仿生设计也延伸了相关的研究促进了众多滚动阻力较小、驱动动力较大的先进设备的诞生为行业生产提供了巨大的动力。

大型触土机械设计在大型触土机械的设计方面科研人员也从深松部件、钻头以及推土板三个方面的结构中得到了仿生学的启发。

通过不断操作试验在减小深松阻力这点上成功提出了仿生弯曲型结构而且在钻头设计上同样参照穿山甲体表鳞片分布形式制作出了新型的仿生钻头不仅有效解决了生产工作中的钻头泥包问题还大大强化了泥质岩钻探中机械设备的工作效率。

所以说仿生学原理在机械设计中的应用妥善的解决了原本存在的一些难题大大提高了实际设备的生产效率。

仿生学的智能化应用
我们仿生机器人是有着很明显的分类的其一是仿生物机器人其二是仿人类机器人。

如上图2是根据人手功能
设计出来的仿生机械手关节它无疑大大加强了机械设备的灵活性而随着计算机网络技术的配合推进机械自动化生产进程也因此而得到了促进。

我们可以结合不同的生物特性将动植物的特性一一的反馈到我们的实际使用的机械上这样的话我们就可以最大限度的享受现代的仿生学带来的实际效果。

结束语仿生学为机械设计带来了新的生机使得相关的生产工作更好地满足科技创新的需求更好地维持机械设计行业强大生命
力。

当前必须加快机械领域中仿生学的应用进程更应从本质上分析生物的独有特性和功能在立足于提高生产力的基础上进行全面的仿生设计。

参考文献：
中琼何勇?仿生机械手结构设计与分析[J].东华大学
学报.20__ , 28 (1): 37—40.
任露泉佟金 .生物脱附与机械仿生――多学科交叉新
技术领域川[J].中国机械工程.1999, 10 (9) : 984-986.。