仿生制造技术

仿生制造技术

摘要:科学技术日新月异，机械设计的理念和技术随之也迎来了多元化的发展。近年来，随着仿生学在机械设计领域的广泛应用，众多研究难题得以有效解决，而且行业市场经济也随之得到了一定促进，为我国生产机械化的推进提供了巨大的动力。本文分析了机械仿生设计中的相关基本内容，并就仿生学原理在机械设计中的实际应用作出浅要论述。

关键字:仿生学;机械设计;应用 1引言

仿生学是一门实现生物特点与技术有效融合的科学，其通 过对生物结构特征、生理特性以及能量、信息转换控制等方面的 综合研究，选取一部分成果应用到各行业领域的生产体系，进而 实现其理念创新和技术变革。在实际生产中，仿生学的应用往往 能创造新的工艺系统、建筑构型以及自动化装置等，而且在设计 理念方面，其同样能提供新的思路与方向，以一种特定的途径有 效解决相关难题。就目前而言，随着大量仿生机械产品的推出， 仿生学应用在机械设计领域中越来越受到重视，相应的研究投 入也正逐年增加。当然，近年来机械仿生设计方面取得的成就也 不在少数，随着时代的发展而得到了不断深入、广泛和有效的推 进。

2 }) L械仿生设计的基本内容

当前形势卜，机械仿生设计无疑正向着多元化发展，而且也逐步从传统的基础设计走向了新型的创新设计。目前，机械设计

行业已然建立起了全面的仿生体系，通过对生物科学的有益吸 收，主要实现了以卜几个方而的仿生设计:

2.1功能特性仿生

在自然界的长期发展演变中，生物为了更好适应周围环境 的改变，逐渐形成了自身独有的功能特性。而在机械仿生设计

中，这一点往往能为各方面的工作指引一个新的方向，并使之有 效抓住技术创新的突破口。现今已有的设计实例中，不仅包括生 物特殊外形的仿生、还包括生理特性的一系列应用，显然这些方 面技术创新的研究都取得了相应的成果，功能特性的仿生也使 得机械设计不再拘泥于传统的模型设计，而更多拥有了其灵活 h}与实效性。 a.a运动特征仿生

#J L械设计中，运动体系的规划往往是重点以及难点，同样，在机械仿生设计中，生物运动特征的仿生也必不可少。对于这些

生物与生俱来的特点，通过将其板块化、细节化，便能从中找出 与实际生产工作的良好结合点，使得相应的机械设计更贴合自 然，因而应用水平也就随之提高。目前的运动特征仿生中，对生 物基本运动方式、运动系统的调节等都进行了全面的研究，而实 际生活中的一些相关机械设备也为生产工作带来了极大的便 利

2.3组织结构仿生

这方面的仿生是结合生物科学而进行的深层应用，也从微 观角度上实现了人与自然的协调发展。在相关的机械仿生设计 中，其通常在材料生产方面收效较为显著，因此而推出的一系列 仿生材料也良好地适应了高强度、高效率的性能需求，为生产发 展带来了极大的经济效益。而通过对生物内部组织机制一些必 要性联系的分析，机械微组装、分级结构设计等也都有了新的发 展方向

2.4信息控制仿生

随着信息化时代的到来，人们对于信息的传递与控制要求 也越来越高，而在这一方面，生物在不断进化过程所拥有的一些 能力同样可以借鉴。具体地，在机械仿生设计中，信息管理设备 往往能通过生物的一些信息获取方式、反馈系统以及自主控制 能力等得到全新的发展空问，不仅生产质量得以有效保证，而且

实际效率也随之大大提高、

3filL械仿生设计主要研究方向

仿生机械学是以力学或机械学作为基础的，综合生物学、医学及工程学的一门边缘学科，它既把工程技术应用于医学、生物学，又把医学、生物学的知识应用于工程技术。它包含着对生物现象进行力学研究，对生物的运动、动作进行工程分析，并把这些成果根据社会的要求付之实用化。

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 型的地而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 方而基础性机理研究，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[u}}，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

计算机辅助设讯CAD)技术的吃速发展使机械形状、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CAl)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CAl)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而的尺寸设计提供了依据， 根据布尔运算理论，采用体素拼合CAl)造型技术，对转动和 移动复合柔性进行建模，构造出链戮图3a)、布戮图3b)仿 生柔性非光滑表而，具有良好的减粘降阻作用[iz}。根据单个牛 蹄角表而，利用直接特征曲线生成曲而法重构牛蹄角的三维 儿何模缎图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儿何特征及松软地而仿生步行技术的发 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淑图3d)，为仿生推土板设 计提供优化数据on

3.3机械仿生控制与系统集成

典型控制系统山中央处理系统集中处理各传感器采集的 各种信号，再山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 质量都具有重人的意义。 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， 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，如仿人于、于臂、步态等功能[IS]。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人伤害的救助活 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。

仿生机器人根据不同的需要设计特殊的生物功能，目前 山于社会需要还不充分，难免被人们视为“不实用”，但是这种 在机器人上体现的技术可以为其他领域做好技术储备。所以， 仿生机器人必将是超出人类一般需求之前探索的一门真正的 前沿kexue 4结束语

机械仿生设计顺应人与自然和谐发展潮流的必然趋势， 极具创新魅力和强人生命力。在机械结构仿生设计、运动机构 仿生设计和控制仿生设计中，不要过于追求对动物运动效果 惟妙惟肖的模仿，要注意到动物运动的“原动机”与人造发动 机的根本不同[16]。仿生机械机构多为一系列旋转关欢或移动 关节)连接起来的开式运动链，这使其运动分析和静力分析复 杂化，运动操作位姿与各关节变量、受力和力矩之间的关系 等，均不是一般机械机构分析方法能够解决的。因此，机械仿 生设计具有多样性和复杂性。在满足基本运动形式、运动规律 或运动轨迹等条件下，应注意结构简单化、机构小型化，使仿 生机械产品具有较好的动力学性能，以提高整体效率。 参考文献‘

fll邱支振.机械工程的未来与仿生[[J].安徽工业人学学报. 2002, 19 (3): 230- 232 QIU Zhi一zhen. Future of mechanical engineering and bionics, Journal of East China University of Metal- largy.2002 Vo1.19 No.3 P.230- 232,236

[2]Yongxiang Lu. Significance and Progress of Bionics [J].

Journal of Bionics Engineering. 2004, 1(1):1一3

[3 ] http :/ / www .21 yx. com/ level2/ products. htm# 2. 2004.

5

[4」申琼，何勇.仿生机械于结构设计与分析【月.东华人学学 报.2002, 28(1):37- 40

[5]隋立明，工祖温，包钢.气动肌肉与生物肌肉的力学特 性对比研究[[J].机床与液压.2004, 6:22- 24

[6]陈刚，张立彬，杨庆华等一种柔性于指的建模研究[[J]. 机械设计与制造工程. 2002, 31(6):39- 43

[7]陈秉聪.车辆行走机构形态学及仿生减粘脱土理论[M]. 北京:机械工业出版社.2001.8

f8]崔福斋.仿生材料[M].北京:化学工业出版社.2004.5 L9l (}金，马云海，任露泉.天然生物材料及其摩擦学[[J].摩 擦学学报.2001,21(4):315- 320

[10]赵匀，武传宇，胡旭东等.农业机器人的研究进展及存 在的问题[J].农业工程学报.2003,19(1):20- 24

[11]任露泉，伶金等.生物脱附与机械仿生—多学科交叉 新技术领域[J].中国机械工程.1999,10(9):984- 986

[12]工云鹏，任露泉，杨晓东等.仿生柔性非光滑表而的结 构优化设计[J].农业工程学报.1999,15(1):33- 35

[13」李世武，伶金，张书军等.牛蹄三维儿何模型逆向工程 研究[J].农业工程学报.2004,20(2):156- 160

[14]丛茜，工连成，任露泉等.鳞片形非光滑表而的仿生设 计[J].吉林工业人学学报.1998, 28(2):12- 16

[15」宗光华.关于21世纪我国仿生机械与仿生制造的若卜 思考[J].中国机械工程.2001,12(10):1201- 1204

[16]Michael H. Dickinson. Bionics: Biological insight into me- chanical design [J]. PNAS 1999, 96(25):14208一14209

5

[4」申琼，何勇.仿生机械于结构设计与分析【月.东华人学学 报.2002, 28(1):37- 40

[5]隋立明，工祖温，包钢.气动肌肉与生物肌肉的力学特 性对比研究[[J].机床与液压.2004, 6:22- 24

[6]陈刚，张立彬，杨庆华等一种柔性于指的建模研究[[J]. 机械设计与制造工程. 2002, 31(6):39- 43

[7]陈秉聪.车辆行走机构形态学及仿生减粘脱土理论[M]. 北京:机械工业出版社.2001.8

f8]崔福斋.仿生材料[M].北京:化学工业出版社.2004.5 L9l (}金，马云海，任露泉.天然生物材料及其摩擦学[[J].摩 擦学学报.2001,21(4):315- 320

[10]赵匀，武传宇，胡旭东等.农业机器人的研究进展及存 在的问题[J].农业工程学报.2003,19(1):20- 24

[11]任露泉，伶金等.生物脱附与机械仿生—多学科交叉 新技术领域[J].中国机械工程.1999,10(9):984- 986

[12]工云鹏，任露泉，杨晓东等.仿生柔性非光滑表而的结 构优化设计[J].农业工程学报.1999,15(1):33- 35

[13」李世武，伶金，张书军等.牛蹄三维儿何模型逆向工程 研究[J].农业工程学报.2004,20(2):156- 160

[14]丛茜，工连成，任露泉等.鳞片形非光滑表而的仿生设 计[J].吉林工业人学学报.1998, 28(2):12- 16

[15」宗光华.关于21世纪我国仿生机械与仿生制造的若卜 思考[J].中国机械工程.2001,12(10):1201- 1204

[16]Michael H. Dickinson. Bionics: Biological insight into me- chanical design [J]. PNAS 1999, 96(25):14208一14209

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/bopt.html