基于仿生学视觉下的机械设计技术探究

前言

仿生学是一门实现生物特点与技术有效融合的科学，本文简要介绍了仿生学设计概念，与基于仿生学视觉下的机械设计技术探究。从产品机械设计的角度出发，通过对运动机构仿生设计，信息转换控制等方面的综合研究，分析仿生学在产品机械设计中的应用。在设计理念方面，设计师加强对工业技术与文化艺术的理解，提供新的思路与方向，充分运用现有产品各类特质，以一种特定的途径有效解决相关难题。

一.机械仿生设计的基本内容

就目前而言，从市场需求出发，大量仿生机械产品推出。通过设计师综合分析归纳，同时经工程师工艺分析和反馈，仿生学应用在机械设计领域中越来越受到重视，要求各类学科的美学设计思想的综合。机械仿生设计无疑正向着多元化发展，仿生设计作为人类向大自然学习的途径，相应的研究投入也正逐年增加。产品设计反复从结构、外形与材料、功能等各方面进行优化，逐步从传统的基础设计走向了新型的创新设计。通过结构仿生设计、材料仿生设计与运动控制仿生设计四个方面，机械设计行业已然建立起了全面的仿生体系，主要实现了以下几个方面的仿生设计：

（1）机械仿生设计功能特性仿生

近年来机械仿生设计方面取得的成就也不在少数，产品设计在运用仿生学设计理念的前提下，在自然界的长期发展演变中，产品设计既提升了艺术品位又满足了用户需求，并随着时代的发展而得到了不断深入。现今已有的设计实例中，通过将自然界生物体的形态、结构、材料和功能等各类要素融入产品设计的思路中，为我国生产机械化的推进提供了巨大的动力。工程师在利用现有工程技术的前提下，适应周围环境的改变，运用发散性思维，使得机械设计不再拘泥于传统的模型设计，结合仿生设计的理念和方式，更多拥有了其灵活性与实效性。通过发掘了解自然界各类动植物的结构与生存方式，在机械仿生设计中，实现产品更好的服务人类，为各方面的工作指引一个新的方向，具有独特的创新性，并使之有效抓住技术创新的突破口。

（2）机械仿生设计运动特征仿生

机械仿生设计是指设计出创新性的机械产品与结构材料的过程，其中，生物运动特征的仿生也必不可少。基于机械设计的基本理论和方法，做好运动体系的规划。对于这些生物与生俱来的特点，将研究发现运用到产品设计中，充分理解掌握自然界生物体的结构形式与相应功能原理，通过将其板块化、细节化，作为机械仿生设计的源泉，找出与实际生产工作的良好结合点，并对其结构和功能进行仿生设计而为人类使用。也使得相应的机械设计更贴合自然，形成了各种具有高度复杂的结构形式和功能形态，应用水平也随之提高。作为机械仿生设计的关键部分，目前的运动特征仿生中，机械结构仿生设计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，通过综合力学分析证明，能够在提高结构的同时而减少材料的使用。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。

（3）机械仿生设计组织结构仿生

伴随着工程技术的不断发展与人民对于现代生活方式的需求，机械仿生设计组织结构这方面的仿生已不再仅仅局限于服务工厂，而是结合生物科学而进行的深层应用，在人类的日常生活中已逐渐普及使用，也从微观角度上实现了人与自然的协调发展。经过复合材料做成的通过气动方式驱动的机构设计，在相关的机械仿生设计中，关键技术参数上，如应力、刚度要求，其在材料生产方面收效较为显著，在弹性收缩比率等都与自然界生物体的肌肉相近，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，通过机械加工成特殊壳结构从而使其具有良好的运动特性，为生产发展带来了极大的经济效益。通过研究生物组织的结构、构成原理和材料的联系，对生物内部组织机制一些必要性联系的分析，并指导材料的设计、制造与加工，机械微组装、分级结构设计等也都有了新的发展方向。

（4）机械仿生设计信息控制仿生

在产品机械设计领域，随着信息化时代的到来，通过获得所需要的启示最终达到所需要的材料特性，人们对于信息的传递与控制要求也越来越高，从而满足机械的性能需求。在这一方面，生物在不断进化过程所拥有的一些结构、原理等能力同样可以借鉴。机械人工智能控制是现代机械系统整体运行性能的基本保证。具体地，在机械仿生设计中，对天然生物材料的表面功能、形成原理进行研究分析，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间，是现代仿生设计中的一个关键研究点，作为一种新型的设计方法，不仅生产质量得以有效保证，而且相对传统的产品机械设计方法，实际效率也随之大大提高。

二.基于仿生学视觉下的机械设计技术探究

过去的一段时间里，对于生活在粘湿环境中穿山甲、蜣螂等典型土壤动物进行防粘持性研究，规定形状等规范化的对象。发现土壤动物经亿万年进化而形成的防粘特性突出地表现在体表上，进一步研究与总结产品机械仿生设计的系统理论，发现其体表的几何非光滑形态是可以减粘降阻的重要原因之一，它是产品机械设计理念的一次跨越性的进步。同时发现上述土壤动物体表普遍具有一种鳞片形非光滑形式，是现代新型复合材料研究的蓝本，其中穿山甲体表最为明显。提高地面触土机械部件质量、延长使用寿命、产品的发展与进步使得产品设计的道路越走越宽，针对各种形态的动植物的工农业机器人也广受欢迎。它代替了现有的金属材料与高分子材料，更有效地提高地面机械触土部件的使用寿命。

三.总结

随着科技的不断发展，仿生学在机械设计中的应用中无疑为其注入了新的血液，机械仿生设计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。相应的生产工作也很好契合了人与自然协调发展的要求，有效地结合计算机发展技术进行仿生的辅助设计，这既是科技创新的必要，符合未来科技发展趋势，更是维持机械设计行业强大生命力的重要途径。机械仿生设计是未来产品设计的一个方向，当前正处于生物科学飞速发展的阶段，在各个国家的竞争中，欧美等老牌产品机械设计强国始终保持在世界前列，因而深化仿生学在机械领域的应用必须加快进程。从本质上为产品设计的多元化发展提供新的可能，分析生物的独有特性和功能，改善产品机械使用性能的目的，立足于提高生产力的基础上进行全面的仿生设计。

（作者单位：沈阳机床股份有限公司钣焊分公司）

推荐访问:仿生学 探究 机械设计 视觉 技术