0引言

生物在自身進化及自然選擇的長期作用下，通過億萬年的洗禮，形成了獨特的特性和功能，這為人類解決工程技術問題提供了大量的設計原型和許多創造性的設計方法，是人類技術創新取之不盡的靈感源泉。自誕生以來，仿生學的概念不斷演變，并經歷了由簡單的模仿生物，到利用自然設計靈感的不斷完善的過程。仿生學是將通過觀察、分析、研究掌握的自然界生物所具有的各種特殊本領，并模擬、移植到各工程技術領域中去，為促進人類社會進步發展所用。仿生的價值在于依照相似準則和前提，按照生物系統的結構和性質為工程技術提供新的設計思想及工作原理，并找到新的更加經濟、合理、高效和可靠的方法。仿生學需要多學科的交叉，是一門很難劃清邊界的大學科。同時由于仿生技術應用范圍廣，因而很難將仿生技術準確分類。本文重點研究了結構仿生的研究方法，分析了結構仿生在機械領域中的典型應用，總結了結構仿生在機械結構設計領域中的問題，并展望了結構仿生的發展趨勢。

1結構仿生設計的方法研究

結構仿生是通過研究生物形態、結構、材料、功能及其相互關系，在深入理解生物機理的基礎上，分析生物功能、結構與工程的相似性，提出仿生構思或建立數學模型，最終用于工程結構仿生設計。通過對生物體結構的仿生可以改變傳統的設計理論與方法，取得具有創造性的突破。雖然仿生設計已經產生了大量的工程應用，但相關研究多是基于某種生物特征的發現，或基于某種技術性需求的仿生改進，對方法學的研究相對較少。如JuniorW．K．［1］基于產品開發，重點介紹了對生物樣品的觀察、實驗階段，此方法適用于一般產品的仿生設計。ZhaoL．［2］初步建立了適用于機械結構仿生設計的方法，綜合考慮了各階段的目的、方法，但實用性有待考證。綜合現有的仿生設計的研發流程，特提出結構仿生的基本步驟，如圖1所示。例:研究人員通過大量的觀察和試驗，對蜣螂等生物非光滑表面的觀察研究及仿生，開發了具有減阻功能的非光滑犁，突破了傳統的設計思路，并且降低了農業耕作的能耗，提高了工作效率。其研究過程符合“技術需求型”。基于圖1可知，結構仿生研究的基本步驟［3-4］和具體的研究方法如下圖2所示。

2結構仿生技術在機械工程領域中的典型應用

2.1撲翼飛行器

昆蟲翅的結構比鳥翼簡單得多，但翅膀的超輕質、高強度、自適應變形等性能非常突出，如蜻蜓翅是由非常輕的網狀構架和薄膜材料構成，但是卻能產生非凡的動力。如由SRI國際研究公司開發的仿蜻蜓飛行姿態的撲翼飛機已經試飛成功，NASA的噴氣試驗室也成功試驗了蜂鳥和蜻蜓的自主控制和導航系統;喬治亞理工研究院與英國劍橋大學、ETS試驗室合作研制模擬天蛾翅膀結構的撲翼昆蟲機“En-tomopter”，機械翅膀能夠像昆蟲一樣飛行［5］;另外國內的撲翼飛行器也取得了一定進展。這些對昆蟲飛行能力的破譯必然會推動人類對現有飛行器的改革。這是各國發展微型機械飛行蟲(MFI)技術加以仿生借鑒的核心。而昆蟲飛行功能研究已經成為昆蟲仿生領域最熱烈的前沿方向之一。

2.2運動仿生的機器人

仿生學的發展為機器人的設計提供了大量的解決思路和方案，如動物的身體結構、運動方式、自由度分配、鉸鏈設計以及系統控制等都是機器人設計的重要依據，通過研究生物原型的相關規律往往可以找到更好的解決問題的方法。如南航對壁虎腳掌微觀結構及粘附機理進行研究，為爬墻機器人的發展提供了依據［6］;動物的靈活高效且適應能力強的運動機構令設計者羨慕不已，許多的仿生設計工作也已開展，如仿蟑螂機器人以及仿龍蝦機器人等［7］;ZhaoT．S．［8］等對海蟹的行走機構、系統參數和運動機理進行了研究;陳殿生［9］從蝗蟲和龜類的翻轉研究中得到啟示，設計了移動彈跳機器人。另外在微型機器人方面，昆蟲為微型機器人的設計提供了大量的仿生原型，研制具有昆蟲足樣行走能力的機器人或蟲樣蠕動的微型機車，可被用于行進到崎嶇不平的山路或其它非平坦地帶(如:地震后墻壁倒塌的廢墟中)執行特殊的任務。

2.3仿生減阻及推進

仿生減阻主要包括土壤減阻、空氣減阻和水流減阻等。吉林大學通過研究典型土壤動物蜣螂、黃鼠的體表面，形成了比較完善的的生物脫附與機械仿生研究理論體系。基于土壤動物體表非光滑結構的仿生非光滑結構已經被證實具有良好的防粘、減阻性能。Han［10］發現鯊魚表皮上齒狀突起能保持水流的流態，可以有效地減少表面的摩擦阻力和壓差阻力。基于鯊魚皮表面織構的減阻表面結構已經完成飛機模擬飛行試驗［11］，空客320客機的機身和機翼表面增加仿鯊魚皮結構后，降低了6%的空氣阻力。基于仿生學的水上推進研究也取得了很大發展，如北航的仿生機器鰻魚、哈工大的水下機器人以及國外的許多仿生機器人都提高了水下的推進效率，有望改進潛艇與水上交通工具。在汽車制造行業中，結構仿生設計出的產品也取得了預想不到的優良性能。特別是在汽車外型設計上模仿生物的優異外型可以大大降低風阻系數。

2.4結構輕量化

結構輕量化是飛行器設計的重要課題，岑海堂［12］借鑒竹干的細觀結構和排列方式，仿生設計了仿生翼身結合框，仿生結構與原型相比重量可減輕2.1%。馬建峰［13］等將蜂窩結構應用于飛機機翼加強框的設計中，提高了結構的比強度。此外，在機床結構件的設計中，趙嶺［14］利用結構仿生方法改進了工作臺和移動橫梁筋板結構，在降低質量的前提下獲得了更好的動靜態力學性能。在F1方程式賽車的變速箱、車架等承力部件以及日本的新干線車廂殼體中都采用了鋁合金、碳纖維等高性能材料的蜂窩結構板來實現輕量化，使抗撞擊性能更好。車身結構輕量化是當前結構仿生的重要應用領域之一。

2.5機構仿生設計

在模擬生物體優異運動機構方面也取得了許多創新性的成果。植物葉片的收疊和伸展功能起著保護嫩葉免受外來損傷的作用，如許多熱帶植物一旦碰到溫度急驟下降就利用葉片表面波紋結構的收疊功能來避免霜凍危害。人造衛星和航天裝備研究人員受到植物葉片收疊和伸展特性的啟示，將植物葉片的這種功能用于航天飛船的天線和大面積太陽能電池的設計中。根據長頸鹿血液循環系統的獨特機構，發明了超音速戰斗機的抗荷飛行服。航天科學家受蒼蠅平衡器后翅的啟示，成功地研制了體積小、重量輕的“諧振陀螺儀”。蝴蝶的身體表面生長的一層極小的鱗片能夠調節體溫，仿生研制的人造衛星的溫控系統能夠避免溫差損毀精密儀器等［15］。

3結構仿生在機械結構領域中的問題

結構仿生在人類技術進步的各個領域中發揮了重要作用，但在機械領域中的相關系統研究工作相對較少，并存在如下問題:(1)從研究方法上來看，許多研究者僅是對生物體進行簡單的模仿，并未上升到理論研究的高度，降低了其真正價值，其應用未形成完善、系統的理論體系。(2)從結構仿生的現有成果來看，設計者的設計思想多是靈感一現，缺少成熟的理論、準則和方法的指導，對生物體結構形式和材料、結構一體化優化設計問題也尚無可資利用的成熟方法，因而有時難以系統地應用及實現。(3)從生物結構的發現，到力學特征的提取，再到仿生技術的實踐應用是一個漫長而艱難的過程，且缺乏相關理論法則和信息。由于結構仿生的研究屬于跨學科研究領域，涉及到多領域、多學科知識的綜合運用，增加了研究難度。(4)自然界中生物體結構種類繁多、性能各異，原型的選擇具有偶然性，同時由于認識水平、技術手段及科研條件的制約，許多優異生物結構的機理難于破譯，有些結構的研究需要在活體條件下進行，使其結構組成和機械性能的研究相對困難。(5)生物體結構的復雜性及特殊性制約了其仿生應用，特別是對于中小尺度的機械零件，傳統的鑄鍛、沖壓、鉚焊、機械加工或者很難復現生物體的復雜結構，或成本過高，使仿生結構缺乏制造工藝的支持。

4結束語

隨著人類對資源、環境的重視程度逐漸增加，迫切需要改變我國機械設計行業中的保守設計思想。傳統而粗放的生產制造過程必須得到改善，學習生物結構的優化方法將為節約原材料發揮積極作用，其應用也會日趨廣泛。結構仿生設計的發展趨勢為:(1)從結構仿生在機械設計中的應用過程來看，其發展的主體趨勢為:最初外形結構的機械模仿，隨后的內部結構原理的理性分析，現階段注重結構與功能、材料、制造等方面的綜合分析。(2)結構仿生的研究內容:從宏觀的形態模擬，到細觀的功能原理，再到微觀組織構型，內容在不斷深入和擴大。(3)結構仿生的研究方法:注重對生物結構的微觀觀察和分析，多采用數學建模、力學分析及有限元的方法進行仿真分析，再通過對仿生樣件的試驗驗證。結構仿生正逐漸成為創新研究的重要方法，并已成為提升科學技術原始創新能力的一個重要方向。(4)結構仿生的發展方向:正向著微觀化、系統化、智能化、精細化的方向發展，使各學科間的聯系日益密切;結構仿生衍生了新的仿生方向，特別是隨著對基因組、蛋白質結構、腦與神經結構與功能的認知，推動了以解讀生命信息為目的的計算仿生學的發展。

總之，由于科技的發展，對已知生物體結構相關研究不斷的深入，許多原先未知的生物結構正逐漸被認知和理解，仿生設計的靈感源泉正在不斷被豐富，同時結構仿生理論也正不斷地走向成熟和完善。