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生物科学概论

机械设计制造与生命科学概论的融合

——仿生与机械

姓名：

张恒

学号：

1064103114

专业：

机械设计制造及其自动化

学院：

机械工程学院

任课教师：

毕捷

机械设计制造与生命科学概论的融合

——仿生与机械

（张恒，1064103114，机2010-1班，机械设计制造，机械工程学院）

摘要：

机械工程是一门古老的学科，二十世纪后期以来得益于微电子技术的飞速发展，现代的机械工程已远非传统意义的机械工程，而是变成了包含机电一体化的大领域。

但是从整个机械学科发展的视角来看，微电子技术对于机械工程的发展只不过是外因，机械本身的性能才是决定机械工程发展的起决定性作用的内因。

机械设备自身的构成、运动、控制、能耗上的合理性是机械设备现代化的基础。

合理性的标准可以通过比较做出合理性的判断。

这个比较的对象就是大自然生物界。

虽然不能苛求每一项机械技术都能在自然界找到对应的样本，但是在许多情况下人造的机械系统无法与生物体的功能相媲美，这是不争的事实。

为了能制造出在结构、功能、材料、控制、能耗等诸方面合理的机械系统，从仿生的角度对机械系统进行研究是机械工程的一个必将越来越受到重视的发展方向。

重视仿生研究是机械工程进一步发展的必经之路，随着科学技术的发展，人们可以在更精细的水平上向生物体学习，同时不能忽视仿生技术的实用化与产业化条件。

对于机械工程有4个值得注意的仿生技术方向：

动物运动效果的仿生、生物自生长成型的仿生、机械超前反馈的仿生与微机械研究中对于昆虫的仿生。

关键词:

仿生学机械推进器钻头非光滑表面

正文：

一、机械仿生设计概念与内涵

机械仿生设计（MechanicalBionicsDesign，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。

二、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。

2.2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。

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。

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。

2.3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。

三、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生物脱附与机械仿生研究理论体系与方法体系，并且在此基础上逐步进行规范和升级。

3.2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。

3.3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，如仿人手、手臂、步态等功能。

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。

仿生机器人根据不同的需要设计特殊的生物功能，目前由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科学。

四、机械仿生的一些实例

4.1空气动力噪声是影响多翼离心风机稳定性及工作性能的主要因素，涡流噪声是多翼离心风机气动噪声的主源之一。

由于多翼离心风机叶轮叶片曲率大，叶道短，叶片对气流导向能力差，气流绕叶片过流叶表面容易形成紊流边界层及脱流，引起的气流压力脉动，因此叶片是产生涡流噪声的主要根源。

优化流动状况、控制边界层脱流是控制涡流噪声的关键。

目前，国内外已经提出了许多降低风机涡流噪声的方法，方开翔等采用叶片穿孔方法使部分气流自叶片的高压面流向低压面，促使叶片分离点向流动下方移动，以降低叶片出口分离区的涡流强度和尺寸，减小涡流噪声。

在多翼离心风机叶轮进出口加入紊流装置来抑制边界层过早产生，减少叶道内的分离流动，降低噪声。

苏强等在多翼离心风机叶轮进口安装了整流丝网，当气流经过整流丝网进入叶道时，丝网网眼对气流将产生整流作用，使气流在丝网后形成小尺度涡流，紊流附面层的分离点沿叶片出口方向移动至下游，涡流区相对宽度减小，从而达到降低风机噪声目的。

目前，上述各种降噪方法在实际运用中均存在一定的局限性，例如减小噪声的同时降低了风量和风压等。

如何降低涡流噪声是噪声控制中的重点和难点，目前还没有理想的工程方法。

研究表明：

在自然界中，苍鹰等生物在运动过程中几乎不发声，这主要得益于苍鹰在长期适应周围生存环境的过程中，形成了独特的体表降噪系统。

通过对苍鹰体表羽毛的生物耦合特征的分析，确定苍鹰体表覆羽各羽毛间呈现的条纹结构和羽毛端部的锯齿形态为降噪的主要因素。

条纹结构可以改变翅膀表面附面层空气流动的状态，以使气流顺着条纹方向流动，从而减小了紊流气体产生的涡流噪声和压力脉动；锯齿形态可将尾随涡分割离散成为若干小涡，从而较大程度地获得了涡量黏性耗散，显著减小了由尾随涡引起的气动噪声。

多翼离心风机的叶片较薄，条纹结构不便于工程实现，因此可以通过提取苍鹰翼尾缘锯齿降噪特征参数并将其应用于多翼离心风机气动噪声控制，提出一种新型降噪结构——耦合仿生叶片。

本文通过建立苍鹰翼尾缘非光滑仿生模型，采用基于动力亚格子应力模型的大涡模拟（LES），结合基于声类比的FW-H方程，分别对仿生耦合模型与基准模型的噪声特性进行了数值分析，旨在揭示基于苍鹰翼尾缘耦合仿生叶片的流动控制及降噪机理。

4.2硬岩钻进用钻头的发展现状与趋势近年来我国矿产资源供需问题和大量基础设施建设的进行使得钻探技术尤为重要。

以石油为例，截至2005年底，中国石油可采资源探明率为43%，尚有57%的剩余可采资源有待探明，总体属于石油勘探中等成熟阶段。

但中国待探明石油资源70%以上主要分布在沙漠、黄土塬、山地等等，勘探开发难度加大，技术要求和成本费用越来越高。

目前，国内外在油气井的勘探和开发施工中，主要采用普通的回转钻进，配合牙轮钻头，PDC钻头，金刚石钻头和喷射钻井等技术。

当遇到较硬岩层时，钻进效率很低，钻头寿命短，施工周期长，钻进成本高。

如何解决油气井硬岩钻进难题，是国内外钻探专家普遍关注的课题。

钻头是石油钻井工程中重要的钻井工具之一。

钻进井眼时，因为主要是钻头接触并破碎地层和岩层，所以对石油钻头的强度，耐磨性，破岩效率有着较高的要求。

根据结构和功能的不同，石油钻头主要包括取心钻头和全民钻头。

具体有：

金刚石钻头，牙轮钻头，带导向部件的钻头，冲击式钻头，喷射式钻头，带可拆卸部件的钻头和不提钻可更换钻头。

作为历史最为悠久并且应用最为广泛的钻头，牙轮钻头目前占油田钻头使用总量的70%左右，但是对于坚硬地层，牙轮钻头很容易损坏，寿命很低且转速低，也不能承受侧向力。

PDC钻头是聚晶金刚石切削钻头的简称，与牙轮钻头相比，具有机械钻速高，寿命长，成本低，并具有防斜、纠斜及岩屑便于钻井液携带保持井底清洁等特点，因而在国内钻井业中得到广泛应用。

但实践证明，PDC钻头在软至中硬的低研磨性地层中，钻速快，寿命长，进尺多；但在高研磨性和硬地层中，PDC钻头使用效果却很差。

也就是说，PDC钻头对所钻地层的性质非常敏感。

金刚石钻探是目前钻进硬、坚硬岩石的有效方法之一；金刚石钻头是新兴钻头技术，特别是近年来，金刚石钻头的用量和进尺逐年上升，据不完全统计，金刚石钻头完成的进尺已超过总进尺的50%。

但是，由于其钻进成本较高、寿命和效率较低，而且在硬岩层钻进容易打滑（坚硬致密弱研磨性岩层又称“打滑”地层，在这类岩层进行金刚石钻进经常出现金刚石钻头抛光和打滑现象，致使钻进效率低，或根本不进尺），因此目前应用范围受到一定限制。

随着新世纪勘探开发环境发生重大变化，勘探环境日趋复杂，勘探向深层、深水和边远地区、极地地区等地下和自然地理条件困难的地区发展，就必须解决如何提高钻井经济、技术指标的问题。

因此，研制高效、长寿命的孕镶金刚石钻头，已经成为迫在眉睫的紧要任务。

4.3生物非光滑表面的降阻特性及仿生应用

4.3.1海洋生物的非光滑降阻特性及仿生应用海洋生物长期生活在水中，经过漫长的岁月，进化出了效率很高的游动机构，其体表具有较好的低阻特性。

鱼类非光滑体表包括液化学非光滑、鳞片排布的宏观几何非光滑及鳞片上的外观非光滑，它们都具有显著的降阻作用。

模仿鱿鱼表面分泌的粘液制成高分子化合物，用于涂在舰艇船壳上，可以减少阻力50%。

研究人员对鲨鱼体表结构进行研究发现，鲨鱼的体表还分布着微小的肋条状鳞片结构。

这种抽象为棱纹形的非光滑体表结构普遍被认为是鲨鱼能够在水中高速游动的重要原因。

1978年，美国宇航局将厚为千分之一英寸带突起形成贴面粘在船表面上，行驶时没有形成旋涡而使表面减少阻力6%～8%。

据此研究出一种表面类似波纹的肋翼，极似鳖鱼皮肤肋翼，将其贴在船壳上减阻加速，效果显著。

在游艇比赛中，壳上贴有薄层肋翼“星条旗”一举夺魁。

4.4.2土壤动物非光滑表面减阻特性及仿生应用吉林大学地面仿生实验室通过长期对蜣螂等土壤动物的研究发现，这些动物的体表呈现棱纹形、凸包形和凹坑形等形态。

这些非光滑形态，只是具体表现形式不同而已，但可有效地减轻大气对土壤的空气负压，最终作用都能减小界面接触面积，破坏水膜连续性，减少粘附，降低摩擦阻力。

所以这些凸、凹不平的体表结构具有很强的防粘降阻功能。

仿造土壤动物的凹坑形非光滑表面结构，雌神农蜣螂前胸背板，研制的仿生犁，其仿生几何非光滑结构单元可使运动的土体前缘改变方向而产生有利于减小切向粘附力的法向微振动，使粘附界面呈不连续分布，从而降低水膜张力。

这种仿生犁在实际生产中表现出了非常好的不粘土性能，并减小了犁壁所受阻力，节省了能源的消耗，同时提高了犁的使用寿命。

人们把这种凸包形和凹坑形非光滑结构应用于飞机和一些体育用品上，以减小其所受阻力。

高尔夫球是其中最具代表性的例子。

球表面设计有许多小凹坑，其目的是让高尔夫球飞得更远。

统计发现，一颗表面平滑的高尔夫球，经职业选手击出后，飞行距离大约只是表面有凹坑的高尔夫球的一半。

经过一连串的试验及流体力学的研究，发现在球体表面上增加凹洞可以减少空气的阻力，增加球的升力。

在飞机某些主要部位粘贴凹坑形的非光滑贴片。

可以降低阻力、增进飞行的安全性，使飞机更灵活。

将空气动力学的研究方法和成果应用在雪板上，ATOMIC滑雪板，凹凸不平的板面显著地降低了阻力系数，改善了高速滑行时的平顺性，最大程度地增加了短尺寸雪板滑行时的稳定性。

4.4生物非光滑表面的脱附特性及仿生应用

4.4.1典型植物表面的减粘脱附及其仿生应用植物叶子表面的表皮腊、表皮毛、表皮粉及形态对其防粘、减粘和自清洁作用具有重要的影响。

荷叶、旱金莲等一些水生植物都具有自清洁功能。

荷叶的这种自清洁特征是由粗糙表面上微米结构的乳突以及表面蜡状物的存在共同引起的。

1997年，德国波恩大学的两位科学家首先发现并提出了“荷叶效应”的概念，解释了荷叶不粘水的原理。

构，这种微米结构与纳米结构相结合的阶层结构是引起表面超疏水的根本原因，基于荷叶效应的基本原理，2000年德国克莱维斯和弗劳恩霍夫研究所开发出具有自清洁功能的表面膜材料，在莱比锡建筑材料展览会上展出了这种不粘水抗污染的特殊塑料薄膜。

它可用在家庭餐桌台布贴面上，能使桌椅表面任风吹雨打仍旧清洁如新，还可用在太阳能板、交通标示牌甚至屋顶的瓦片上。

但某些植物与荷叶等植物完全不同，其叶表面在与水接触时表现出良好的亲水性能，即其与水的接触角几乎为零。

造成这一结果的主要原因是其特殊的表面非光滑形态。

比如苘麻的叶表具有完全不同于荷叶的表面形态，分布着许多细长的“刚毛”，它们诱导着水滴布展速度加快促成其亲水性能的形成。

4.4.2土壤动物非光滑表面减粘脱附特性及仿生应用长期生活在粘湿环境中的土壤动物具有相当显著的脱附功能。

主要原因有：

特殊的体表形态、体表分泌液、体表柔性和体表的弹性变形，体表的几何非光滑结构，体表物质组成和生物电系统等。

如蜣螂出入于粘性较大的粪便和泥土中，身体并未粘附粪便和泥土，其体表结构的凹陷和隆起，构成的非光滑表面是主要原因之一。

许多土壤动物如蚯蚓、马陆等，生活在潮湿的土壤中，身体能活动自如却不粘土。

这与它们的体表液和电渗的减粘降阻有关。

非光滑表面减粘脱附的机理在于它有效地减少土壤黏附表面，降低界面的空气负压，限制连续水膜的形成和改善界面的润滑。

所以，减少接触面积是减粘脱附的关键。

非光滑表面无疑使体表与土壤表面间存在一些间隙，可有效地减轻大气对土壤的作用。

非光滑表面的凸起减少接触面积，而凹陷可产生有气、无土、无水区，即使对于含水量较多的黏性土，也会使水膜不易连续。

非光滑表面产生与前进方向垂直的微震，使界面土壤不断受到垂直界面的正反两向力的反复作用。

这样，一方面缓解土壤对动物表面的压力，另一方面由于微震产生的加速度使土壤中水分和空气易于逸出，从而增加润滑和减附作用。

根据该原理，通过表面纹形来减少触土面积，使界面水膜不连续，或造成应力集中，制成的山西阳城减粘疙瘩犁，都达到减少粘附，降低阻力的效果。

吉林大学研究人员模拟蜣螂头前部“推土机”密布球冠形小突起的几何特点，在简化的推土板上按一定要求均布若干个球冠形小突起的仿生推土板，该仿生推土机比普通推土机减粘29.3%。

他们还研发了具有不粘、减阻、耐磨、节能功能的新型仿生非光滑减粘降阻农业机耕犁壁。

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