仿生技術(shù)與力學(xué)

仿生技術(shù)與力學(xué)2003年10月08日第1頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月仿生技術(shù)仿生學(xué)（bionics）

仿生學(xué)研究如何制造具有生物特征的人工系統(tǒng)。美國空軍軍官J·E斯蒂爾少校1958年首創(chuàng)仿生學(xué)。

第2頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月1960年全美第一屆仿生學(xué)討論會(huì)正式建立了仿生學(xué)學(xué)科。40多年來其研究范圍主要包括：力學(xué)仿生、能量仿生、分子仿生和信息與控制仿生。形成了數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、技術(shù)科學(xué)與生物學(xué)相融合的邊緣交叉學(xué)科。

第3頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月仿生1鳥的翅膀功能：上升力、推動(dòng)力。飛機(jī)雙翼的功能：上升力，推動(dòng)力需發(fā)動(dòng)機(jī)裝置。

2、鳥的骨質(zhì)中空結(jié)構(gòu)使身體重量減輕，適宜在空中飛行。飛機(jī)為了減輕機(jī)身重量，采用鋁合金、ABS工程塑料等輕型材料。

3、鳥的自由流暢的外型可減少阻力，飛機(jī)的流線型仿鳥在沖刺狀的形態(tài)。

第4頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日第5頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日翼端渦流第6頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第7頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第8頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第9頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第10頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月空中懸停

第11頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月蝙蝠翅膀形態(tài)第12頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月非穩(wěn)定機(jī)理第13頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日導(dǎo)渦裝置第14頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月大自然中萬物的空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)、特征，都是生命本能地適應(yīng)生長(zhǎng)、進(jìn)化環(huán)境的結(jié)果仿生形態(tài)設(shè)計(jì)是人們?cè)陂L(zhǎng)期向大自然學(xué)習(xí)的過程中，經(jīng)過積累經(jīng)驗(yàn)，選擇和改進(jìn)其功能、形態(tài)，而創(chuàng)造的更優(yōu)良、多樣化的形態(tài)。第15頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日德國著名設(shè)計(jì)大師路易吉·科拉尼曾說：“設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)應(yīng)來自誕生于大自然的生命所呈現(xiàn)的真理之中。”這話道出了自然界蘊(yùn)含著無盡設(shè)計(jì)寶藏的天機(jī)。仿生形態(tài)創(chuàng)造與設(shè)計(jì)的條件是，具有正確的認(rèn)識(shí)事物、把握本質(zhì)規(guī)律的方式、方法，錘煉自我創(chuàng)新思維能力。二是具有扎實(shí)的生活基礎(chǔ)，從自然界、人類社會(huì)的原生狀況中尋找設(shè)計(jì)的靈感，包括仿生設(shè)計(jì)思維的訓(xùn)練。人們的傳統(tǒng)思維往往局限于現(xiàn)有的方法、體系，思維的觸角伸展不開，觸及不到事物的本源上去。

第16頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日人類不具備的許多感官特征而在生物界的眾多動(dòng)物身上存在。如水母能感受到冰聲波而準(zhǔn)確地預(yù)知風(fēng)暴；蝙蝠能感受到超聲波；鷹眼能從三千米高空敏銳地發(fā)現(xiàn)地面運(yùn)動(dòng)著的小動(dòng)物；蛙眼能迅速判斷目標(biāo)的位置、運(yùn)動(dòng)方向和速度，并能選擇最好的攻擊姿勢(shì)和時(shí)間。大自然的奧秘不勝枚舉。每當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)一種生物奧秘，就有可能成為我們一種新的設(shè)計(jì)可能性，也可能帶給我們新的生存方式。從這個(gè)意義上講，仿生形態(tài)的挖掘是我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)取之不盡的智慧源泉。

第17頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日在超音速飛機(jī)飛行時(shí)，由于航速快，會(huì)使機(jī)翼產(chǎn)生顫振而阻礙運(yùn)動(dòng)，甚至?xí)饳C(jī)翼折斷而機(jī)毀人亡。這一問題，曾經(jīng)使設(shè)計(jì)師絞盡腦汁，最后終于在機(jī)翼前緣安放一個(gè)加重裝置才有效地解決了這一難題。后來人們從動(dòng)物學(xué)上了解到，小蜻蜒的翅膀前緣上方都有一塊深色的角質(zhì)加厚區(qū)——翅痣。翅痣是蜻蜒的消顫振裝置。蜻蜒快速飛行，就是靠翅痣調(diào)整翅膀的振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的。

第18頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月仿生推進(jìn)法

工程師們有時(shí)會(huì)在實(shí)驗(yàn)室裏將魚類尾鰭重新吸收跡流中的動(dòng)能以增加推進(jìn)效率這一類生物運(yùn)動(dòng)的原理，應(yīng)用到工程機(jī)械上。我們稱這種模仿生物的工程應(yīng)用為『仿生工程學(xué)』(Biomimeticengineering)。仿生工程在機(jī)械、化工等各方面都有發(fā)展，

第19頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月對(duì)流體力學(xué)家或工程師而言，阻力與推進(jìn)是密不可分的問題，運(yùn)動(dòng)性能與操控亦然。而兩者都是他們最關(guān)切的問題。因此，當(dāng)我們?nèi)祟愊胍玫牧黧w中的交通工具或機(jī)械時(shí)，不免會(huì)想見賢思齊來模仿生物一番，看看動(dòng)物有何妙招可以減少阻力、提高推進(jìn)效率、或增加運(yùn)動(dòng)操控性能。

第20頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日仿生減阻流場(chǎng)控制一般而言，提升或改良某種事情不外乎開源與節(jié)流兩種方法，最好還能雙管齊下。提高推進(jìn)效率也是如此。

分減阻與推進(jìn)兩方面

所謂的流場(chǎng)控制(flowcontrol)是減低阻力的方法之一，藉著改變物體表面附近的流場(chǎng)來達(dá)到減低摩擦阻力或黏性壓差阻力的目的。

第21頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日生物學(xué)家觀察許多魚類及鯨豚類的皮膚後發(fā)現(xiàn)這些皮膚並不單純，非常地值得研究。也因此想出了各種模仿魚類或鯨豚類皮膚的方法。目前較常見的仿生減阻方法包含了下面這些方式：表面構(gòu)造：微壕溝(riblets)：在適當(dāng)?shù)奈恢蒙贤谝恍┪⑿〉暮緶?。這些壕溝會(huì)改變紊性邊界層(turbulentboundarylayer)中原有的結(jié)構(gòu)與速度分布，因而減少摩擦阻力。這些微壕溝被發(fā)現(xiàn)在像鯊魚鱗上，有著特殊的排列方式。這是近年來相當(dāng)熱門的研究之一。第22頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日第23頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第24頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第25頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第26頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月仿魚類表皮的波紋壁面和粗糙表面機(jī)翼均有不同程度的減阻功能,其中相對(duì)厚度為13%的波紋壁面機(jī)翼和相同厚度的光潔翼面機(jī)翼相比,其總阻力減小達(dá)9%。這些初步研究表明,仿生學(xué)在改善航行器流體動(dòng)力特性的研究中大有用武之地,尤其是模仿飛鳥和游魚對(duì)目前仍在探索之中的紊流減阻的概念和機(jī)制的深入研究將會(huì)有更大的收益。第27頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月順從性表面(compliantsurface)：1960年代時(shí)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)海豚的皮膚不只光滑而且有特殊的彈性。於是他們分析海豚的皮膚構(gòu)造，發(fā)現(xiàn)除了表皮外，下面有兩層柔軟的脂肪層，而這樣的組合稱為順從性表面，可使皮膚隨著水流略為改變外形。據(jù)此，許多科學(xué)家模仿這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行減阻實(shí)驗(yàn)，但是並不十分成功。不成功的原因究竟是在於未能適當(dāng)?shù)啬７拢蚴沁@樣的順從性表面根本與減阻無關(guān)，至今仍有爭(zhēng)議、尚無定論

第28頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第29頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月新進(jìn)展----------納米結(jié)構(gòu)第30頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月主動(dòng)壁(activewallmotion)：這種減阻方法主要是藉著物體表面的活動(dòng)來改變紊性邊界層中原有的結(jié)構(gòu)與速度分布。但是牽涉到如何藉著微偵測(cè)器感應(yīng)紊性邊界層中的流場(chǎng)速度變化，再加以適當(dāng)?shù)刈屛矬w表面的活動(dòng)，困難度相當(dāng)高，目前有的研究成果並不多。但隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MicroElectro-MechanicalSystem,MEMS)的日漸成熟，或許將來大有可為。

第31頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月表面材質(zhì)或分泌物：科學(xué)家研究魚類及鯨豚類的皮膚時(shí)還發(fā)現(xiàn)，牠們的皮膚會(huì)分泌特殊的分泌物覆蓋在表皮上。因而，科學(xué)家又想到另一類改變摩擦阻力的方法。這種改變表面材質(zhì)的減阻方法有三類：

第32頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月塗裝：藉著在物體表面塗裝不同的漆料，以不同的化學(xué)性質(zhì)改變物體表面與流體的摩擦係數(shù)，以減低摩擦阻力。這種表面加工技術(shù)對(duì)人類而言是最簡(jiǎn)便的，只要找對(duì)塗裝漆料就似乎大功告成。然而，如何發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膲T料，什麼塗料適合何種運(yùn)動(dòng)，以及在應(yīng)用上須克服的腐蝕與剝落等問題，都是亟待努力研究的。

第33頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月微泡(micro-bubbleinjection)：與表面構(gòu)造類的技術(shù)一樣，微泡注入法也是想藉著改變紊性邊界層中原有的結(jié)構(gòu)與速度分布，來減低阻力。其原理是利用氣體與邊界層中液體不同的密度與速度來改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與速度分布。目前已發(fā)現(xiàn)微泡需注入紊性邊界層中的bufferlayer才有明顯效果第34頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日船舶航行時(shí)與水接觸，由于水的粘性作用產(chǎn)生摩擦阻力，并且與水接觸面積的大小成正比。所以設(shè)法用一層空氣將船體與水隔開，減少船體與水的接觸，將有效地降低船舶航行的阻力。

船舶應(yīng)用薄層氣膜減阻節(jié)能技術(shù)的國內(nèi)外市場(chǎng)。在船底形成一層薄層空氣膜的簡(jiǎn)單有效的技術(shù)措施，可實(shí)現(xiàn)船舶阻力降低15-30%,可使高速船航速提高20%左右。

第35頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日微噴：視噴入流場(chǎng)中的物質(zhì)不同，微噴法也分為兩種：同質(zhì)流體與非同質(zhì)物。同質(zhì)流體：第一種，噴入邊界層中的是流場(chǎng)中的流體(如空氣或水)。美國航天總署(NASA)與空軍(USAF)曾以F-16戰(zhàn)斗機(jī)為原型，聯(lián)合開發(fā)一種三角翼的實(shí)驗(yàn)機(jī)F-16XL(見圖一)，并在其機(jī)翼上裝上感應(yīng)及微噴-微吸系統(tǒng)，來研究借著改變邊界層中原有的速度分布來控制邊界層的剝離，達(dá)到減低黏性壓差阻力目的的可行性。

第36頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月微噴第37頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第38頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月非同質(zhì)物：例如，有人開始加入微小高分子聚合物，或是結(jié)合微泡注入法形成一種混合物來注入邊界層中，以模仿魚類皮膚特殊的分泌物，借著改變流體分子間的摩擦力，使流體(一般而言是水)的粘滯性局部改變，從而改變摩擦阻力。

第39頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日在此值得一提的是，高分子聚合物的加入會(huì)改變流體的粘滯性與表面張力，使其應(yīng)用范圍擴(kuò)大。因而，目前有許多基礎(chǔ)研究環(huán)繞在高分子聚合物對(duì)流體各種行為的改變上。例如，法國的科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，在液體中加入少量特別的高分子可以改變流體的黏滯性，將水一類的常見液體的黏性，從牛頓流體變成非牛頓流體，而使一滴液體落在固體表面時(shí)減少、甚至不會(huì)四濺(Bergeronetal.,2000)，而這成果可能可以用于很多關(guān)于噴嘴的應(yīng)用中。

第40頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月另外有一種可能不算是仿生的減阻技術(shù)，卻也值得注意。與同質(zhì)流體微吸技術(shù)類似，只在物體尾部噴出流場(chǎng)中的流體，利用此噴流會(huì)沿物體尾部曲線流動(dòng)的『Coanda效應(yīng)』，來改變流場(chǎng)中的流線，將停滯點(diǎn)(stagnationpoint)拉近物體尾部，而減少黏性壓差阻力。此方法已被德國人成功應(yīng)用于汽車上。第41頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月魚類推進(jìn)機(jī)理仿生機(jī)器魚技術(shù)是近年來水下機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一,它為研制高效、高機(jī)動(dòng)性和低噪聲的水下運(yùn)載器提供了新的思路.一種新的魚類推進(jìn)機(jī)理——波動(dòng)推進(jìn),分析了波動(dòng)推進(jìn)過程中的運(yùn)動(dòng)阻力.通過魚類游動(dòng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)——仿生機(jī)器鰻魚的研制.第42頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月高效、高機(jī)動(dòng)性水下運(yùn)載器是目前水下運(yùn)載器設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),它基于魚在水中的游動(dòng)特性及其身體結(jié)構(gòu)分析.由于魚類的推進(jìn)模式不同于常規(guī)的螺旋槳推進(jìn),所以近年來關(guān)于魚類推進(jìn)機(jī)理的研究引起了越來越多研究者的興趣.第43頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第44頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第45頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月第46頁，共49頁，2023年，2月20日，星期日2003年10月鱗片形非光滑表面的仿生設(shè)計(jì)對(duì)典型土壤動(dòng)物鱗片形體表進(jìn)行了研究,仿生鱗片形非光滑推土板在進(jìn)行土壤切削試驗(yàn)時(shí)不發(fā)生粘附,與光滑推土板相比,可平均降低推土阻力約15%。土壤動(dòng)物體表的非光滑特征應(yīng)用于耐磨復(fù)合層的仿生設(shè)計(jì)中,制備出仿生非光滑復(fù)合層。仿生非光滑耐磨復(fù)合層的耐磨性是45鋼的29倍。第47頁，共49頁，2023年，