淺談仿生學(xué)在飛行器設(shè)計(jì)中的意義與價(jià)值論文
摘要：仿生學(xué)是一門既古老又年輕的學(xué)科, 是一門人們通過(guò)研究生物體的結(jié)構(gòu)與功能工作的原理, 并根據(jù)這些原理發(fā)明出新的設(shè)備、工具和科技, 創(chuàng)造出適用于生產(chǎn), 學(xué)習(xí)和生活的先進(jìn)技術(shù)的學(xué)科, “師從自然”是其主要原則。日常生活中的很多發(fā)明都源自于自然界的仿生原理, 而飛行器就是其中最主要的一種。文章主要對(duì)飛行器設(shè)計(jì)中的仿生學(xué)應(yīng)用的設(shè)計(jì)原理與意義進(jìn)行了說(shuō)明, 以期為仿生學(xué)在飛行器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供理論支持。
關(guān)鍵詞：飛行器; 仿生學(xué); 應(yīng)用;
1 概述
仿生學(xué)一詞是由美國(guó)斯蒂爾在1960年提出的, 大約從1961年才開(kāi)始使用。某些生物的某些功能比目前任何人工機(jī)械還要優(yōu)越, 在工程上實(shí)現(xiàn)并有效地應(yīng)用生物功能也成為仿生學(xué)最主要的原理和目標(biāo)。仿生學(xué)是一門交叉學(xué)科, 涉及到生物學(xué)、動(dòng)力學(xué)、物理學(xué)、材料學(xué)等, 它是連接生物和技術(shù)的紐帶。仿生學(xué)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域, 隨著新型材料的出現(xiàn)和技術(shù)的革新, 仿生學(xué)也被運(yùn)用到了飛行器的設(shè)計(jì)中, 許多國(guó)家投入大量人力、物力去研究仿生飛行器。
2 仿生學(xué)在飛行器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
16世紀(jì)開(kāi)始, 仿生學(xué)在飛行器設(shè)計(jì)上得到應(yīng)用, 普遍認(rèn)為1505年左右, 達(dá)·芬奇首次模仿蝙蝠的形態(tài)設(shè)計(jì)出了飛行器的撲翼。而這種模仿方式讓許多人對(duì)仿生學(xué)產(chǎn)生了一定的誤區(qū), 認(rèn)為仿生學(xué)的應(yīng)用就是對(duì)形態(tài)的模仿。但是飛行器的設(shè)計(jì)并不僅僅是對(duì)形態(tài)的模仿, 還包括對(duì)結(jié)構(gòu)、功能和肌理等方面的仿生。
改革開(kāi)放以來(lái), 我國(guó)航天事業(yè)實(shí)現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展, 在飛行器自主設(shè)計(jì)方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在這個(gè)過(guò)程中, 仿生技術(shù)廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的飛行器設(shè)計(jì)中。設(shè)計(jì)人員結(jié)合仿生技術(shù), 運(yùn)用新技術(shù)和新方法, 有效地提高飛行器設(shè)計(jì)質(zhì)量。
2.1 形態(tài)仿生
形態(tài)仿生, 是指飛行器在外型的設(shè)計(jì)上, 模仿自然界生物的外部形態(tài), 這也是人類最早的仿生方式。每一種生物的外部形態(tài)在自然界中經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)歲月的演變, 其對(duì)生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性是極強(qiáng)的, 這也為人類通過(guò)仿生學(xué)解決相似問(wèn)題提供了可能。比如, 在飛機(jī)的設(shè)計(jì)中, 不管是最早的滑翔機(jī), 還是后來(lái)的航天飛行器, 都采用了流線型的外觀, 這都是形態(tài)仿生的特點(diǎn)。這不僅可以減少飛機(jī)飛行的阻力, 減少油耗, 而且也為現(xiàn)代飛機(jī)的造型奠定了基礎(chǔ)。被稱為21世紀(jì)“達(dá)·芬奇”的盧吉·科拉尼的設(shè)計(jì)理念, 就是每個(gè)作品都要融入自然特征。他曾借鑒鯨的外形設(shè)計(jì)了一款四層機(jī)艙的概念性飛機(jī), 另外, 他在1977年也為波音公司通過(guò)模仿鋸齒鯊的形態(tài)設(shè)計(jì)了一款飛機(jī), 顛覆了飛機(jī)的傳統(tǒng)形態(tài)。形態(tài)仿生在當(dāng)前飛行器的設(shè)計(jì)中運(yùn)用極為普遍, 比如常見(jiàn)的雙翼、流線型、尾翼等, 都是通過(guò)對(duì)鳥(niǎo)類形態(tài)的仿生設(shè)計(jì)而成的。目前, 模仿昆蟲外部形態(tài)進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)的技術(shù), 在微型無(wú)人機(jī)的設(shè)計(jì)得到廣泛運(yùn)用, 這種技術(shù)為飛行器的設(shè)計(jì)提供新了新的思路。在多數(shù)情況下, 形態(tài)仿生并不能單獨(dú)應(yīng)用, 必須結(jié)合其它仿生模式, 這不僅可以使其功能得到最大發(fā)揮, 而且其外形也可以達(dá)到美觀的效果。
2.2 功能仿生
功能仿生, 主要是指通過(guò)模仿自然界生物的功能來(lái)進(jìn)行飛行器的設(shè)計(jì), 同時(shí)滿足自身需求。近年來(lái), 功能仿生應(yīng)用極為廣泛, 而在飛行器設(shè)計(jì)中表現(xiàn)的更為突出。比如, 利用貓頭鷹的靜音飛行特性, 我們解決了飛行器的噪音問(wèn)題;利用蒼蠅平衡棒的導(dǎo)航原理, 解決了飛行器穩(wěn)定性的問(wèn)題;利用鳥(niǎo)類腳步彈性減震原理, 設(shè)計(jì)了飛行器的彈性減震起落架;利用蝙蝠微波導(dǎo)航原理, 設(shè)計(jì)出了雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高, 功能仿生也更加深入。例如, 通過(guò)對(duì)墨魚噴射功能的模仿, 設(shè)計(jì)了火箭飛行與導(dǎo)彈飛行的功能;又如利用象鼻蟲的視動(dòng)反應(yīng), 研制了測(cè)速儀等, 功能仿生仍然廣泛采用于當(dāng)前飛行器設(shè)計(jì)中。受到蜻蜓翅痣結(jié)構(gòu)的啟發(fā), 飛機(jī)設(shè)計(jì)者在飛機(jī)的副翼與襟翼的前緣適當(dāng)增加配重, 調(diào)整重心, 有效地防止顫振現(xiàn)象。在長(zhǎng)期的優(yōu)勝劣汰的環(huán)境下, 生物為了生存, 往往會(huì)形成獨(dú)特的身體結(jié)構(gòu)。功能仿生主要是學(xué)習(xí)這種適應(yīng)性, 并將這種獨(dú)特的身體結(jié)構(gòu)運(yùn)用到飛行器設(shè)計(jì)上。
2.3 肌理仿生
近年來(lái), 隨著材料學(xué)的進(jìn)步, 肌理仿生也逐漸發(fā)展起來(lái)。肌理仿生, 是指人類通過(guò)對(duì)自然界生物的表面肌理的研究, 增強(qiáng)飛行器的形態(tài)功能。與形態(tài)仿生相比較, 肌理仿生更加側(cè)重于對(duì)表面材質(zhì)的研究。因此, 肌理仿生不僅是一種外在的視覺(jué)上的表面現(xiàn)象, 更是對(duì)內(nèi)在功能的模仿和研究。因?yàn)榧±矸律枰獙?duì)材料進(jìn)行細(xì)致研究, 因此, 它的研究對(duì)象從宏觀層面延伸到微觀層面。對(duì)鯊魚表面研究發(fā)現(xiàn), 其身體是溝槽非光滑型表面, 這種表面可以有效的減少阻力, 而鯊魚表面這種肌理特征最早被運(yùn)用到航天器上。例如, 研究者在對(duì)螳螂蝦的鉗子的研究中, 發(fā)現(xiàn)了螺旋狀的礦化纖維層, 這種物質(zhì)具有良好的減震效果, 研究者就利用碳纖維復(fù)合材料模仿螺旋狀結(jié)構(gòu), 制作飛機(jī)框架, 起到了良好的減震效果。再比如, 設(shè)計(jì)者對(duì)甲蟲、瓢蟲類的昆蟲的外殼的肌理進(jìn)行研究, 并將研究結(jié)果應(yīng)用到飛機(jī)的外殼設(shè)計(jì)中, 這樣不僅可以有效的降低飛機(jī)的重量, 同時(shí), 還能夠使飛機(jī)外殼更加堅(jiān)固。作為一項(xiàng)新的仿生技術(shù), 肌理仿生在飛行器設(shè)計(jì)中有著較大的上升空間, 它也為飛行器提供新的設(shè)計(jì)理念。
2.4 人體仿生
目前, 在飛行器設(shè)計(jì)中, 仿生學(xué)在飛行器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了生物仿生的范疇, 而人體仿生技術(shù)的應(yīng)用變得日益廣泛。比如, 設(shè)計(jì)者在對(duì)飛行器的內(nèi)部進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí), 特別是對(duì)座椅的設(shè)計(jì), 通過(guò)應(yīng)用人體仿生技術(shù)和人體力學(xué)的相關(guān)知識(shí), 可以十分有效的緩解航天飛行器乘坐者的疲勞感, 提高了他們的舒適度和乘坐質(zhì)量。同樣, 在面對(duì)部分危險(xiǎn)性高的飛行問(wèn)題時(shí), 利用人體仿生可以有效提高飛行員的安全性。
2.5 意象仿生
所謂意象仿生, 就是指研究者對(duì)自然生物進(jìn)行仔細(xì)的觀察, 詳細(xì)的分析, 縝密的思考之后形成觀念, 并將這種觀念整體運(yùn)用到飛行器的設(shè)計(jì)中。相交于其他仿生技術(shù), 意象仿生更加側(cè)重于理念和思維的實(shí)現(xiàn)。意象仿生通常是通過(guò)外形設(shè)計(jì)來(lái)傳達(dá)設(shè)計(jì)者的思想和理念, 以此可以激發(fā)人們對(duì)相關(guān)生物的記憶, 它對(duì)設(shè)計(jì)者有著較高的設(shè)計(jì)要求。意象仿生在飛行器設(shè)計(jì)上的應(yīng)用, 通常表現(xiàn)在對(duì)飛行器的命名上, 通過(guò)名稱就可以對(duì)飛行器的特點(diǎn)產(chǎn)生非常直觀的認(rèn)識(shí)。例如, 美國(guó)將研發(fā)的戰(zhàn)斗機(jī)取大黃蜂為代號(hào), 體現(xiàn)這架飛機(jī)善于飛行的性能。同樣“全球鷹”無(wú)人機(jī), 也是意象仿生的典型例子, 通過(guò)“鷹”這個(gè)名字來(lái)體現(xiàn)飛機(jī)強(qiáng)大的偵查性能。
3 仿生學(xué)在飛行器應(yīng)用中的應(yīng)用意義
通過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展, 仿生學(xué)迅速發(fā)展, 并運(yùn)用到了多個(gè)領(lǐng)域, 它已經(jīng)從最初單一的生物學(xué)范疇發(fā)展成為多個(gè)學(xué)科之間的交叉學(xué)科。仿生學(xué)以自然生物及其特點(diǎn)為師, 遵循自然規(guī)律, 加以學(xué)習(xí)、模仿, 即“師法自然”為主要原則。設(shè)計(jì)者參照自然生物經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的進(jìn)化結(jié)果, 從形態(tài)、功能、肌理、意象等方面優(yōu)化飛行器的形態(tài)和功能, 已成為一種重要的設(shè)計(jì)理念。在飛行器的設(shè)計(jì)當(dāng)中, 自然生物為我們提供了許多現(xiàn)成的素材, 比如, 在形態(tài)方面, 就給飛行器的設(shè)計(jì)提供了簡(jiǎn)約、優(yōu)美等眾多選擇。而在功能方面, 復(fù)雜、多樣的生物結(jié)構(gòu)也為飛行器的`設(shè)計(jì)在技術(shù)上提供了重要的科學(xué)依據(jù)。
資源消耗、環(huán)境污染等一系列問(wèn)題已經(jīng)成為制約全球發(fā)展的重要因素, 綠色設(shè)計(jì)也必然成為以后設(shè)計(jì)的主要趨勢(shì)。仿生學(xué)應(yīng)用在飛行器設(shè)計(jì)上, 具有綠色、優(yōu)化的作用, 也無(wú)疑會(huì)推動(dòng)飛行器的外形、結(jié)構(gòu)、材料等方面的設(shè)計(jì)走向一條可持續(xù)發(fā)展的道路, 因此, 仿生學(xué)在飛行器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還需要進(jìn)一步的研究。
仿生學(xué)技術(shù)一直被設(shè)計(jì)者廣泛應(yīng)用于全球的飛行器的設(shè)計(jì)研究中, 而仿生技術(shù)作為一種設(shè)計(jì)理念, 反過(guò)來(lái)指導(dǎo)飛行器的設(shè)計(jì)。
3.1 提供了一種新的研究方向
目前, 在飛行器的設(shè)計(jì)研究中, 由于技術(shù)條件的原因, 設(shè)計(jì)者仍然會(huì)遇到各種難題, 新型飛行器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)依然困難重重。飛行器的誕生為人類探索外太空提供了可能, 隨著社會(huì)和技術(shù)手段的不斷進(jìn)步, 飛行器的設(shè)計(jì)還有較大的發(fā)展空間。比如, 設(shè)計(jì)者對(duì)飛行器外形的設(shè)計(jì), 已經(jīng)從原來(lái)的對(duì)鳥(niǎo)類的仿生轉(zhuǎn)移到了對(duì)魚類的仿生, 基于魚類防水阻力的外部特征, 應(yīng)用仿生技術(shù), 極大地提升了飛行器的飛行性能。而對(duì)于未來(lái)飛行器的概念性設(shè)計(jì)中, 研究者基于魔鬼魚的外部形態(tài), 應(yīng)用仿生學(xué)原理, 提出了大型客機(jī)的設(shè)計(jì)理念。
3.2 實(shí)現(xiàn)飛行器環(huán)保性能
在環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)成為全球問(wèn)題的背景下, 全社會(huì)也越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù), 通過(guò)仿生技術(shù)的應(yīng)用, 將仿生學(xué)理念運(yùn)用到飛行器設(shè)計(jì)中, 從而實(shí)現(xiàn)飛行器的環(huán)保性能的作用日益凸顯。比如, 研究者基于仿生學(xué)原理, 在小型飛行器的設(shè)計(jì)中, 提高對(duì)空氣浮力和氣流的利用率, 不僅可以達(dá)到增強(qiáng)動(dòng)力的目的, 而且還可以使飛行器在飛行過(guò)程中減少油耗和電耗, 減少對(duì)環(huán)境的污染。在飛行器配套技術(shù)的應(yīng)用中, 仿生學(xué)在環(huán)保方面同樣也發(fā)揮著重要。比如, 在客機(jī)設(shè)計(jì)中, 設(shè)計(jì)者利用仿生學(xué)原理提供可再生材料座椅設(shè)備等, 都是對(duì)其環(huán)保理念的應(yīng)用。
3.3 有效的提高了飛行器的整體性能
目前, 仿生技術(shù)在飛行器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用, 主要體現(xiàn)在對(duì)飛行器的外形、材料、結(jié)構(gòu)等方面, 這些方面對(duì)飛行器的起飛、飛行、降落等整個(gè)運(yùn)行過(guò)程都有著重要的促進(jìn)作用。比如, 研究者將肌理仿生的理念運(yùn)用到飛行器的設(shè)計(jì)中, 為減小飛行阻力, 將涂料技術(shù)運(yùn)用其中。在飛行器輔助性能的設(shè)計(jì)中, 研究者基于候鳥(niǎo)飛行的導(dǎo)航原理, 通過(guò)仿生技術(shù), 設(shè)計(jì)出了全新的導(dǎo)航系統(tǒng), 極大地提高飛行導(dǎo)航的安全性。這些都是利用仿生技術(shù)提高飛行器整體性能的體現(xiàn)。
4 結(jié)語(yǔ)
總而言之, 仿生技術(shù)在飛行器設(shè)計(jì)中的廣泛應(yīng)用, 不僅有效提高了飛行器的技術(shù)含量和性能, 促進(jìn)了飛行器各項(xiàng)功能的發(fā)展, 而且也為飛行器在設(shè)計(jì)上的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。從可持續(xù)發(fā)展的角度看, 仿生學(xué)設(shè)計(jì)也將成為未來(lái)飛行器設(shè)計(jì)的趨勢(shì), 它不僅可以解決飛行器本身的性能等實(shí)際問(wèn)題, 而且也可以減少環(huán)境的負(fù)擔(dān)。仿生學(xué)猶如一股新生力量, 通過(guò)深入研究、分析、總結(jié)、利用, 可以使其更好地為飛行器的設(shè)計(jì)服務(wù)。
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