仿生技术与力学.ppt

仿生技术与力学 仿生技术 仿生学（bionics）仿生学研究如何制造具有生物特征的人工系统。 美国空军军官J·E斯蒂尔少校1958年首创仿生学。 1960年全美第一届仿生学讨论会正式建立了仿生学学科。 40多年来其研究范围主要包括：力学仿生、能量仿生、分子仿生和信息与控制仿生。形成了数学、物理学、化学、技术科学与生物学相融合的边缘交叉学科。 仿生 1鸟的翅膀功能：上升力、推动力。飞机双翼的功能：上升力，推动力需发动机装置。? 2、鸟的骨质中空结构使身体重量减轻，适宜在空中飞行。飞机为了减轻机身重量，采用铝 合金、ABS工程塑料等轻型材料。? 3、鸟的自由流畅的外型可减少阻力，飞机的流线型仿鸟在冲刺状的形态。 蝙蝠翅膀形态 非稳定机理 导涡装置 大自然中万物的空间形态、结构、特征，都是生命本能地适应生长、进化环境的结果 仿生形态设计是人们在长期向大自然学习的过程中，经过积累经验，选择和改进其功能、形 态，而创造的更优良、多样化的形态。 德国著名设计大师路易吉·科拉尼曾说：“设计的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中。” 这话道出了自然界蕴含着无尽设计宝藏的天机。仿生形态创造与设计的条件是，具有正确的认识事物、把握本质规律的方式、方法，锤炼自我创新思维能力。二是具有 扎实的生活基础，从自然界、人类社会的原生状况中寻找设计的灵感，包括仿生设计思维的 训练。人们的传统思维往往局限于现有的方法、体系，思维的触角伸展不开，触及不到事物的本源上去。 人类不具备的许多感官特征而在生物界的众多动物身上存在。 如水母能感受到冰声波而准确地预知风暴； 蝙蝠能感受到超声波； 鹰眼能从三千米高空敏锐地发现地面运动着的小动物； 蛙眼能迅速判断目标的位置、运动方向和速度，并能选择最好的攻击姿势和时间。 大自然的奥秘不胜枚举。每当我们发现一种生物奥秘，就有可能成为我们一种新的设 计可能性，也可能带给我们新的生存方式。从这个意义上讲，仿生形态的挖掘是我们创新设计取之不尽的智慧源泉。 在超音速飞机飞行时，由于航速快， 会使机翼产生颤振而阻碍运动，甚至会引起机翼折断而机毁人亡。这一问题，曾经使设计师 绞尽脑汁，最后终于在机翼前缘安放一个加重装置才有效地解决了这一难题。后来人们从动 物学上了解到，小蜻蜒的翅膀前缘上方都有一块深色的角质加厚区——翅痣。翅痣是蜻蜒的 消颤振装置。蜻蜒快速飞行，就是靠翅痣调整翅膀的振动来实现的。 仿生推進法 工程師們有時會在實驗室裏將魚類尾鰭重新吸收跡流中的動能以增加推進效率這一類生物運動的原理，應用到工程機械上。 我們稱這種模仿生物的工程應用為『仿生工程學』 (Biomimetic engineering)。仿生工程在機械、化工等各方面都有發展， 對流體力學家或工程師而言，阻力與推進是密不可分的問題，運動性能與操控亦然。而兩者都是他們最關切的問題。因此，當我們人類想要更好的流體中的交通工具或機械時，不免會想見賢思齊來模仿生物一番，看看動物有何妙招可以減少阻力、提高推進效率、或增加運動操控性能。 仿生减阻流场控制 一般而言，提升或改良某種事情不外乎開源與節流兩種方法，最好還能雙管齊下。提高推進效率也是如此。分減阻與推進兩方面 所謂的流場控制 (flow control) 是減低阻力的方法之一，藉著改變物體表面附近的流場來達到減低摩擦阻力或黏性壓差阻力的目的。 生物學家觀察許多魚類及鯨豚類的皮膚後發現這些皮膚並不單純，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： 表面構造： 微壕溝 (riblets)：在適當的位置上挖一些微小的壕溝。這些壕溝會改變紊性邊界層 (turbulent boundary layer) 中原有的結構與速度分布，因而減少摩擦阻力。這些微壕溝被發現在像鯊魚鱗上，有著特殊的排列方式。這是近年來相當熱門的研究之一。 仿鱼类表皮的波纹壁面和粗糙表面机翼均有不同程度的减阻功能,其中相对厚度为13%的波纹壁面机翼和相同厚度的光洁翼面机翼相比,其总阻力减小达9%。 这些初步研究表明,仿生学在改善航行器流体动力特性的研究中大有用武之地,尤其是模仿飞鸟和游鱼对目前仍在探索之中的紊流减阻的概念和机制的深入研究将会有更大的收益。 順從性表面 (compliant surface)： 1960年代時，科學家發現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造，發現除了表皮外，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。據此，許多科學家模仿這種結構進行減阻實驗，但是並不十分成功。不成功的原因究竟是在於未能適當地模仿，或是這樣的順從性表面根本與減阻無關，至今仍有爭議、尚無定論 新进展