淺談仿生學(xué)在飛行器設(shè)計中的意義與價值論文
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。文章主要對飛行器設(shè)計中的仿生學(xué)應(yīng)用的設(shè)計原理與意義進(jìn)行了說明, 以期為仿生學(xué)在飛行器設(shè)計中的應(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)一詞是由美國斯蒂爾在1960年提出的, 大約從1961年才開始使用。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)也被運用到了飛行器的設(shè)計中, 許多國家投入大量人力、物力去研究仿生飛行器。
2 仿生學(xué)在飛行器設(shè)計中的應(yīng)用
16世紀(jì)開始, 仿生學(xué)在飛行器設(shè)計上得到應(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)計出了飛行器的撲翼。而這種模仿方式讓許多人對仿生學(xué)產(chǎn)生了一定的誤區(qū), 認(rèn)為仿生學(xué)的應(yīng)用就是對形態(tài)的模仿。但是飛行器的設(shè)計并不僅僅是對形態(tài)的模仿, 還包括對結(jié)構(gòu)、功能和肌理等方面的仿生。
改革開放以來, 我國航天事業(yè)實現(xiàn)了突飛猛進(jìn)的發(fā)展, 在飛行器自主設(shè)計方面也取得了長足的進(jìn)步。在這個過程中, 仿生技術(shù)廣泛應(yīng)用于當(dāng)前的飛行器設(shè)計中。設(shè)計人員結(jié)合仿生技術(shù), 運用新技術(shù)和新方法, 有效地提高飛行器設(shè)計質(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)過漫長歲月的演變, 其對生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性是極強(qiáng)的, 這也為人類通過仿生學(xué)解決相似問題提供了可能。比如, 在飛機(jī)的設(shè)計中, 不管是最早的滑翔機(jī), 還是后來的航天飛行器, 都采用了流線型的外觀, 這都是形態(tài)仿生的特點。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)計理念, 就是每個作品都要融入自然特征。他曾借鑒鯨的外形設(shè)計了一款四層機(jī)艙的概念性飛機(jī), 另外, 他在1977年也為波音公司通過模仿鋸齒鯊的形態(tài)設(shè)計了一款飛機(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)計中運用極為普遍, 比如常見的雙翼、流線型、尾翼等, 都是通過對鳥類形態(tài)的仿生設(shè)計而成的。目前, 模仿昆蟲外部形態(tài)進(jìn)行仿生設(shè)計的技術(shù), 在微型無人機(jī)的設(shè)計得到廣泛運用, 這種技術(shù)為飛行器的設(shè)計提供新了新的思路。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, 主要是指通過模仿自然界生物的功能來進(jìn)行飛行器的設(shè)計, 同時滿足自身需求。近年來, 功能仿生應(yīng)用極為廣泛, 而在飛行器設(shè)計中表現(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)定性的問題;利用鳥類腳步彈性減震原理, 設(shè)計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)計出了雷達(dá)導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著飛行器設(shè)計技術(shù)的不斷提高, 功能仿生也更加深入。例如, 通過對墨魚噴射功能的模仿, 設(shè)計了火箭飛行與導(dǎo)彈飛行的功能;又如利用象鼻蟲的視動反應(yīng), 研制了測速儀等, 功能仿生仍然廣泛采用于當(dāng)前飛行器設(shè)計中。受到蜻蜓翅痣結(jié)構(gòu)的啟發(fā), 飛機(jī)設(shè)計者在飛機(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。在長期的優(yōu)勝劣汰的環(huán)境下, 生物為了生存, 往往會形成獨特的身體結(jié)構(gòu)。功能仿生主要是學(xué)習(xí)這種適應(yīng)性, 并將這種獨特的身體結(jié)構(gòu)運用到飛行器設(shè)計上。
2.3 肌理仿生
近年來, 隨著材料學(xué)的進(jìn)步, 肌理仿生也逐漸發(fā)展起來。肌理仿生, 是指人類通過對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)重于對表面材質(zhì)的研究。因此, 肌理仿生不僅是一種外在的視覺上的表面現(xiàn)象, 更是對內(nèi)在功能的模仿和研究。因為肌理仿生需要對材料進(jìn)行細(xì)致研究, 因此, 它的研究對象從宏觀層面延伸到微觀層面。對鯊魚表面研究發(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用到航天器上。例如, 研究者在對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)計者對甲蟲、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)計中, 這樣不僅可以有效的降低飛機(jī)的重量, 同時, 還能夠使飛機(jī)外殼更加堅固。作為一項新的仿生技術(shù), 肌理仿生在飛行器設(shè)計中有著較大的上升空間, 它也為飛行器提供新的設(shè)計理念。
2.4 人體仿生
目前, 在飛行器設(shè)計中, 仿生學(xué)在飛行器設(shè)計中的應(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)計者在對飛行器的內(nèi)部進(jìn)行設(shè)計時, 特別是對座椅的設(shè)計, 通過應(yīng)用人體仿生技術(shù)和人體力學(xué)的相關(guān)知識, 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, 在面對部分危險性高的飛行問題時, 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用到飛行器的設(shè)計中。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現(xiàn)。意象仿生通常是通過外形設(shè)計來傳達(dá)設(shè)計者的思想和理念, 以此可以激發(fā)人們對相關(guān)生物的記憶, 它對設(shè)計者有著較高的設(shè)計要求。意象仿生在飛行器設(shè)計上的應(yīng)用, 通常表現(xiàn)在對飛行器的命名上, 通過名稱就可以對飛行器的特點產(chǎn)生非常直觀的認(rèn)識。例如, 美國將研發(fā)的戰(zhàn)斗機(jī)取大黃蜂為代號, 體現(xiàn)這架飛機(jī)善于飛行的性能。同樣“全球鷹”無人機(jī), 也是意象仿生的典型例子, 通過“鷹”這個名字來體現(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
通過近半個世紀(jì)的發(fā)展, 仿生學(xué)迅速發(fā)展, 并運用到了多個領(lǐng)域, 它已經(jīng)從最初單一的生物學(xué)范疇發(fā)展成為多個學(xué)科之間的交叉學(xué)科。仿生學(xué)以自然生物及其特點為師, 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)計者參照自然生物經(jīng)過長時間的進(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)計理念。在飛行器的設(shè)計當(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)計提供了簡約、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)境污染等一系列問題已經(jīng)成為制約全球發(fā)展的重要因素, 綠色設(shè)計也必然成為以后設(shè)計的主要趨勢。仿生學(xué)應(yīng)用在飛行器設(shè)計上, 具有綠色、優(yōu)化的作用, 也無疑會推動飛行器的外形、結(jié)構(gòu)、材料等方面的設(shè)計走向一條可持續(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)計者廣泛應(yīng)用于全球的飛行器的設(shè)計研究中, 而仿生技術(shù)作為一種設(shè)計理念, 反過來指導(dǎo)飛行器的設(shè)計。
3.1 提供了一種新的研究方向
目前, 在飛行器的設(shè)計研究中, 由于技術(shù)條件的原因, 設(shè)計者仍然會遇到各種難題, 新型飛行器的創(chuàng)新設(shè)計依然困難重重。飛行器的誕生為人類探索外太空提供了可能, 隨著社會和技術(shù)手段的不斷進(jìn)步, 飛行器的設(shè)計還有較大的發(fā)展空間。比如, 設(shè)計者對飛行器外形的設(shè)計, 已經(jīng)從原來的對鳥類的仿生轉(zhuǎn)移到了對魚類的仿生, 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。而對于未來飛行器的概念性設(shè)計中, 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)計理念。
3.2 實現(xiàn)飛行器環(huán)保性能
在環(huán)境問題已經(jīng)成為全球問題的背景下, 全社會也越來越重視環(huán)境保護(hù), 通過仿生技術(shù)的應(yīng)用, 將仿生學(xué)理念運用到飛行器設(shè)計中, 從而實現(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)計中, 提高對空氣浮力和氣流的利用率, 不僅可以達(dá)到增強(qiáng)動力的目的, 而且還可以使飛行器在飛行過程中減少油耗和電耗, 減少對環(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)計中, 設(shè)計者利用仿生學(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)計中的應(yīng)用, 主要體現(xiàn)在對飛行器的外形、材料、結(jié)構(gòu)等方面, 這些方面對飛行器的起飛、飛行、降落等整個運行過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用到飛行器的設(shè)計中, 為減小飛行阻力, 將涂料技術(shù)運用其中。在飛行器輔助性能的設(shè)計中, 研究者基于候鳥飛行的導(dǎo)航原理, 通過仿生技術(shù), 設(shè)計出了全新的導(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
總而言之, 仿生技術(shù)在飛行器設(shè)計中的廣泛應(yīng)用, 不僅有效提高了飛行器的技術(shù)含量和性能, 促進(jìn)了飛行器各項功能的發(fā)展, 而且也為飛行器在設(shè)計上的發(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)計也將成為未來飛行器設(shè)計的趨勢, 它不僅可以解決飛行器本身的性能等實際問題, 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)計服務(wù)。
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