淺談仿生學在飛行器設計中的意義與價值論文
摘要：仿生學是一門既古老又年輕的學科, 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)明出新的設備、工具和科技, 創(chuàng)造出適用于生產(chǎn), 學習和生活的先進技術(shù)的學科, “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計中的仿生學應用的設計原理與意義進行了說明, 以期為仿生學在飛行器設計中的應用提供理論支持。
關(guān)鍵詞：飛行器; 仿生學; 應用;
1 概述
仿生學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械還要優(yōu)越, 在工程上實現(xiàn)并有效地應用生物功能也成為仿生學最主要的原理和目標。仿生學是一門交叉學科, 涉及到生物學、動力學、物理學、材料學等, 它是連接生物和技術(shù)的紐帶。仿生學被廣泛應用于工業(yè)設計領域, 隨著新型材料的出現(xiàn)和技術(shù)的革新, 仿生學也被運用到了飛行器的設計中, 許多國家投入大量人力、物力去研究仿生飛行器。
2 仿生學在飛行器設計中的應用
16世紀開始, 仿生學在飛行器設計上得到應用, 普遍認為1505年左右, 達·芬奇首次模仿蝙蝠的形態(tài)設計出了飛行器的撲翼。而這種模仿方式讓許多人對仿生學產(chǎn)生了一定的誤區(qū), 認為仿生學的應用就是對形態(tài)的模仿。但是飛行器的設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)了突飛猛進的發(fā)展, 在飛行器自主設計方面也取得了長足的進步。在這個過程中, 仿生技術(shù)廣泛應用于當前的飛行器設計中。設計人員結(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)境的適應性是極強的, 這也為人類通過仿生學解決相似問題提供了可能。比如, 在飛機的設計中, 不管是最早的滑翔機, 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飛行的阻力, 減少油耗, 而且也為現(xiàn)代飛機的造型奠定了基礎。被稱為21世紀“達·芬奇”的盧吉·科拉尼的設計理念, 就是每個作品都要融入自然特征。他曾借鑒鯨的外形設計了一款四層機艙的概念性飛機, 另外, 他在1977年也為波音公司通過模仿鋸齒鯊的形態(tài)設計了一款飛機, 顛覆了飛機的傳統(tǒng)形態(tài)。形態(tài)仿生在當前飛行器的設計中運用極為普遍, 比如常見的雙翼、流線型、尾翼等, 都是通過對鳥類形態(tài)的仿生設計而成的。目前, 模仿昆蟲外部形態(tài)進行仿生設計的技術(shù), 在微型無人機的設計得到廣泛運用, 這種技術(shù)為飛行器的設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行飛行器的設計, 同時滿足自身需求。近年來, 功能仿生應用極為廣泛, 而在飛行器設計中表現(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, 設計了飛行器的彈性減震起落架;利用蝙蝠微波導航原理, 設計出了雷達導航系統(tǒng)。隨著飛行器設計技術(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, 設計了火箭飛行與導彈飛行的功能;又如利用象鼻蟲的視動反應, 研制了測速儀等, 功能仿生仍然廣泛采用于當前飛行器設計中。受到蜻蜓翅痣結(jié)構(gòu)的啟發(fā), 飛機設計者在飛機的副翼與襟翼的前緣適當增加配重, 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)。功能仿生主要是學習這種適應性, 并將這種獨特的身體結(jié)構(gòu)運用到飛行器設計上。
2.3 肌理仿生
近年來, 隨著材料學的進步, 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行細致研究, 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合材料模仿螺旋狀結(jié)構(gòu), 制作飛機框架, 起到了良好的減震效果。再比如, 設計者對甲蟲、瓢蟲類的昆蟲的外殼的肌理進行研究, 并將研究結(jié)果應用到飛機的外殼設計中, 這樣不僅可以有效的降低飛機的重量, 同時, 還能夠使飛機外殼更加堅固。作為一項新的仿生技術(shù), 肌理仿生在飛行器設計中有著較大的上升空間, 它也為飛行器提供新的設計理念。
2.4 人體仿生
目前, 在飛行器設計中, 仿生學在飛行器設計中的應用已經(jīng)遠遠超出了生物仿生的范疇, 而人體仿生技術(shù)的應用變得日益廣泛。比如, 設計者在對飛行器的內(nèi)部進行設計時, 特別是對座椅的設計, 通過應用人體仿生技術(shù)和人體力學的相關(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行仔細的觀察, 詳細的分析, 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計來傳達設計者的思想和理念, 以此可以激發(fā)人們對相關(guān)生物的記憶, 它對設計者有著較高的設計要求。意象仿生在飛行器設計上的應用, 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)生非常直觀的認識。例如, 美國將研發(fā)的戰(zhàn)斗機取大黃蜂為代號, 體現(xiàn)這架飛機善于飛行的性能。同樣“全球鷹”無人機, 也是意象仿生的典型例子, 通過“鷹”這個名字來體現(xiàn)飛機強大的偵查性能。
3 仿生學在飛行器應用中的應用意義
通過近半個世紀的發(fā)展, 仿生學迅速發(fā)展, 并運用到了多個領域, 它已經(jīng)從最初單一的生物學范疇發(fā)展成為多個學科之間的交叉學科。仿生學以自然生物及其特點為師, 遵循自然規(guī)律, 加以學習、模仿, 即“師法自然”為主要原則。設計者參照自然生物經(jīng)過長時間的進化結(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計理念。在飛行器的設計當中, 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, 就給飛行器的設計提供了簡約、優(yōu)美等眾多選擇。而在功能方面, 復雜、多樣的生物結(jié)構(gòu)也為飛行器的`設計在技術(shù)上提供了重要的科學依據(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, 綠色設計也必然成為以后設計的主要趨勢。仿生學應用在飛行器設計上, 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)、材料等方面的設計走向一條可持續(xù)發(fā)展的道路, 因此, 仿生學在飛行器設計中的應用還需要進一步的研究。
仿生學技術(shù)一直被設計者廣泛應用于全球的飛行器的設計研究中, 而仿生技術(shù)作為一種設計理念, 反過來指導飛行器的設計。
3.1 提供了一種新的研究方向
目前, 在飛行器的設計研究中, 由于技術(shù)條件的原因, 設計者仍然會遇到各種難題, 新型飛行器的創(chuàng)新設計依然困難重重。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)手段的不斷進步, 飛行器的設計還有較大的發(fā)展空間。比如, 設計者對飛行器外形的設計, 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計中, 研究者基于魔鬼魚的外部形態(tài), 應用仿生學原理, 提出了大型客機的設計理念。
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, 通過仿生技術(shù)的應用, 將仿生學理念運用到飛行器設計中, 從而實現(xiàn)飛行器的環(huán)保性能的作用日益凸顯。比如, 研究者基于仿生學原理, 在小型飛行器的設計中, 提高對空氣浮力和氣流的利用率, 不僅可以達到增強動力的目的, 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)的應用中, 仿生學在環(huán)保方面同樣也發(fā)揮著重要。比如, 在客機設計中, 設計者利用仿生學原理提供可再生材料座椅設備等, 都是對其環(huán)保理念的應用。
3.3 有效的提高了飛行器的整體性能
目前, 仿生技術(shù)在飛行器設計中的應用, 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作用。比如, 研究者將肌理仿生的理念運用到飛行器的設計中, 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計中, 研究者基于候鳥飛行的導航原理, 通過仿生技術(shù), 設計出了全新的導航系統(tǒng), 極大地提高飛行導航的安全性。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)在飛行器設計中的廣泛應用, 不僅有效提高了飛行器的技術(shù)含量和性能, 促進了飛行器各項功能的發(fā)展, 而且也為飛行器在設計上的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。從可持續(xù)發(fā)展的角度看, 仿生學設計也將成為未來飛行器設計的趨勢, 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)境的負擔。仿生學猶如一股新生力量, 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計服務。
參考文獻
[1]王怡達, 郭巖, 聞有祿.仿生學在飛行器設計上的應用及意義[J].飛機設計, 2016, 36 (1) :13-16.
[2]孫久榮, 戴振東.非光滑表面仿生學 (I) [J].自然科學進展, 2008, (3) :241-246.
[3]江牧.工業(yè)設計仿生的價值所在[J].裝飾, 2013, (4) :16-19.
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