引言

所謂"仿生",是指利用所創(chuàng)造的相關(guān)產(chǎn)品系統(tǒng)模仿生物系統(tǒng)的行為或執(zhí)行其功能,來建造新型技術(shù)系統(tǒng)的一種新興的科學(xué)方法。它打破了生物和機(jī)器的界限,將各種不同的系統(tǒng)溝通了起來。通過研究生物體結(jié)構(gòu)與其產(chǎn)生的特殊功能的工作原理,并根據(jù)這些原理發(fā)明出新的產(chǎn)品和系統(tǒng),可以創(chuàng)造出適用于生產(chǎn)、學(xué)習(xí)和生活的先進(jìn)技術(shù)。在進(jìn)化和生存競(jìng)爭(zhēng)中,生物逐漸形成了優(yōu)異的結(jié)構(gòu)模式和表面組織,以改善自身對(duì)于摩擦的不適應(yīng)。優(yōu)勝劣汰和適者生存使得生物總是朝著適合其生存下去的方向進(jìn)行進(jìn)化和變化,而學(xué)會(huì)有效利用生物體進(jìn)化后的優(yōu)點(diǎn)及其生存特征則是人類對(duì)仿生學(xué)的探究,也是對(duì)生物體發(fā)展和仿生研究的巨大目標(biāo)。

仿生學(xué)與減阻耐磨技術(shù)結(jié)合,需要將仿生技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)有或正在設(shè)計(jì)的減阻耐磨結(jié)構(gòu)產(chǎn)品中,實(shí)現(xiàn)所期望的功能和效果,從而填補(bǔ)摩擦學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的空白,在技術(shù)上得到支撐和應(yīng)用。根據(jù)流場(chǎng)控制等減阻原理,并受海中游速較快的鯊魚啟發(fā),通過直接復(fù)刻鯊魚皮和仿鯊魚皮的溝槽結(jié)構(gòu)等方式可以達(dá)到減阻的目的,該技術(shù)現(xiàn)已成功運(yùn)用在泳裝設(shè)計(jì)、飛行器和艦艇表面以及輸油管道內(nèi)壁上,達(dá)到了減阻的效果;在仿荷葉以及水黽腿超疏水表面減阻特性方面也取得了顯著成果并廣泛應(yīng)用于航行體減阻;受金龜子爪趾結(jié)構(gòu)啟發(fā)制造的仿生鏟尖能夠起到耐磨減阻的作用;對(duì)嵯螂表面進(jìn)行仿生制成的推土板在耐磨減阻性能方面有顯著的提升;對(duì)貝殼類和生物鱗甲的深入探索和實(shí)驗(yàn)研究得出了非光滑表面對(duì)減小摩擦具有顯著效果的結(jié)論,通過減少觸土部件的土壤粘附量,不僅可以使得農(nóng)機(jī)零部件的使用壽命顯著提高,而且對(duì)于改善農(nóng)機(jī)零部件的耐磨性具有顯著效果。

仿生學(xué)作為一門新興學(xué)科,其發(fā)展迅速且應(yīng)用范圍較為廣泛,已經(jīng)滲入工程各領(lǐng)域,并有著重要的研究?jī)r(jià)值。

1仿生摩擦學(xué)的工程應(yīng)用

生物經(jīng)過長(zhǎng)期的進(jìn)化和競(jìng)爭(zhēng)形成了優(yōu)異的幾何結(jié)構(gòu)和多功能表面織構(gòu),生物的這些結(jié)構(gòu)在其運(yùn)動(dòng)中能夠起到一定的減阻、耐磨作用,因此對(duì)生物的研究有助于解決工程中的問題,例如,可以為機(jī)械的改形改性和材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供一定的參考。

(1)在減阻方面:蔣銳等以蟋嶂切齒葉為仿生原型設(shè)計(jì)了仿生滅茬刀片,蟋嶂堅(jiān)硬的上顎可以咬碎食物,所以依據(jù)蟋嶂上顎的輪廓形狀設(shè)計(jì)了仿生滅茬刀片,該仿生滅茬刀片的切削力比原型刀片的切削力降低了18.35%,起到了很好的減阻效果;牟介剛等[6]基于仿生凹坑表面的減阻特性,設(shè)計(jì)了一種可使葉片近壁面流體的流動(dòng)得到控制的模型,流體對(duì)葉片的剪應(yīng)力得到了減少,實(shí)現(xiàn)了減阻的效果。張勇等基于鯊魚鰭的仿生學(xué)研究,設(shè)計(jì)了一種轎車尾底部附加裝置,該裝置可使氣體、流體的分離量得到減少,避免了湍流渦流的形成,從而使流場(chǎng)結(jié)構(gòu)得到改善,實(shí)現(xiàn)了減阻的效果。

(2)在耐磨方面:譚立東等觀察到大樹蛙運(yùn)動(dòng)過程中表現(xiàn)出很強(qiáng)的粘附力,依據(jù)樹蛙趾端的結(jié)構(gòu)輪廓形狀設(shè)計(jì)了一種耐磨離合器摩擦片,該仿生摩擦片不僅能滿足傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩的要求,而且其疲勞壽命得到了提高;金敬福等基于蚯蚓體表背孔及機(jī)體耐磨特性的研究,設(shè)計(jì)了一種通孔結(jié)構(gòu)的仿生試件,仿生試件在受到外力時(shí)可利用自身微應(yīng)變來吸收應(yīng)力,因此仿生試件比普通試件具有更明顯的耐磨效果;吳波等基于土壤動(dòng)物蚯蚓的耐磨體表結(jié)構(gòu)的仿生學(xué)研究,設(shè)計(jì)了一種仿生活塞,該仿生活塞具有穩(wěn)定性可靠、散熱效率高以及熱應(yīng)力集中小的優(yōu)點(diǎn),能夠更有效地應(yīng)用于生活實(shí)踐。

2減阻耐磨仿生結(jié)構(gòu)發(fā)展展望

仿生學(xué)作為一門新興學(xué)科,在近幾十年間發(fā)展迅速,并且其應(yīng)用范圍較為廣泛,在改善材料使用期限和解決工程問題等方面已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用?；诜律鷮W(xué),以生物的結(jié)構(gòu)和表面等為依據(jù)對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)行改進(jìn),可以達(dá)到減阻耐磨的效果。近些年來,隨著對(duì)生物表面和結(jié)構(gòu)的深入研究,減阻耐磨仿生結(jié)構(gòu)取得了突破性進(jìn)展,解決了工程應(yīng)用中的眾多難題。在能源消耗日趨增大的今天,減阻耐磨仿生結(jié)構(gòu)能大大降低能源消耗,改善結(jié)構(gòu)特性等,因此,積極開展減阻耐磨仿生結(jié)構(gòu)的研究與創(chuàng)新變得尤為重要。

對(duì)生物仿生結(jié)構(gòu)的研究最終目的是服務(wù)于社會(huì),使得仿生結(jié)構(gòu)從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到工程中得到大規(guī)模應(yīng)用,而這仍需要進(jìn)一步的探索和研究。

地球上的生物在數(shù)億年的進(jìn)化和發(fā)展中逐漸與環(huán)境相適應(yīng),生物的各方面功能和結(jié)構(gòu)都經(jīng)歷過大自然嚴(yán)酷而又激烈的競(jìng)爭(zhēng),都是精挑細(xì)選得來,同時(shí),生物一直在不斷地進(jìn)化和發(fā)展,從而成為了減阻耐磨仿生結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新源泉,減阻耐磨結(jié)構(gòu)的不斷創(chuàng)新和發(fā)展必定會(huì)成為解決工程難題的重要推手。

3結(jié)論

(1)仿生技術(shù)在工程中得到了廣泛的應(yīng)用,可對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行改形改性:也可對(duì)材料拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和織構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,改善其性能,以應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

(2)減阻耐磨仿生結(jié)構(gòu)得益于其廣泛的應(yīng)用前景,再加上自然界生物的不斷進(jìn)化為其提供了不斷創(chuàng)新的源泉,因此減阻耐磨仿生結(jié)構(gòu)未來可期。