仿生技術(shù)與力學(xué)

1、仿生技術(shù)與力學(xué)2003年10月08日第1頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月仿生技術(shù)仿生學(xué)（bionics）仿生學(xué)研究如何制造具有生物特征的人工系統(tǒng)。美國空軍軍官JE斯蒂爾少校1958年首創(chuàng)仿生學(xué)。 第2頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月1960年全美第一屆仿生學(xué)討論會正式建立了仿生學(xué)學(xué)科。40多年來其研究范圍主要包括：力學(xué)仿生、能量仿生、分子仿生和信息與控制仿生。形成了數(shù)學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、技術(shù)科學(xué)與生物學(xué)相融合的邊緣交叉學(xué)科。 第3頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月仿生1鳥的

2、翅膀功能：上升力、推動力。飛機雙翼的功能：上升力，推動力需發(fā)動機裝置。2、鳥的骨質(zhì)中空結(jié)構(gòu)使身體重量減輕，適宜在空中飛行。飛機為了減輕機身重量，采用鋁 合金、ABS工程塑料等輕型材料。3、鳥的自由流暢的外型可減少阻力，飛機的流線型仿鳥在沖刺狀的形態(tài)。 第4頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日第5頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日翼端渦流第6頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月第7頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月第8頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期

3、日2003年10月第9頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月第10頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月空中懸停 第11頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月蝙蝠翅膀形態(tài)第12頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月非穩(wěn)定機理第13頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日導(dǎo)渦裝置第14頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月大自然中萬物的空間形態(tài)、結(jié)構(gòu)、特征，都是生命本能地適應(yīng)生長、進化環(huán)境的結(jié)果仿生形

4、態(tài)設(shè)計是人們在長期向大自然學(xué)習(xí)的過程中，經(jīng)過積累經(jīng)驗，選擇和改進其功能、形 態(tài)，而創(chuàng)造的更優(yōu)良、多樣化的形態(tài)。第15頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日德國著名設(shè)計大師路易吉科拉尼曾說：“設(shè)計的基礎(chǔ)應(yīng)來自誕生于大自然的生命所呈現(xiàn)的真理之中?！边@話道出了自然界蘊含著無盡設(shè)計寶藏的天機。仿生形態(tài)創(chuàng)造與設(shè)計的條件是，具有正確的認識事物、把握本質(zhì)規(guī)律的方式、方法，錘煉自我創(chuàng)新思維能力。二是具有 扎實的生活基礎(chǔ)，從自然界、人類社會的原生狀況中尋找設(shè)計的靈感，包括仿生設(shè)計思維的 訓(xùn)練。人們的傳統(tǒng)思維往往局限于現(xiàn)有的方法、體系，思維的觸角伸展不開，觸及不到事物的本源上去。 第16頁，共

5、49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日人類不具備的許多感官特征而在生物界的眾多動物身上存在。如水母能感受到冰聲波而準(zhǔn)確地預(yù)知風(fēng)暴；蝙蝠能感受到超聲波；鷹眼能從三千米高空敏銳地發(fā)現(xiàn)地面運動著的小動物；蛙眼能迅速判斷目標(biāo)的位置、運動方向和速度，并能選擇最好的攻擊姿勢和時間。大自然的奧秘不勝枚舉。每當(dāng)我們發(fā)現(xiàn)一種生物奧秘，就有可能成為我們一種新的設(shè) 計可能性，也可能帶給我們新的生存方式。從這個意義上講，仿生形態(tài)的挖掘是我們創(chuàng)新設(shè)計取之不盡的智慧源泉。 第17頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日在超音速飛機飛行時，由于航速快， 會使機翼產(chǎn)生顫振而阻礙運動，甚至?xí)?/p>

6、機翼折斷而機毀人亡。這一問題，曾經(jīng)使設(shè)計師 絞盡腦汁，最后終于在機翼前緣安放一個加重裝置才有效地解決了這一難題。后來人們從動 物學(xué)上了解到，小蜻蜒的翅膀前緣上方都有一塊深色的角質(zhì)加厚區(qū)翅痣。翅痣是蜻蜒的 消顫振裝置。蜻蜒快速飛行，就是靠翅痣調(diào)整翅膀的振動來實現(xiàn)的。 第18頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月仿生推進法 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(yīng)用到工程機械上。我們稱這種模仿生物的工程應(yīng)用為仿生工程學(xué) (Biomimetic engineering)。仿生工程在機械、化工等各方面都有發(fā)展， 第

7、19頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月對流體力學(xué)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(guān)切的問題。因此，當(dāng)我們?nèi)祟愊胍玫牧黧w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。 第20頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日仿生減阻流場控制 一般而言，提升或改良某種事情不外乎開源與節(jié)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

8、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。 第21頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日生物學(xué)家觀察許多魚類及鯨豚類的皮膚後發(fā)現(xiàn)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(gòu)造： 微壕溝 (riblets)：在適當(dāng)?shù)奈恢蒙贤谝恍┪⑿〉暮緶稀＿@些壕溝會改變紊性邊界層 (turbulent boundary layer) 中原有的結(jié)構(gòu)與速度分布，因而減少摩擦阻力。這些微壕溝被發(fā)現(xiàn)在像鯊魚鱗上，有著特殊的排列方式。這是近年來相當(dāng)熱門的研究之一。 第22頁，共49頁，2022年，5

9、月20日，14點19分，星期日第23頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月第24頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月第25頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月第26頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月仿魚類表皮的波紋壁面和粗糙表面機翼均有不同程度的減阻功能,其中相對厚度為13%的波紋壁面機翼和相同厚度的光潔翼面機翼相比,其總阻力減小達9%。這些初步研究表明,仿生學(xué)在改善航行器流體動力特性的研究中大有用武之地,尤其是模仿飛鳥和游魚對目前仍在探索之中

10、的紊流減阻的概念和機制的深入研究將會有更大的收益。第27頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月順從性表面 (compliant surface)：1960年代時，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)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(gòu)造，發(fā)現(xiàn)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(jù)此，許多科學(xué)家模仿這種結(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)啬７?，或是這樣的順從性表面根本與減阻無關(guān)，至今仍有爭議、尚無定論 第28頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003

11、年10月第29頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月新進展-納米結(jié)構(gòu)第30頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月主動壁 (active wall motion)：這種減阻方法主要是藉著物體表面的活動來改變紊性邊界層中原有的結(jié)構(gòu)與速度分布。但是牽涉到如何藉著微偵測器感應(yīng)紊性邊界層中的流場速度變化，再加以適當(dāng)?shù)刈屛矬w表面的活動，困難度相當(dāng)高，目前有的研究成果並不多。但隨著微機電系統(tǒng) (Micro Electro-Mechanical System, MEMS) 的日漸成熟，或許將來大有可為。 第31頁，共49頁，2022年，5

12、月20日，14點19分，星期日2003年10月表面材質(zhì)或分泌物：科學(xué)家研究魚類及鯨豚類的皮膚時還發(fā)現(xiàn)，牠們的皮膚會分泌特殊的分泌物覆蓋在表皮上。因而，科學(xué)家又想到另一類改變摩擦阻力的方法。這種改變表面材質(zhì)的減阻方法有三類： 第32頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月塗裝：藉著在物體表面塗裝不同的漆料，以不同的化學(xué)性質(zhì)改變物體表面與流體的摩擦係數(shù)，以減低摩擦阻力。這種表面加工技術(shù)對人類而言是最簡便的，只要找對塗裝漆料就似乎大功告成。然而，如何發(fā)現(xiàn)適當(dāng)?shù)膲T料，什麼塗料適合何種運動，以及在應(yīng)用上須克服的腐蝕與剝落等問題，都是亟待努力研究的。 第33頁，共49頁，

13、2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月微泡 (micro-bubble injection )：與表面構(gòu)造類的技術(shù)一樣，微泡注入法也是想藉著改變紊性邊界層中原有的結(jié)構(gòu)與速度分布，來減低阻力。其原理是利用氣體與邊界層中液體不同的密度與速度來改變流場結(jié)構(gòu)與速度分布。目前已發(fā)現(xiàn)微泡需注入紊性邊界層中的 buffer layer 才有明顯效果 第34頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日船舶航行時與水接觸，由于水的粘性作用產(chǎn)生摩擦阻力，并且與水接觸面積的大小成正比。所以設(shè)法用一層空氣將船體與水隔開，減少船體與水的接觸，將有效地降低船舶航行的阻力。 船舶應(yīng)用薄層

14、氣膜減阻節(jié)能技術(shù)的國內(nèi)外市場。在船底形成一層薄層空氣膜的簡單有效的技術(shù)措施，可實現(xiàn)船舶阻力降低15-30%,可使高速船航速提高20%左右。 第35頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日微噴：視噴入流場中的物質(zhì)不同，微噴法也分為兩種：同質(zhì)流體與非同質(zhì)物。同質(zhì)流體：第一種，噴入邊界層中的是流場中的流體 (如空氣或水)。美國航天總署 (NASA) 與空軍 (USAF) 曾以 F-16戰(zhàn)斗機為原型，聯(lián)合開發(fā)一種三角翼的實驗機F-16XL (見圖一)，并在其機翼上裝上感應(yīng)及微噴-微吸系統(tǒng)，來研究借著改變邊界層中原有的速度分布來控制邊界層的剝離，達到減低黏性壓差阻力目的的可行性。 第3

15、6頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月微噴第37頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月第38頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月非同質(zhì)物：例如，有人開始加入微小高分子聚合物，或是結(jié)合微泡注入法形成一種混合物來注入邊界層中，以模仿魚類皮膚特殊的分泌物，借著改變流體分子間的摩擦力，使流體 (一般而言是水) 的粘滯性局部改變，從而改變摩擦阻力。 第39頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日在此值得一提的是，高分子聚合物的加入會改變流體的粘滯性與表面張力，使其應(yīng)用范圍擴大

16、。因而，目前有許多基礎(chǔ)研究環(huán)繞在高分子聚合物對流體各種行為的改變上。例如，法國的科學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，在液體中加入少量特別的高分子可以改變流體的黏滯性，將水一類的常見液體的黏性，從牛頓流體變成非牛頓流體，而使一滴液體落在固體表面時減少、甚至不會四濺 (Bergeron et al., 2000)，而這成果可能可以用于很多關(guān)于噴嘴的應(yīng)用中。 第40頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月另外有一種可能不算是仿生的減阻技術(shù)，卻也值得注意。與同質(zhì)流體微吸技術(shù)類似，只在物體尾部噴出流場中的流體，利用此噴流會沿物體尾部曲線流動的Coanda 效應(yīng)，來改變流場中的流線，將停滯點

17、 (stagnation point) 拉近物體尾部，而減少黏性壓差阻力。此方法已被德國人成功應(yīng)用于汽車上 。第41頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月魚類推進機理 仿生機器魚技術(shù)是近年來水下機器人領(lǐng)域研究的熱點之一,它為研制高效、高機動性和低噪聲的水下運載器提供了新的思路. 一種新的魚類推進機理波動推進,分析了波動推進過程中的運動阻力.通過魚類游動觀測實驗仿生機器鰻魚的研制.第42頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月高效、高機動性水下運載器是目前水下運載器設(shè)計領(lǐng)域的研究熱點,它基于魚在水中的游動特性及其身體結(jié)構(gòu)分析.

18、由于魚類的推進模式不同于常規(guī)的螺旋槳推進,所以近年來關(guān)于魚類推進機理的研究引起了越來越多研究者的興趣.第43頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月第44頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月第45頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月第46頁，共49頁，2022年，5月20日，14點19分，星期日2003年10月鱗片形非光滑表面的仿生設(shè)計 對典型土壤動物鱗片形體表進行了研究, 仿生鱗片形非光滑推土板在進行土壤切削試驗時不發(fā)生粘附,與光滑推土板相比,可平均降低推土阻力約15%。土壤動物體表的非光滑特征應(yīng)用于耐磨復(fù)合層的仿生設(shè)計中,制備出仿生非光滑復(fù)合層。仿生非光滑耐磨復(fù)合層的耐磨性是45鋼的29倍。第47頁，共49頁，202