機(jī)械仿生技術(shù)

本書主要取材于國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目等資助下取得的成果和作者及其研究團(tuán)隊(duì)在國內(nèi)外期刊與會(huì)議上發(fā)表的學(xué)術(shù)論文。

在自然界中，生物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，對(duì)生存環(huán)境具有高度的適應(yīng)性。生物在信息處理、控制調(diào)節(jié)、能量轉(zhuǎn)換、方位辨別、導(dǎo)航和探測(cè)等方面，有著不可比擬的優(yōu)點(diǎn)。生物的感知、指令、決策、反饋、運(yùn)動(dòng)等機(jī)能和外部器官的結(jié)構(gòu)為新產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)和發(fā)明創(chuàng)造提供了靈感，為人類解決科技難題提供了仿效對(duì)象，以此創(chuàng)造出的新理論和新技術(shù)使得仿生學(xué)得以誕生和發(fā)展。仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、性狀、原理、行為以及相互作用，為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想、工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成的技術(shù)科學(xué)，是一門生物科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、數(shù)學(xué)與力學(xué)、信息科學(xué)、工程技術(shù)以及系統(tǒng)科學(xué)等學(xué)科的交叉學(xué)科。仿生學(xué)研究是生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、信息科學(xué)、腦與認(rèn)知科學(xué)、工程技術(shù)、數(shù)學(xué)與力學(xué)以及系統(tǒng)科學(xué)等多學(xué)科的相互滲透和交叉；同時(shí)，仿生學(xué)的研究發(fā)展對(duì)仿生機(jī)械工程、生物制造工程、組織工程、醫(yī)學(xué)工程等相關(guān)工程學(xué)科的發(fā)展具有重大促進(jìn)作用?？傊?，仿生學(xué)為科技創(chuàng)新提供了新思路、新理論和新方法。

本書共5章，主要對(duì)仿生行走技術(shù)、仿生脫粒技術(shù)、仿生變色技術(shù)、仿生矯形技術(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)的論述。第1章概述了仿生四足機(jī)器人、種子玉米脫粒、生物結(jié)構(gòu)色與變色、頸椎假體設(shè)計(jì)、鞘翅結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的發(fā)展現(xiàn)狀；第2章介紹了山羊坡地行走步態(tài)，設(shè)計(jì)了仿山羊坡地行走機(jī)構(gòu)，對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行了三維動(dòng)態(tài)仿真分析，為今后仿山羊坡地行走機(jī)構(gòu)物理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有力的參考依據(jù)；第3章從研究玉米籽粒的機(jī)械損傷入手，通過鳥類喙部離散玉米、人類手工脫粒玉米的機(jī)理分析，以及玉米籽粒間“循環(huán)力圈”的生物學(xué)、力學(xué)特性等系列試驗(yàn)，找出玉米果穗籽粒低損傷仿生脫粒與仿生脫粒方式之間的關(guān)系，進(jìn)而為仿生設(shè)計(jì)低損傷玉米種子脫粒機(jī)提供理論依據(jù)；第4章通過對(duì)典型蝴蝶鱗片的形態(tài)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為系統(tǒng)的研究，揭示了其結(jié)構(gòu)色的形成機(jī)理，設(shè)計(jì)了變色試驗(yàn)，通過改變?nèi)肷浣嵌群吞畛浣橘|(zhì)兩種方法研究了蝴蝶鱗片的變色現(xiàn)象，建立了其光學(xué)性能的物理模型，構(gòu)建了ABA型121組合的仿生多層膜結(jié)構(gòu)，為仿生變色結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)；第5章結(jié)合仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)更加具有人體生理功能的人工假體或關(guān)節(jié)，將仿生矯形技術(shù)這一思想更好地滲透到外科矯形手術(shù)當(dāng)中，可以為外科醫(yī)生實(shí)施手術(shù)提供理論依據(jù)。

本書由張伏、李心平、邱兆美、王甲甲著，其中張伏編寫了1.1節(jié)、第2章，李心平編寫了1.2節(jié)和第3章，邱兆美編寫了1.3節(jié)和第4章。王甲甲編寫了1.4節(jié)和第5章。

本書匯聚了作者研究小組多年來的創(chuàng)新研究成果，在研究過程中得到了許多同行的大力幫助和支持。在此由衷地感謝吉林大學(xué)工程仿生教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室任露泉院士、佟金教授、韓志武教授對(duì)我們研究工作的支持和幫助！感謝河南科技大學(xué)郭志軍教授對(duì)我們研究工作的支持和幫助！感謝洛陽拖拉機(jī)研究所有限公司張國英工程師的支持和幫助！感謝本組研究生王唯、于瑞鋒、劉紅梅、張海峰、馬磊、杜哲、馬義東、吳康等在本書編著過程中所做的大量的圖片處理和文字校對(duì)工作！本書得到河南科技大學(xué)學(xué)術(shù)專著出版基金資助，在此一并表示感謝。

由于作者學(xué)識(shí)與精力有限，加之時(shí)間倉促，書中難免會(huì)有疏漏及不盡如人意之處，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正！

作者2016.01

第1章緒論

1.1仿生四足機(jī)器人概況

1.1.1仿生行走機(jī)構(gòu)

1.1.2仿生四足機(jī)器人

1.2脫粒技術(shù)概況

1.2.1脫粒技術(shù)

1.2.2種子玉米脫粒裝置

1.2.3種子玉米損傷籽粒發(fā)芽率研究

1.3生物結(jié)構(gòu)色與變色概況

1.3.1結(jié)構(gòu)色形成機(jī)理

1.3.2化學(xué)色形成機(jī)理

1.3.3結(jié)構(gòu)色類型

1.3.4蝴蝶鱗片微觀結(jié)構(gòu)與光學(xué)特性

1.3.5生物色變色

1.4頸椎假體設(shè)計(jì)概況

1.4.1頸椎有限元建模方法

1.4.2頸椎假體設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)

第2章仿生行走技術(shù)

2.1山羊步態(tài)采集試驗(yàn)

2.1.1試驗(yàn)方法

2.1.2試驗(yàn)過程

2.1.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.2山羊坡地行走步態(tài)分析

2.2.16°坡地山羊上坡行走步態(tài)分析

2.2.26°坡地山羊下坡行走步態(tài)分析

2.2.318°坡地山羊上坡行走步態(tài)分析

2.2.418°坡地山羊下坡行走步態(tài)分析

2.2.536°坡地山羊上坡行走步態(tài)分析

2.2.636°坡地山羊下坡行走步態(tài)分析

2.2.7不同坡度步態(tài)分析

2.3山羊坡地運(yùn)動(dòng)機(jī)理分析

2.3.1山羊身體結(jié)構(gòu)分析

2.3.2山羊步態(tài)運(yùn)動(dòng)影響因素

2.3.3山羊運(yùn)動(dòng)分析

2.3.4山羊力學(xué)分析

2.4仿山羊行走機(jī)構(gòu)研究

2.4.1仿山羊行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.4.2仿山羊行走機(jī)構(gòu)三維實(shí)體建模

2.4.3仿山羊坡地行走機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)仿真分析

2.5小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第3章仿生脫粒技術(shù)

3.1玉米果穗生物特性

3.1.1種子玉米穗特性分析

3.1.2種子玉米籽粒特性分析

3.2種子玉米籽粒力學(xué)特性

3.2.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

3.2.2結(jié)果分析

3.2.3籽粒裂紋分析

3.3玉米果穗離散特性

3.3.1玉米果穗籽粒組砌規(guī)律對(duì)其離散效果的影響

3.3.2玉米果穗離散分析

3.3.3玉米果穗籽粒間循環(huán)力衰敗分析

3.4玉米果穗裸手仿生差速脫粒

3.4.1玉米果穗籽粒裸手脫粒

3.4.2玉米果穗?yún)^(qū)間裸手脫粒效果分析

3.5玉米果穗雞喙啄籽仿生離散

3.5.1試驗(yàn)材料及設(shè)備

3.5.2試驗(yàn)方法

3.5.3雞喙啄食穗體籽粒的離散力學(xué)特征分析

3.6小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章仿生變色技術(shù)

4.1蝴蝶鱗片微觀耦合結(jié)構(gòu)

4.1.1蝴蝶鱗片形態(tài)與顏色

4.1.2蝴蝶鱗片微觀結(jié)構(gòu)

4.1.3蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)模型

4.2蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)色光學(xué)試驗(yàn)

4.2.1鱗片光學(xué)變色

4.2.2光學(xué)試驗(yàn)

4.2.3光學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.3蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)色光學(xué)機(jī)理分析

4.3.1顏色的產(chǎn)生機(jī)制

4.3.2結(jié)構(gòu)色著色機(jī)理

4.3.3理論計(jì)算分析

4.3.4結(jié)構(gòu)色變色機(jī)理

4.4多層薄膜耦合結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)

4.4.1多層薄膜耦合結(jié)構(gòu)分析

4.4.2多層薄膜耦合仿生設(shè)計(jì)

參考文獻(xiàn)

第5章仿生矯形技術(shù)

5.1醫(yī)學(xué)建模實(shí)例

5.1.1醫(yī)學(xué)圖像數(shù)據(jù)采集

5.1.2逆向工程建模技術(shù)

5.1.3三維實(shí)體重建

5.1.4劃分網(wǎng)格與建立韌帶

5.1.5邊界條件設(shè)置

5.1.6模型驗(yàn)證

5.2單節(jié)段植入模型建立實(shí)例

5.3仿生融合器設(shè)計(jì)

5.3.1仿生融合器形狀設(shè)計(jì)

5.3.2仿生融合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.3.3仿生融合器表面形態(tài)設(shè)計(jì)(1)

5.3.4仿生融合器表面形態(tài)設(shè)計(jì)(2)

5.3.5仿生融合器表面形態(tài)設(shè)計(jì)(3)

5.4小結(jié)

參考文獻(xiàn)2100433B

在自然界中，生物經(jīng)過億萬年的進(jìn)化，對(duì)生存環(huán)境具有高度的適應(yīng)性。生物的感知、指令、決策、反饋、運(yùn)動(dòng)等機(jī)能和外部器官的結(jié)構(gòu)為新產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)和發(fā)明創(chuàng)造提供了靈感，為人類解決科技難題提供了仿效對(duì)象，以此創(chuàng)造出的新理論和新技術(shù)，對(duì)仿生機(jī)械工程、生物制造工程、組織工程、醫(yī)學(xué)工程等相關(guān)工程學(xué)科的發(fā)展具有重大促進(jìn)作用。

本書對(duì)仿生行走技術(shù)、仿生脫粒技術(shù)、仿生變色技術(shù)三方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述。仿山羊坡地行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為今后仿山羊坡地行走機(jī)構(gòu)物理樣機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有力的參考依據(jù)；仿鳥類喙部離散玉米、人類手工脫粒玉米機(jī)理的玉米果穗籽粒低損傷仿生脫粒設(shè)計(jì)為低損傷玉米種子脫粒機(jī)研究提供理論依據(jù)；仿蝴蝶鱗片結(jié)構(gòu)色變色機(jī)理的仿生多層膜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為仿生變色結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

本著作理論與實(shí)踐相結(jié)合，內(nèi)容新穎，圖文并茂，具有先進(jìn)性、針對(duì)性和實(shí)用性的特點(diǎn)?？勺鳛楦叩绕胀ㄔ盒C(jī)械類工科專業(yè)有關(guān)仿生技術(shù)的教材，也可作為工程技術(shù)人員或相關(guān)研究者從事仿生設(shè)計(jì)和分析的技術(shù)參考書。

針對(duì)鉆遇地質(zhì)和地面情況的復(fù)雜性，以及油價(jià)大幅波動(dòng)和環(huán)保要求對(duì)鉆井液提出的巨大挑戰(zhàn)，本書較全面、系統(tǒng)闡述了如何將仿生學(xué)引入鉆井液領(lǐng)域，解決靠常規(guī)技術(shù)手段難以解決的“井壁失穩(wěn)、阻卡與卡鉆、井漏、油氣層損害、井眼難凈化”等鉆井液技術(shù)難題，構(gòu)建仿生鉆井液理論與技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鉆井液理論與技術(shù)進(jìn)步。全書共共八章，主要內(nèi)容有：仿生學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)、井眼強(qiáng)化仿生鉆井液，超潤滑仿生鉆井液，智能防漏堵漏仿生鉆井液，超低油氣層損害仿生鉆井液，高效粘附氣泡鉆井液，高效能仿生水基鉆井液新技術(shù)與應(yīng)用，仿生鉆井液技術(shù)發(fā)展展望。

德國著名仿生學(xué)家Werner Nachtigall在其著作《Pattern of Nature》中提出了“適合功能之造型的仿生學(xué)設(shè)計(jì)原則”，其中包括：整體化而不是附加構(gòu)造，整體的最優(yōu)化而不是零件的最大化，多功能而不是單一功能，對(duì)環(huán)境的微調(diào)，節(jié)能，直接和間接的太陽能利用，整體的循環(huán)代替不必要的垃圾堆積，網(wǎng)絡(luò)化關(guān)聯(lián)而不是線狀聯(lián)系等。

仿生學(xué)的設(shè)計(jì)原則給予建筑仿生設(shè)計(jì)一些有益的啟示：

建筑仿生學(xué)整體優(yōu)化原則

美國建筑師富勒從結(jié)晶體和蜂窩的棱形結(jié)構(gòu)得到啟發(fā)，提出：“世界上存在著能以最小結(jié)構(gòu)提供最大強(qiáng)度的系統(tǒng)，整體表現(xiàn)大于部分之和”。他依據(jù)“少費(fèi)多用”的原則，設(shè)計(jì)了最有效率的活動(dòng)住宅（Dymaxion House）和裝配形球架（Geodesic Dome） （圖4-3）。福斯特和格雷姆肖得益于富勒的直接教誨，在資源優(yōu)化的建筑設(shè)計(jì)上成了高技派建筑師的典范。

德國建筑師奧托在20世紀(jì)60年代組織了“Biologic and Architecture”研究小組，探索材料的高效應(yīng)用及與環(huán)境親和的建筑。奧托也崇尚“Less is More”，奧托關(guān)注資源的整體優(yōu)化。奧托認(rèn)為他的建筑創(chuàng)作不是從形式出發(fā)，而是從高效的生物適應(yīng)性得到啟發(fā)。材料科學(xué)的發(fā)展使得奧托的鋼索張膜高效結(jié)構(gòu)在全世界得到廣泛應(yīng)用（圖4-4）。

建筑仿生學(xué)適應(yīng)性原則

適應(yīng)性是生物經(jīng)過長期的進(jìn)化得到的為適應(yīng)周圍環(huán)境而形成的積極共生策略。動(dòng)物教會(huì)我們?nèi)绾螒?yīng)付高溫或低溫，植物又展示給我們?nèi)绾螒?yīng)對(duì)太陽光輻射的生存模式，兩者都提供了抵抗惡劣天氣的嶄新的處理方法。

把這種方法應(yīng)用在建筑上是很有利的。例如人們研制了“特朗布壁”外墻系統(tǒng)（TrombeWalls），它利用熱虹吸管/溫差環(huán)流原理，使用自然的熱空氣或水來進(jìn)行熱量循環(huán)，從而降低供暖系統(tǒng)的負(fù)荷。在寒冷季節(jié)，墻體可以利用自身收集太陽輻射的能力加熱空腔內(nèi)的空氣或水，新鮮空氣則從墻體底部進(jìn)入其空腔中，被熱空氣或水加熱后進(jìn)入室內(nèi)，使熱空氣在室內(nèi)循環(huán)流動(dòng)。

建筑仿生學(xué)多功能原則

從某種意義上講，人有三層皮。第一層是人的自然皮膚，熱的時(shí)候它可以出汗，冷的時(shí)候會(huì)起雞皮疙瘩，能以不同的方式對(duì)所處環(huán)境作出微調(diào)：第二層是人的衣服，隨著四季的交替人們可以增減衣服，以適應(yīng)季節(jié)變化；第三層則是建筑物的表皮。過去，建筑表皮是僵化不變的，不隨季節(jié)的變遷而變化。但在仿生學(xué)研究中，建筑不再僅僅是“保溫箱”，除了被動(dòng)地保溫，以防止熱量散失，它還應(yīng)主動(dòng)地利用太陽能；在冬季，白天要充分吸收陽光，夜晚則要防止熱量散失；在夏季，則要滿足防熱要求。仿生學(xué)的多功能原則為滿足這些多重需要提供了思路。

生物氣候緩沖層（ BBL=Bioclimate Buffering Layer）就是典型的多功能策略。它是指通過建筑群體之間的組合關(guān)系、建筑單體的組織和建筑各種細(xì)部的設(shè)計(jì)，在建筑與周圍生態(tài)環(huán)境之間建立一個(gè)緩沖區(qū)域，在一定程度上防止各種極端氣候條件變化對(duì)室內(nèi)的影響，同時(shí)強(qiáng)化使用者需要的各種微氣候調(diào)節(jié)手段。生物氣候緩沖層具體可以大到街道、廣場(chǎng)等空間，也可以是建筑的外維護(hù)結(jié)構(gòu)，還可以小到建筑的細(xì)部構(gòu)造。

雙層皮玻璃幕墻是生物氣候緩沖層設(shè)計(jì)原則的具體體現(xiàn)。這種光、薄、透的新型表皮構(gòu)造，在冬季的白天可以保證室內(nèi)獲得足夠的日照，以高效實(shí)現(xiàn)太陽能的被動(dòng)式利用，晚上除了中空玻璃可以有效地阻止長波輻射以外，關(guān)閉的特制金屬百葉相當(dāng)于增加了一道保溫層，有效地阻止了室內(nèi)熱量的散失；而在夏季，空腔內(nèi)因熱壓而上升的空氣能將金屬百葉吸收的熱量帶至窗外，通過調(diào)節(jié)雙層幕墻之間的特制遮陽構(gòu)件還可以起到遮陽和熱反射作用，從而實(shí)現(xiàn)建筑的被動(dòng)式降溫（圖4-6）。 2100433B