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1、仿生技术与力学仿生技术与力学2003年10月08日仿生技术仿生技术l仿生学（仿生学（bionicsbionics）仿生学研究如何制造具有生物特仿生学研究如何制造具有生物特征的人工系统。征的人工系统。l美国空军军官美国空军军官J JE E斯蒂尔少斯蒂尔少校校19581958年首创仿生学。年首创仿生学。 2003年10月l19601960年全美第一届仿生学讨论会正年全美第一届仿生学讨论会正式建立了仿生学学科。式建立了仿生学学科。l4040多年来其研究范围主要包括：力多年来其研究范围主要包括：力学仿生、能量仿生、分子仿生和信学仿生、能量仿生、分子仿生和信息与控制仿生。形成了数学、物理息与控制仿生。形
2、成了数学、物理学、化学、技术科学与生物学相融学、化学、技术科学与生物学相融合的边缘交叉学科。合的边缘交叉学科。 2003年10月仿生仿生l1 1鸟的翅膀功能：上升力、推动力。鸟的翅膀功能：上升力、推动力。飞机双翼的功能：上升力，推动力需发飞机双翼的功能：上升力，推动力需发动机装置。动机装置。l2 2、鸟的骨质中空结构使身体重量减轻，、鸟的骨质中空结构使身体重量减轻，适宜在空中飞行。飞机为了减轻机身重适宜在空中飞行。飞机为了减轻机身重量，采用铝量，采用铝 合金、合金、ABSABS工程塑料等轻型工程塑料等轻型材料。材料。l3 3、鸟的自由流畅的外型可减少阻力，飞、鸟的自由流畅的外型可减少阻力，飞机
3、的流线型仿鸟在冲刺状的形态。机的流线型仿鸟在冲刺状的形态。 2003年10月2003年10月翼端涡流翼端涡流翼端涡流翼端涡流2003年10月2003年10月2003年10月2003年10月2003年10月空中悬停空中悬停 2003年10月蝙蝠翅膀形态蝙蝠翅膀形态2003年10月非非稳定机理稳定机理2003年10月导涡装置导涡装置2003年10月l大自然中万物的空间形态、结构、大自然中万物的空间形态、结构、特征，都是生命本能地适应生长、特征，都是生命本能地适应生长、进化环境的结果进化环境的结果l仿生形态设计是人们在长期向大自仿生形态设计是人们在长期向大自然学习的过程中，经过积累经验，然学习的过程
4、中，经过积累经验，选择和改进其功能、形选择和改进其功能、形 态，而创造态，而创造的更优良、多样化的形态。的更优良、多样化的形态。2003年10月l德国著名设计大师路易吉德国著名设计大师路易吉科拉尼曾说：科拉尼曾说：“设计的基础应来自诞生于大自然的生命所设计的基础应来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中。呈现的真理之中。”l这话道出了自然界蕴含着无尽设计宝藏的这话道出了自然界蕴含着无尽设计宝藏的天机。仿生形态创造与设计的条件是，具天机。仿生形态创造与设计的条件是，具有正确的认识事物、把握本质规律的方式、有正确的认识事物、把握本质规律的方式、方法，锤炼自我创新思维能力。二是具有方法，锤炼自我创新思
5、维能力。二是具有 扎实的生活基础，从自然界、人类社会的扎实的生活基础，从自然界、人类社会的原生状况中寻找设计的灵感，包括仿生设原生状况中寻找设计的灵感，包括仿生设计思维的计思维的 训练。人们的传统思维往往局限训练。人们的传统思维往往局限于现有的方法、体系，思维的触角伸展不于现有的方法、体系，思维的触角伸展不开，触及不到事物的本源上去。开，触及不到事物的本源上去。 2003年10月l人类不具备的许多感官特征而在生物界的人类不具备的许多感官特征而在生物界的众多动物身上存在。众多动物身上存在。l如水母能感受到冰声波而准确地预知风暴；如水母能感受到冰声波而准确地预知风暴；l蝙蝠能感受到超声波；蝙蝠能感
6、受到超声波；l鹰眼能从三千米高空敏锐地发现地面运动鹰眼能从三千米高空敏锐地发现地面运动着的小动物；着的小动物；l蛙眼能迅速判断目标的位置、运动方向和蛙眼能迅速判断目标的位置、运动方向和速度，并能选择最好的攻击姿势和时间。速度，并能选择最好的攻击姿势和时间。l大自然的奥秘不胜枚举。每当我们发现一大自然的奥秘不胜枚举。每当我们发现一种生物奥秘，就有可能成为我们一种新的种生物奥秘，就有可能成为我们一种新的设设 计可能性，也可能带给我们新的生存方计可能性，也可能带给我们新的生存方式。从这个意义上讲，仿生形态的挖掘是式。从这个意义上讲，仿生形态的挖掘是我们创新设计取之不尽的智慧源泉。我们创新设计取之不尽
7、的智慧源泉。 2003年10月l在超音速飞机飞行时，由于航速快，在超音速飞机飞行时，由于航速快， 会使机翼产生颤振而阻碍运动，甚至会使机翼产生颤振而阻碍运动，甚至会引起机翼折断而机毁人亡。这一问会引起机翼折断而机毁人亡。这一问题，曾经使设计师题，曾经使设计师 绞尽脑汁，最后终绞尽脑汁，最后终于在机翼前缘安放一个加重装置才有于在机翼前缘安放一个加重装置才有效地解决了这一难题。后来人们从动效地解决了这一难题。后来人们从动 物学上了解到，小蜻蜒的翅膀前缘上物学上了解到，小蜻蜒的翅膀前缘上方都有一块深色的角质加厚区方都有一块深色的角质加厚区翅翅痣。翅痣是蜻蜒的痣。翅痣是蜻蜒的 消颤振装置。蜻蜒消颤振装
8、置。蜻蜒快速飞行，就是靠翅痣调整翅膀的振快速飞行，就是靠翅痣调整翅膀的振动来实现的。动来实现的。 2003年10月仿生推進法仿生推進法 l工程師們有時會在實驗室裏將魚類尾鰭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，應用到工程機這一類生物運動的原理，應用到工程機械上。械上。l我們稱這種模仿生物的工程應用為仿我們稱這種模仿生物的工程應用為仿生工程學生工程學 ( (BiomimeticBiomimetic engineering) engineering)。仿生工程在機械、化工等各方面都有發仿生工程在機械、化工等各方面
9、都有發展，展， 2003年10月l對流體力學家或工程師而言，阻力與推對流體力學家或工程師而言，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切的問題。亦然。而兩者都是他們最關切的問題。因此，當我們人類想要更好的流體中的因此，當我們人類想要更好的流體中的交通工具或機械時，不免會想見賢思齊交通工具或機械時，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、或增加運以減少阻力、提高推進效率、或增加運動操控性能。動操控性能。 2003年10月仿生减阻流仿生减阻流场控制控制 l一般而言，提升
10、或改良某種事情不外乎一般而言，提升或改良某種事情不外乎開源與節流兩種方法，最好還能雙管齊開源與節流兩種方法，最好還能雙管齊下。提高推進效率也是如此。下。提高推進效率也是如此。分減阻與推進兩方面分減阻與推進兩方面 l所謂的流場控制所謂的流場控制 ( (flow control) flow control) 是減是減低阻力的方法之一，藉著改變物體表面低阻力的方法之一，藉著改變物體表面附近的流場來達到減低摩擦阻力或黏性附近的流場來達到減低摩擦阻力或黏性壓差阻力的目的。壓差阻力的目的。 2003年10月l生物學家觀察許多魚類及鯨豚類的皮膚後發生物學家觀察許多魚類及鯨豚類的皮膚後發現這些皮膚並不單純，非
11、常地值得研究。也現這些皮膚並不單純，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因此想出了各種模仿魚類或鯨豚類皮膚的方法。法。l目前較常見的仿生減阻方法包含了下面這些目前較常見的仿生減阻方法包含了下面這些方式：方式： l表面構造：表面構造： l微壕溝微壕溝 ( (ribletsriblets) )：在適當的位置上挖一些微小在適當的位置上挖一些微小的壕溝。這些壕溝會改變紊性邊界層的壕溝。這些壕溝會改變紊性邊界層 ( (turbulent boundary layer) turbulent boundary layer) 中原有的結構與中原有的結構與速度分布，因而減少摩擦阻力。這些微壕
12、溝速度分布，因而減少摩擦阻力。這些微壕溝被發現在像鯊魚鱗上，有著特殊的排列方式。被發現在像鯊魚鱗上，有著特殊的排列方式。這是近年來相當熱門的研究之一。這是近年來相當熱門的研究之一。 2003年10月2003年10月2003年10月2003年10月2003年10月l仿鱼类表皮的波纹壁面和粗糙表面机翼仿鱼类表皮的波纹壁面和粗糙表面机翼均有不同程度的减阻功能均有不同程度的减阻功能,其中相对厚度其中相对厚度为为13%的波纹壁面机翼和相同厚度的光的波纹壁面机翼和相同厚度的光洁翼面机翼相比洁翼面机翼相比,其总阻力减小达其总阻力减小达9%。l这些初步研究表明这些初步研究表明,仿生学在改善航行器仿生学在改善航
13、行器流体动力特性的研究中大有用武之地流体动力特性的研究中大有用武之地,尤尤其是模仿飞鸟和游鱼对目前仍在探索之其是模仿飞鸟和游鱼对目前仍在探索之中的紊流减阻的概念和机制的深入研究中的紊流减阻的概念和机制的深入研究将会有更大的收益。将会有更大的收益。2003年10月順從性表面順從性表面 ( (compliant surface)compliant surface)：l19601960年代時，科學家發現海豚的皮膚不年代時，科學家發現海豚的皮膚不只光滑而且有特殊的彈性。於是他們分只光滑而且有特殊的彈性。於是他們分析海豚的皮膚構造，發現除了表皮外，析海豚的皮膚構造，發現除了表皮外，下面有兩層柔軟的脂肪層
14、，而這樣的組下面有兩層柔軟的脂肪層，而這樣的組合稱為順從性表面，可使皮膚隨著水流合稱為順從性表面，可使皮膚隨著水流略為改變外形。據此，許多科學家模仿略為改變外形。據此，許多科學家模仿這種結構進行減阻實驗，但是並不十分這種結構進行減阻實驗，但是並不十分成功。不成功的原因究竟是在於未能適成功。不成功的原因究竟是在於未能適當地模仿，或是這樣的順從性表面根本當地模仿，或是這樣的順從性表面根本與減阻無關，至今仍有爭議、尚無定論與減阻無關，至今仍有爭議、尚無定論 2003年10月2003年10月新新进展进展-纳米结构纳米结构2003年10月主動壁主動壁 ( (active wall motion)acti
15、ve wall motion)：l這種減阻方法主要是藉著物體表面的活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構與速動來改變紊性邊界層中原有的結構與速度分布。但是牽涉到如何藉著微偵測器度分布。但是牽涉到如何藉著微偵測器感應紊性邊界層中的流場速度變化，再感應紊性邊界層中的流場速度變化，再加以適當地讓物體表面的活動，困難度加以適當地讓物體表面的活動，困難度相當高，目前有的研究成果並不多相當高，目前有的研究成果並不多。但但隨著微機電系統隨著微機電系統 ( (Micro Electro-Micro Electro-Mechanical System, MEMS) Mechanica
16、l System, MEMS) 的日漸成熟，的日漸成熟，或許將來大有可為。或許將來大有可為。 2003年10月表面材質或分泌物：表面材質或分泌物：l科學家研究魚類及鯨豚類的皮膚時科學家研究魚類及鯨豚類的皮膚時還發現，牠們的皮膚會分泌特殊的還發現，牠們的皮膚會分泌特殊的分泌物覆蓋在表皮上。因而，科學分泌物覆蓋在表皮上。因而，科學家又想到另一類改變摩擦阻力的方家又想到另一類改變摩擦阻力的方法。這種改變表面材質的減阻方法法。這種改變表面材質的減阻方法有三類：有三類： 2003年10月塗裝：塗裝：l藉著在物體表面塗裝不同的漆料，以不藉著在物體表面塗裝不同的漆料，以不同的化學性質改變物體表面與流體的摩同
17、的化學性質改變物體表面與流體的摩擦係數，以減低摩擦阻力。這種表面加擦係數，以減低摩擦阻力。這種表面加工技術對人類而言是最簡便的，只要找工技術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，如對塗裝漆料就似乎大功告成。然而，如何發現適當的塗料，什麼塗料適合何種何發現適當的塗料，什麼塗料適合何種運動，以及在應用上須克服的腐蝕與剝運動，以及在應用上須克服的腐蝕與剝落等問題，都是亟待努力研究的。落等問題，都是亟待努力研究的。 2003年10月微泡微泡 ( (micro-bubble injection )micro-bubble injection )：l與表面構造類的技術一樣，微泡注與表
18、面構造類的技術一樣，微泡注入法也是想藉著改變紊性邊界層中入法也是想藉著改變紊性邊界層中原有的結構與速度分布，來減低阻原有的結構與速度分布，來減低阻力。其原理是利用氣體與邊界層中力。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液體不同的密度與速度來改變流場結構與速度分布。目前已發現微泡結構與速度分布。目前已發現微泡需注入紊性邊界層中的需注入紊性邊界層中的 buffer buffer layer layer 才有明顯效果才有明顯效果 2003年10月l船舶航行时与水接触，由于水的粘性作船舶航行时与水接触，由于水的粘性作用产生摩擦阻力，并且与水接触面积的用产生摩擦阻力，并且与水接触面积的
19、大小成正比。所以设法用一层空气将船大小成正比。所以设法用一层空气将船体与水隔开，减少船体与水的接触，将体与水隔开，减少船体与水的接触，将有效地降低船舶航行的阻力。有效地降低船舶航行的阻力。 l船舶应用薄层气膜减阻节能技术的国内船舶应用薄层气膜减阻节能技术的国内外市场。在船底形成一层薄层空气膜的外市场。在船底形成一层薄层空气膜的简单有效的技术措施，可实现船舶阻力简单有效的技术措施，可实现船舶阻力降低降低15-30%,可使高速船航速提高可使高速船航速提高20%左左右。右。 2003年10月微喷：微喷：l视喷入流场中的物质不同，微喷法也分为两视喷入流场中的物质不同，微喷法也分为两种：同质流体与非同质
20、物。种：同质流体与非同质物。l同质流体：第一种，喷入边界层中的是流场同质流体：第一种，喷入边界层中的是流场中的流体中的流体 (如空气或水如空气或水)。美国航天总署。美国航天总署 (NASA) 与空军与空军 (USAF) 曾以曾以 F-16战斗机为原战斗机为原型，联合开发一种三角翼的实验机型，联合开发一种三角翼的实验机F-16XL (见图一见图一)，并在其机翼上装上感应及微喷，并在其机翼上装上感应及微喷-微吸系统，来研究借着改变边界层中原有的微吸系统，来研究借着改变边界层中原有的速度分布来控制边界层的剥离，达到减低黏速度分布来控制边界层的剥离，达到减低黏性压差阻力目的的可行性。性压差阻力目的的可
21、行性。 2003年10月微喷微喷2003年10月2003年10月非同质物：非同质物：l例如，有人开始加入微小高分子聚例如，有人开始加入微小高分子聚合物，或是结合微泡注入法形成一合物，或是结合微泡注入法形成一种混合物来注入边界层中，以模仿种混合物来注入边界层中，以模仿鱼类皮肤特殊的分泌物，借着改变鱼类皮肤特殊的分泌物，借着改变流体分子间的摩擦力，使流体流体分子间的摩擦力，使流体 (一般一般而言是水而言是水) 的粘滞性局部改变，从而的粘滞性局部改变，从而改变摩擦阻力。改变摩擦阻力。 2003年10月l在此值得一提的是，高分子聚合物的加入会在此值得一提的是，高分子聚合物的加入会改变流体的粘滞性与表面
22、张力，使其应用范改变流体的粘滞性与表面张力，使其应用范围扩大。因而，目前有许多基础研究环绕在围扩大。因而，目前有许多基础研究环绕在高分子聚合物对流体各种行为的改变上。高分子聚合物对流体各种行为的改变上。l例如，法国的科学家最近发现，在液体中加例如，法国的科学家最近发现，在液体中加入少量特别的高分子可以改变流体的黏滞性，入少量特别的高分子可以改变流体的黏滞性，将水一类的常见液体的黏性，从牛顿流体变将水一类的常见液体的黏性，从牛顿流体变成非牛顿流体，而使一滴液体落在固体表面成非牛顿流体，而使一滴液体落在固体表面时减少、甚至不会四溅时减少、甚至不会四溅 (Bergeron et al., 2000)
23、，而这成果可能可以用于很多关于喷而这成果可能可以用于很多关于喷嘴的应用中。嘴的应用中。 2003年10月l另外有一种可能不算是仿生的减阻技术，另外有一种可能不算是仿生的减阻技术，却也值得注意。与同质流体微吸技术类却也值得注意。与同质流体微吸技术类似，只在物体尾部喷出流场中的流体，似，只在物体尾部喷出流场中的流体，利用此喷流会沿物体尾部曲线流动的利用此喷流会沿物体尾部曲线流动的Coanda 效应，来改变流场中的流线，效应，来改变流场中的流线，将停滞点将停滞点 (stagnation point) 拉近物体拉近物体尾部，而减少黏性压差阻力。此方法已尾部，而减少黏性压差阻力。此方法已被德国人成功应用
24、于汽车上被德国人成功应用于汽车上 。2003年10月鱼类推进机理鱼类推进机理 l仿生机器鱼技术是近年来水下机器人领仿生机器鱼技术是近年来水下机器人领域研究的热点之一域研究的热点之一,它为研制高效、高机它为研制高效、高机动性和低噪声的水下运载器提供了新的动性和低噪声的水下运载器提供了新的思路思路. l一种新的鱼类推进机理一种新的鱼类推进机理波动推进波动推进,分分析了波动推进过程中的运动阻力析了波动推进过程中的运动阻力.l通过鱼类游动观测实验通过鱼类游动观测实验仿生机器鳗仿生机器鳗鱼的研制鱼的研制.2003年10月l高效、高机动性水下运载器是目前水下高效、高机动性水下运载器是目前水下运载器设计领域
25、的研究热点运载器设计领域的研究热点,它基于鱼在它基于鱼在水中的游动特性及其身体结构分析水中的游动特性及其身体结构分析.l由于鱼类的推进模式不同于常规的螺旋由于鱼类的推进模式不同于常规的螺旋桨推进桨推进,所以近年来关于鱼类推进机理的所以近年来关于鱼类推进机理的研究引起了越来越多研究者的兴趣研究引起了越来越多研究者的兴趣.2003年10月2003年10月2003年10月2003年10月鳞片形非光滑表面的仿生设计鳞片形非光滑表面的仿生设计 l对典型土壤动物鳞片形体表进行了研究对典型土壤动物鳞片形体表进行了研究, 仿生鳞片形非光滑推土板在进行土壤切仿生鳞片形非光滑推土板在进行土壤切削试验时不发生粘附削
26、试验时不发生粘附,与光滑推土板相比与光滑推土板相比,可平均降低推土阻力约可平均降低推土阻力约15%。l土壤动物体表的非光滑特征应用于耐磨土壤动物体表的非光滑特征应用于耐磨复合层的仿生设计中复合层的仿生设计中,制备出仿生非光滑制备出仿生非光滑复合层。仿生非光滑耐磨复合层的耐磨复合层。仿生非光滑耐磨复合层的耐磨性是性是45钢的钢的29倍。倍。2003年10月l通过对生活在粘湿环境中的典型土壤动通过对生活在粘湿环境中的典型土壤动物物(如穿山甲、蜣螂、蚂陆、螃蟹、泥如穿山甲、蜣螂、蚂陆、螃蟹、泥鳅、步甲、蝗虫、潮虫鳅、步甲、蝗虫、潮虫)的防粘特性研的防粘特性研究究,发现土壤动物经亿万年进化、优化发现土壤动物经亿万年进化、优化而形成的防粘特性突出地表现在体表上而形成的防粘特性突出地表现在体表上,其体表的几何非光滑形态是可以减粘降其体表的几何非光滑形态是可以减粘降阻的重要原因之一。同时发现上述土壤阻的重要原因之一。同时发现上述土壤动物体表普遍具有一种鳞片形非光滑形动物体表普遍具有一种鳞片形非光滑形式式,其中穿山甲体表最为明显其中穿山甲体表最为明显3,它它由头至尾全身背部均披角质鳞片由头至尾全身背部均披角质鳞片,每个每个鳞片的基部都被前排鳞片的末端呈瓦尾鳞片的基部都被前排鳞片的末端呈瓦尾状覆盖着状覆盖着,见图见图1。2003年10月2003年10月
