引言

所謂"仿生",是指利用所創(chuàng)造的相關產品系統模仿生物系統的行為或執(zhí)行其功能,來建造新型技術系統的一種新興的科學方法。它打破了生物和機器的界限,將各種不同的系統溝通了起來。通過研究生物體結構與其產生的特殊功能的工作原理,并根據這些原理發(fā)明出新的產品和系統,可以創(chuàng)造出適用于生產、學習和生活的先進技術。在進化和生存競爭中,生物逐漸形成了優(yōu)異的結構模式和表面組織,以改善自身對于摩擦的不適應。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行進化和變化,而學會有效利用生物體進化后的優(yōu)點及其生存特征則是人類對仿生學的探究,也是對生物體發(fā)展和仿生研究的巨大目標。

仿生學與減阻耐磨技術結合,需要將仿生技術應用到現有或正在設計的減阻耐磨結構產品中,實現所期望的功能和效果,從而填補摩擦學學科領域的空白,在技術上得到支撐和應用。根據流場控制等減阻原理,并受海中游速較快的鯊魚啟發(fā),通過直接復刻鯊魚皮和仿鯊魚皮的溝槽結構等方式可以達到減阻的目的,該技術現已成功運用在泳裝設計、飛行器和艦艇表面以及輸油管道內壁上,達到了減阻的效果;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用于航行體減阻;受金龜子爪趾結構啟發(fā)制造的仿生鏟尖能夠起到耐磨減阻的作用;對嵯螂表面進行仿生制成的推土板在耐磨減阻性能方面有顯著的提升;對貝殼類和生物鱗甲的深入探索和實驗研究得出了非光滑表面對減小摩擦具有顯著效果的結論,通過減少觸土部件的土壤粘附量,不僅可以使得農機零部件的使用壽命顯著提高,而且對于改善農機零部件的耐磨性具有顯著效果。

仿生學作為一門新興學科,其發(fā)展迅速且應用范圍較為廣泛,已經滲入工程各領域,并有著重要的研究價值。

1仿生摩擦學的工程應用

生物經過長期的進化和競爭形成了優(yōu)異的幾何結構和多功能表面織構,生物的這些結構在其運動中能夠起到一定的減阻、耐磨作用,因此對生物的研究有助于解決工程中的問題,例如,可以為機械的改形改性和材料的結構優(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計了仿生滅茬刀片,蟋嶂堅硬的上顎可以咬碎食物,所以依據蟋嶂上顎的輪廓形狀設計了仿生滅茬刀片,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,設計了一種可使葉片近壁面流體的流動得到控制的模型,流體對葉片的剪應力得到了減少,實現了減阻的效果。張勇等基于鯊魚鰭的仿生學研究,設計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,從而使流場結構得到改善,實現了減阻的效果。

(2)在耐磨方面:譚立東等觀察到大樹蛙運動過程中表現出很強的粘附力,依據樹蛙趾端的結構輪廓形狀設計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動和轉矩的要求,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體耐磨特性的研究,設計了一種通孔結構的仿生試件,仿生試件在受到外力時可利用自身微應變來吸收應力,因此仿生試件比普通試件具有更明顯的耐磨效果;吳波等基于土壤動物蚯蚓的耐磨體表結構的仿生學研究,設計了一種仿生活塞,該仿生活塞具有穩(wěn)定性可靠、散熱效率高以及熱應力集中小的優(yōu)點,能夠更有效地應用于生活實踐。

2減阻耐磨仿生結構發(fā)展展望

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

對生物仿生結構的研究最終目的是服務于社會,使得仿生結構從實驗室轉移到工程中得到大規(guī)模應用,而這仍需要進一步的探索和研究。

地球上的生物在數億年的進化和發(fā)展中逐漸與環(huán)境相適應,生物的各方面功能和結構都經歷過大自然嚴酷而又激烈的競爭,都是精挑細選得來,同時,生物一直在不斷地進化和發(fā)展,從而成為了減阻耐磨仿生結構的創(chuàng)新源泉,減阻耐磨結構的不斷創(chuàng)新和發(fā)展必定會成為解決工程難題的重要推手。

3結論

(1)仿生技術在工程中得到了廣泛的應用,可對機械結構進行改形改性:也可對材料拓撲結構和織構進行優(yōu)化,改善其性能,以應用于生產實踐。

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