浅谈仿生学在飞行器设计中的意义与价值论文

浅谈仿生学在飞行器设计中的意义与价值论文

摘要：仿生学是一门既古老又年轻的学科, 是一门人们通过研究生物体的结构与功能工作的原理, 并根据这些原理发明出新的设备、工具和科技, 创造出适用于生产, 学习和生活的先进技术的学科, “师从自然”是其主要原则。日常生活中的很多发明都源自于自然界的仿生原理, 而飞行器就是其中最主要的一种。文章主要对飞行器设计中的仿生学应用的设计原理与意义进行了说明, 以期为仿生学在飞行器设计中的应用提供理论支持。

关键词：飞行器; 仿生学; 应用;

1 概述

仿生学一词是由美国斯蒂尔在1960年提出的, 大约从1961年才开始使用。某些生物的某些功能比目前任何人工机械还要优越, 在工程上实现并有效地应用生物功能也成为仿生学最主要的原理和目标。仿生学是一门交叉学科, 涉及到生物学、动力学、物理学、材料学等, 它是连接生物和技术的纽带。仿生学被广泛应用于工业设计领域, 随着新型材料的出现和技术的革新, 仿生学也被运用到了飞行器的设计中, 许多国家投入大量人力、物力去研究仿生飞行器。

2 仿生学在飞行器设计中的应用

16世纪开始, 仿生学在飞行器设计上得到应用, 普遍认为1505年左右, 达·芬奇首次模仿蝙蝠的形态设计出了飞行器的扑翼。而这种模仿方式让许多人对仿生学产生了一定的误区, 认为仿生学的应用就是对形态的模仿。但是飞行器的设计并不仅仅是对形态的模仿, 还包括对结构、功能和肌理等方面的仿生。

改革开放以来, 我国航天事业实现了突飞猛进的发展, 在飞行器自主设计方面也取得了长足的进步。在这个过程中, 仿生技术广泛应用于当前的飞行器设计中。设计人员结合仿生技术, 运用新技术和新方法, 有效地提高飞行器设计质量。

2.1 形态仿生

形态仿生, 是指飞行器在外型的设计上, 模仿自然界生物的外部形态, 这也是人类最早的仿生方式。每一种生物的外部形态在自然界中经过漫长岁月的演变, 其对生态环境的适应性是极强的, 这也为人类通过仿生学解决相似问题提供了可能。比如, 在飞机的设计中, 不管是最早的滑翔机, 还是后来的航天飞行器, 都采用了流线型的外观, 这都是形态仿生的特点。这不仅可以减少飞机飞行的阻力, 减少油耗, 而且也为现代飞机的造型奠定了基础。被称为21世纪“达·芬奇”的卢吉·科拉尼的设计理念, 就是每个作品都要融入自然特征。他曾借鉴鲸的外形设计了一款四层机舱的概念性飞机, 另外, 他在1977年也为波音公司通过模仿锯齿鲨的形态设计了一款飞机, 颠覆了飞机的传统形态。形态仿生在当前飞行器的设计中运用极为普遍, 比如常见的双翼、流线型、尾翼等, 都是通过对鸟类形态的仿生设计而成的。目前, 模仿昆虫外部形态进行仿生设计的技术, 在微型无人机的设计得到广泛运用, 这种技术为飞行器的设计提供新了新的思路。在多数情况下, 形态仿生并不能单独应用, 必须结合其它仿生模式, 这不仅可以使其功能得到最大发挥, 而且其外形也可以达到美观的效果。

2.2 功能仿生

功能仿生, 主要是指通过模仿自然界生物的功能来进行飞行器的设计, 同时满足自身需求。近年来, 功能仿生应用极为广泛, 而在飞行器设计中表现的更为突出。比如, 利用猫头鹰的静音飞行特性, 我们解决了飞行器的噪音问题;利用苍蝇平衡棒的导航原理, 解决了飞行器稳定性的问题;利用鸟类脚步弹性减震原理, 设计了飞行器的弹性减震起落架;利用蝙蝠微波导航原理, 设计出了雷达导航系统。随着飞行器设计技术的不断提高, 功能仿生也更加深入。例如, 通过对墨鱼喷射功能的模仿, 设计了火箭飞行与导弹飞行的功能;又如利用象鼻虫的视动反应, 研制了测速仪等, 功能仿生仍然广泛采用于当前飞行器设计中。受到蜻蜓翅痣结构的启发, 飞机设计者在飞机的副翼与襟翼的前缘适当增加配重, 调整重心, 有效地防止颤振现象。在长期的优胜劣汰的环境下, 生物为了生存, 往往会形成独特的身体结构。功能仿生主要是学习这种适应性, 并将这种独特的身体结构运用到飞行器设计上。

2.3 肌理仿生

近年来, 随着材料学的进步, 肌理仿生也逐渐发展起来。肌理仿生, 是指人类通过对自然界生物的表面肌理的研究, 增强飞行器的形态功能。与形态仿生相比较, 肌理仿生更加侧重于对表面材质的研究。因此, 肌理仿生不仅是一种外在的视觉上的表面现象, 更是对内在功能的模仿和研究。因为肌理仿生需要对材料进行细致研究, 因此, 它的研究对象从宏观层面延伸到微观层面。对鲨鱼表面研究发现, 其身体是沟槽非光滑型表面, 这种表面可以有效的减少阻力, 而鲨鱼表面这种肌理特征最早被运用到航天器上。例如, 研究者在对螳螂虾的钳子的研究中, 发现了螺旋状的矿化纤维层, 这种物质具有良好的减震效果, 研究者就利用碳纤维复合材料模仿螺旋状结构, 制作飞机框架, 起到了良好的减震效果。再比如, 设计者对甲虫、瓢虫类的昆虫的外壳的肌理进行研究, 并将研究结果应用到飞机的外壳设计中, 这样不仅可以有效的降低飞机的重量, 同时, 还能够使飞机外壳更加坚固。作为一项新的仿生技术, 肌理仿生在飞行器设计中有着较大的上升空间, 它也为飞行器提供新的设计理念。

2.4 人体仿生

目前, 在飞行器设计中, 仿生学在飞行器设计中的应用已经远远超出了生物仿生的范畴, 而人体仿生技术的应用变得日益广泛。比如, 设计者在对飞行器的内部进行设计时, 特别是对座椅的设计, 通过应用人体仿生技术和人体力学的相关知识, 可以十分有效的缓解航天飞行器乘坐者的疲劳感, 提高了他们的舒适度和乘坐质量。同样, 在面对部分危险性高的飞行问题时, 利用人体仿生可以有效提高飞行员的安全性。

2.5 意象仿生

所谓意象仿生, 就是指研究者对自然生物进行仔细的观察, 详细的分析, 缜密的思考之后形成观念, 并将这种观念整体运用到飞行器的设计中。相交于其他仿生技术, 意象仿生更加侧重于理念和思维的实现。意象仿生通常是通过外形设计来传达设计者的思想和理念, 以此可以激发人们对相关生物的记忆, 它对设计者有着较高的设计要求。意象仿生在飞行器设计上的应用, 通常表现在对飞行器的命名上, 通过名称就可以对飞行器的特点产生非常直观的认识。例如, 美国将研发的战斗机取大黄蜂为代号, 体现这架飞机善于飞行的性能。同样“全球鹰”无人机, 也是意象仿生的典型例子, 通过“鹰”这个名字来体现飞机强大的侦查性能。

3 仿生学在飞行器应用中的应用意义

通过近半个世纪的发展, 仿生学迅速发展, 并运用到了多个领域, 它已经从最初单一的生物学范畴发展成为多个学科之间的交叉学科。仿生学以自然生物及其特点为师, 遵循自然规律, 加以学习、模仿, 即“师法自然”为主要原则。设计者参照自然生物经过长时间的进化结果, 从形态、功能、肌理、意象等方面优化飞行器的形态和功能, 已成为一种重要的设计理念。在飞行器的设计当中, 自然生物为我们提供了许多现成的素材, 比如, 在形态方面, 就给飞行器的设计提供了简约、优美等众多选择。而在功能方面, 复杂、多样的"生物结构也为飞行器的设计在技术上提供了重要的科学依据。

资源消耗、环境污染等一系列问题已经成为制约全球发展的重要因素, 绿色设计也必然成为以后设计的主要趋势。仿生学应用在飞行器设计上, 具有绿色、优化的作用, 也无疑会推动飞行器的外形、结构、材料等方面的设计走向一条可持续发展的道路, 因此, 仿生学在飞行器设计中的应用还需要进一步的研究。

仿生学技术一直被设计者广泛应用于全球的飞行器的设计研究中, 而仿生技术作为一种设计理念, 反过来指导飞行器的设计。

3.1 提供了一种新的研究方向

目前, 在飞行器的设计研究中, 由于技术条件的原因, 设计者仍然会遇到各种难题, 新型飞行器的创新设计依然困难重重。飞行器的诞生为人类探索外太空提供了可能, 随着社会和技术手段的不断进步, 飞行器的设计还有较大的发展空间。比如, 设计者对飞行器外形的设计, 已经从原来的对鸟类的仿生转移到了对鱼类的仿生, 基于鱼类防水阻力的外部特征, 应用仿生技术, 极大地提升了飞行器的飞行性能。而对于未来飞行器的概念性设计中, 研究者基于魔鬼鱼的外部形态, 应用仿生学原理, 提出了大型客机的设计理念。

3.2 实现飞行器环保性能

在环境问题已经成为全球问题的背景下, 全社会也越来越重视环境保护, 通过仿生技术的应用, 将仿生学理念运用到飞行器设计中, 从而实现飞行器的环保性能的作用日益凸显。比如, 研究者基于仿生学原理, 在小型飞行器的设计中, 提高对空气浮力和气流的利用率, 不仅可以达到增强动力的目的, 而且还可以使飞行器在飞行过程中减少油耗和电耗, 减少对环境的污染。在飞行器配套技术的应用中, 仿生学在环保方面同样也发挥着重要。比如, 在客机设计中, 设计者利用仿生学原理提供可再生材料座椅设备等, 都是对其环保理念的应用。

3.3 有效的提高了飞行器的整体性能

目前, 仿生技术在飞行器设计中的应用, 主要体现在对飞行器的外形、材料、结构等方面, 这些方面对飞行器的起飞、飞行、降落等整个运行过程都有着重要的促进作用。比如, 研究者将肌理仿生的理念运用到飞行器的设计中, 为减小飞行阻力, 将涂料技术运用其中。在飞行器辅助性能的设计中, 研究者基于候鸟飞行的导航原理, 通过仿生技术, 设计出了全新的导航系统, 极大地提高飞行导航的安全性。这些都是利用仿生技术提高飞行器整体性能的体现。

4 结语

总而言之, 仿生技术在飞行器设计中的广泛应用, 不仅有效提高了飞行器的技术含量和性能, 促进了飞行器各项功能的发展, 而且也为飞行器在设计上的发展提供了技术支撑。从可持续发展的角度看, 仿生学设计也将成为未来飞行器设计的趋势, 它不仅可以解决飞行器本身的性能等实际问题, 而且也可以减少环境的负担。仿生学犹如一股新生力量, 通过深入研究、分析、总结、利用, 可以使其更好地为飞行器的设计服务。

参考文献

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