机械仿生技术

本书主要取材于国家自然科学基金项目、河南省科技攻关项目等资助下取得的成果和作者及其研究团队在国内外期刊与会议上发表的学术论文。

在自然界中，生物经过亿万年的进化，对生存环境具有高度的适应性。生物在信息处理、控制调节、能量转换、方位辨别、导航和探测等方面，有着不可比拟的优点。生物的感知、指令、决策、反馈、运动等机能和外部器官的结构为新产品优化设计和发明创造提供了灵感，为人类解决科技难题提供了仿效对象，以此创造出的新理论和新技术使得仿生学得以诞生和发展。仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用，为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学，是一门生物科学、物质科学、数学与力学、信息科学、工程技术以及系统科学等学科的交叉学科。仿生学研究是生命科学、物质科学、信息科学、脑与认知科学、工程技术、数学与力学以及系统科学等多学科的相互渗透和交叉；同时，仿生学的研究发展对仿生机械工程、生物制造工程、组织工程、医学工程等相关工程学科的发展具有重大促进作用。总之，仿生学为科技创新提供了新思路、新理论和新方法。

本书共5章，主要对仿生行走技术、仿生脱粒技术、仿生变色技术、仿生矫形技术等进行了详细的论述。第1章概述了仿生四足机器人、种子玉米脱粒、生物结构色与变色、颈椎假体设计、鞘翅结构与复合材料的发展现状；第2章介绍了山羊坡地行走步态，设计了仿山羊坡地行走机构，对行走机构进行了三维动态仿真分析，为今后仿山羊坡地行走机构物理样机的结构设计提供了有力的参考依据；第3章从研究玉米籽粒的机械损伤入手，通过鸟类喙部离散玉米、人类手工脱粒玉米的机理分析，以及玉米籽粒间“循环力圈”的生物学、力学特性等系列试验，找出玉米果穗籽粒低损伤仿生脱粒与仿生脱粒方式之间的关系，进而为仿生设计低损伤玉米种子脱粒机提供理论依据；第4章通过对典型蝴蝶鳞片的形态和结构进行较为系统的研究，揭示了其结构色的形成机理，设计了变色试验，通过改变入射角度和填充介质两种方法研究了蝴蝶鳞片的变色现象，建立了其光学性能的物理模型，构建了ABA型121组合的仿生多层膜结构，为仿生变色结构设计提供理论基础；第5章结合仿生学原理，设计更加具有人体生理功能的人工假体或关节，将仿生矫形技术这一思想更好地渗透到外科矫形手术当中，可以为外科医生实施手术提供理论依据。

本书由张伏、李心平、邱兆美、王甲甲著，其中张伏编写了1.1节、第2章，李心平编写了1.2节和第3章，邱兆美编写了1.3节和第4章。王甲甲编写了1.4节和第5章。

本书汇聚了作者研究小组多年来的创新研究成果，在研究过程中得到了许多同行的大力帮助和支持。在此由衷地感谢吉林大学工程仿生教育部重点实验室任露泉院士、佟金教授、韩志武教授对我们研究工作的支持和帮助！感谢河南科技大学郭志军教授对我们研究工作的支持和帮助！感谢洛阳拖拉机研究所有限公司张国英工程师的支持和帮助！感谢本组研究生王唯、于瑞锋、刘红梅、张海峰、马磊、杜哲、马义东、吴康等在本书编著过程中所做的大量的图片处理和文字校对工作！本书得到河南科技大学学术专著出版基金资助，在此一并表示感谢。

由于作者学识与精力有限，加之时间仓促，书中难免会有疏漏及不尽如人意之处，恳请读者批评指正！

作者2016.01

第1章绪论

1.1仿生四足机器人概况

1.1.1仿生行走机构

1.1.2仿生四足机器人

1.2脱粒技术概况

1.2.1脱粒技术

1.2.2种子玉米脱粒装置

1.2.3种子玉米损伤籽粒发芽率研究

1.3生物结构色与变色概况

1.3.1结构色形成机理

1.3.2化学色形成机理

1.3.3结构色类型

1.3.4蝴蝶鳞片微观结构与光学特性

1.3.5生物色变色

1.4颈椎假体设计概况

1.4.1颈椎有限元建模方法

1.4.2颈椎假体设计

参考文献

第2章仿生行走技术

2.1山羊步态采集试验

2.1.1试验方法

2.1.2试验过程

2.1.3试验数据处理

2.2山羊坡地行走步态分析

2.2.16°坡地山羊上坡行走步态分析

2.2.26°坡地山羊下坡行走步态分析

2.2.318°坡地山羊上坡行走步态分析

2.2.418°坡地山羊下坡行走步态分析

2.2.536°坡地山羊上坡行走步态分析

2.2.636°坡地山羊下坡行走步态分析

2.2.7不同坡度步态分析

2.3山羊坡地运动机理分析

2.3.1山羊身体结构分析

2.3.2山羊步态运动影响因素

2.3.3山羊运动分析

2.3.4山羊力学分析

2.4仿山羊行走机构研究

2.4.1仿山羊行走机构设计

2.4.2仿山羊行走机构三维实体建模

2.4.3仿山羊坡地行走机构动态仿真分析

2.5小结

参考文献

第3章仿生脱粒技术

3.1玉米果穗生物特性

3.1.1种子玉米穗特性分析

3.1.2种子玉米籽粒特性分析

3.2种子玉米籽粒力学特性

3.2.1试验准备

3.2.2结果分析

3.2.3籽粒裂纹分析

3.3玉米果穗离散特性

3.3.1玉米果穗籽粒组砌规律对其离散效果的影响

3.3.2玉米果穗离散分析

3.3.3玉米果穗籽粒间循环力衰败分析

3.4玉米果穗裸手仿生差速脱粒

3.4.1玉米果穗籽粒裸手脱粒

3.4.2玉米果穗区间裸手脱粒效果分析

3.5玉米果穗鸡喙啄籽仿生离散

3.5.1试验材料及设备

3.5.2试验方法

3.5.3鸡喙啄食穗体籽粒的离散力学特征分析

3.6小结

参考文献

第4章仿生变色技术

4.1蝴蝶鳞片微观耦合结构

4.1.1蝴蝶鳞片形态与颜色

4.1.2蝴蝶鳞片微观结构

4.1.3蝴蝶鳞片结构模型

4.2蝴蝶鳞片结构色光学试验

4.2.1鳞片光学变色

4.2.2光学试验

4.2.3光学试验结果与分析

4.3蝴蝶鳞片结构色光学机理分析

4.3.1颜色的产生机制

4.3.2结构色着色机理

4.3.3理论计算分析

4.3.4结构色变色机理

4.4多层薄膜耦合结构仿生设计

4.4.1多层薄膜耦合结构分析

4.4.2多层薄膜耦合仿生设计

参考文献

第5章仿生矫形技术

5.1医学建模实例

5.1.1医学图像数据采集

5.1.2逆向工程建模技术

5.1.3三维实体重建

5.1.4划分网格与建立韧带

5.1.5边界条件设置

5.1.6模型验证

5.2单节段植入模型建立实例

5.3仿生融合器设计

5.3.1仿生融合器形状设计

5.3.2仿生融合器结构设计

5.3.3仿生融合器表面形态设计(1)

5.3.4仿生融合器表面形态设计(2)

5.3.5仿生融合器表面形态设计(3)

5.4小结

参考文献2100433B

在自然界中，生物经过亿万年的进化，对生存环境具有高度的适应性。生物的感知、指令、决策、反馈、运动等机能和外部器官的结构为新产品优化设计和发明创造提供了灵感，为人类解决科技难题提供了仿效对象，以此创造出的新理论和新技术，对仿生机械工程、生物制造工程、组织工程、医学工程等相关工程学科的发展具有重大促进作用。

本书对仿生行走技术、仿生脱粒技术、仿生变色技术三方面进行了详细的论述。仿山羊坡地行走机构设计为今后仿山羊坡地行走机构物理样机的结构设计提供了有力的参考依据；仿鸟类喙部离散玉米、人类手工脱粒玉米机理的玉米果穗籽粒低损伤仿生脱粒设计为低损伤玉米种子脱粒机研究提供理论依据；仿蝴蝶鳞片结构色变色机理的仿生多层膜结构设计为仿生变色结构设计提供理论基础。

本著作理论与实践相结合，内容新颖，图文并茂，具有先进性、针对性和实用性的特点。可作为高等普通院校机械类工科专业有关仿生技术的教材，也可作为工程技术人员或相关研究者从事仿生设计和分析的技术参考书。

针对钻遇地质和地面情况的复杂性，以及油价大幅波动和环保要求对钻井液提出的巨大挑战，本书较全面、系统阐述了如何将仿生学引入钻井液领域，解决靠常规技术手段难以解决的“井壁失稳、阻卡与卡钻、井漏、油气层损害、井眼难净化”等钻井液技术难题，构建仿生钻井液理论与技术，实现钻井液理论与技术进步。全书共共八章，主要内容有：仿生学基础知识、井眼强化仿生钻井液，超润滑仿生钻井液，智能防漏堵漏仿生钻井液，超低油气层损害仿生钻井液，高效粘附气泡钻井液，高效能仿生水基钻井液新技术与应用，仿生钻井液技术发展展望。

德国著名仿生学家Werner Nachtigall在其著作《Pattern of Nature》中提出了“适合功能之造型的仿生学设计原则”，其中包括：整体化而不是附加构造，整体的最优化而不是零件的最大化，多功能而不是单一功能，对环境的微调，节能，直接和间接的太阳能利用，整体的循环代替不必要的垃圾堆积，网络化关联而不是线状联系等。

仿生学的设计原则给予建筑仿生设计一些有益的启示：

建筑仿生学整体优化原则

美国建筑师富勒从结晶体和蜂窝的棱形结构得到启发，提出：“世界上存在着能以最小结构提供最大强度的系统，整体表现大于部分之和”。他依据“少费多用”的原则，设计了最有效率的活动住宅（Dymaxion House）和装配形球架（Geodesic Dome） （图4-3）。福斯特和格雷姆肖得益于富勒的直接教诲，在资源优化的建筑设计上成了高技派建筑师的典范。

德国建筑师奥托在20世纪60年代组织了“Biologic and Architecture”研究小组，探索材料的高效应用及与环境亲和的建筑。奥托也崇尚“Less is More”，奥托关注资源的整体优化。奥托认为他的建筑创作不是从形式出发，而是从高效的生物适应性得到启发。材料科学的发展使得奥托的钢索张膜高效结构在全世界得到广泛应用（图4-4）。

建筑仿生学适应性原则

适应性是生物经过长期的进化得到的为适应周围环境而形成的积极共生策略。动物教会我们如何应付高温或低温，植物又展示给我们如何应对太阳光辐射的生存模式，两者都提供了抵抗恶劣天气的崭新的处理方法。

把这种方法应用在建筑上是很有利的。例如人们研制了“特朗布壁”外墙系统（TrombeWalls），它利用热虹吸管/温差环流原理，使用自然的热空气或水来进行热量循环，从而降低供暖系统的负荷。在寒冷季节，墙体可以利用自身收集太阳辐射的能力加热空腔内的空气或水，新鲜空气则从墙体底部进入其空腔中，被热空气或水加热后进入室内，使热空气在室内循环流动。

建筑仿生学多功能原则

从某种意义上讲，人有三层皮。第一层是人的自然皮肤，热的时候它可以出汗，冷的时候会起鸡皮疙瘩，能以不同的方式对所处环境作出微调：第二层是人的衣服，随着四季的交替人们可以增减衣服，以适应季节变化；第三层则是建筑物的表皮。过去，建筑表皮是僵化不变的，不随季节的变迁而变化。但在仿生学研究中，建筑不再仅仅是“保温箱”，除了被动地保温，以防止热量散失，它还应主动地利用太阳能；在冬季，白天要充分吸收阳光，夜晚则要防止热量散失；在夏季，则要满足防热要求。仿生学的多功能原则为满足这些多重需要提供了思路。

生物气候缓冲层（ BBL=Bioclimate Buffering Layer）就是典型的多功能策略。它是指通过建筑群体之间的组合关系、建筑单体的组织和建筑各种细部的设计，在建筑与周围生态环境之间建立一个缓冲区域，在一定程度上防止各种极端气候条件变化对室内的影响，同时强化使用者需要的各种微气候调节手段。生物气候缓冲层具体可以大到街道、广场等空间，也可以是建筑的外维护结构，还可以小到建筑的细部构造。

双层皮玻璃幕墙是生物气候缓冲层设计原则的具体体现。这种光、薄、透的新型表皮构造，在冬季的白天可以保证室内获得足够的日照，以高效实现太阳能的被动式利用，晚上除了中空玻璃可以有效地阻止长波辐射以外，关闭的特制金属百叶相当于增加了一道保温层，有效地阻止了室内热量的散失；而在夏季，空腔内因热压而上升的空气能将金属百叶吸收的热量带至窗外，通过调节双层幕墙之间的特制遮阳构件还可以起到遮阳和热反射作用，从而实现建筑的被动式降温（图4-6）。 2100433B