仿生学运用范文（精选12篇）
仿生学运用 第1篇
现在我们产品设计当中,外观造型设计的一般流程概括如图1。
在外观设计的整个过程当中,由概念到草图绘制的方法有很多,如6-3-5法、头脑风暴法。仿生法作为借助于生物形态对现有产品形态进行改进的方法,也被越来越多的运用在新产品研发当中。自然界中的生物,大多是“优良设计”的结晶,自然可以设计出人类所无法想象的完美的造型。尤其是相比很多人类设计的冰冷的产品,它们完美的曲线造型,更具有亲和力,在这样一个审美疲劳的社会中,也更加符合现代人的审美要求。
1 仿生学在工业设计中的应用
大自然中的很多美好的事物被我们所欣赏,形态仿生设计是对生物整体形态或者某个部分的特征进行模仿、变形、抽象等等,是适应了人的这种审美心理的。产品造型设计的目的是在遵循可用、易用性的基础之上,不断的追求产品的快乐性、情趣性。
在这种审美心理的支配下,工业设计仿生学中的形态仿生设计应运而生。仿生形态设计分为具象仿生和抽象仿生。具象仿生是通过眼睛的构造以及生理的自然反映,真实的把外界之形映入人眼,从而感受到事实存在的形态。由于可以逼真的再现事物的形态,它可以模拟自然界中的事实存在的人类难以想到的复杂曲面形态。有了这些曲面的点缀,产品的快乐性、情趣性得以很好的体现[1]。
抽象仿生形态则是提炼出物体的内在本质属性。利用抽象出的形态,结合人的主观认识,运用到产品设计当中[1]。
另外,仿生还包括功能、结构、色彩等一系列的仿生。目前我们一直很热衷的“变形金刚”就是仿生学在玩具设计中的典型运用。图2中的汽车也是形态仿生的经典例子,汽车在形态上运用了仿生学的原理设计,更具亲和力,在功能上又符合了空气动力学的原理,性能更好。
2 反求工程RE的概念与一般流程
利用反求的方法进行产品设计研究以及新产品开发,在工业设计领域中运用相当广泛。
基于反求工程的产品设计从物质形态上来讲可以认为是一个“从有到无再到有”的过程。在工业设计的领域内,反求工程主要应用于新产品的造型设计中,以及产品的改型及更新换代的设计过程中,结合快速成型技术,快速的制造出产品样品的实物模型或模具,供设计者进行性能测试、直观评估和验证分析,完成产品的设计及制造。
反求工程的流程如图3[3]所示。一般意义上讲就是下面4个步骤:
(1)选择合适的反求物品
合适的反求物品可以是国外先进的产品,也可以是一些其它需要做反向设计的模型或者其他物品。
(2)进行形状与数据采集
数据采集,即获取目标物原形的数字化信息,准确、快速、完备地获取实物的三维集合数据,即通过三位扫描过程获得物体表面形态的三维模型,这是反求工程技术的重要步骤之一。
(3)对测量数据的处理
由于三维坐标扫描的方法产生的曲面,存在一定的失真的点,可以采用NURBS曲面可通过Pro/E软件方便的控制曲面形状,将多余的失真点删除,补充应有的控制点,以保证整个三维模型的曲面顺畅。
(4)对模型进行重建与再设计
在获得的曲面模型的基础上,融入自身的设计思维,运用设计知识并根据以往的工程技术经验以及社会化生产的需要运用Pro/E、UG等工程软件进行产品的再设计,获得所需要的产品模型。方便快速成型的模型制造与设计投产。
随着三维扫描技术的不断发展,企业当中,针对新产品进行反求的例子非常多。几乎所有的生产性企业都有人在作产品的反求研究,研究新产品新技术,研究竞争对手的产品,从而进行自己企业的创新设计。
3 利用仿生学与反求工程结合在工业设计中运用新思想
结合仿生学与工业设计产品开发的反求工程原理,可以对仿生产品流程进行优化。这里主要是针对具象的形态分析。传统意义上我们进行仿生形态设计只是通过设计师对生物形态的自身把握与实际测量。设计师根据自己脑子里面的产品形态,进行草图的绘制,完全依赖设计师本身的立体思维将产品的三维模型表现出来。这样往往会花费相当长的时间,而且经常会出现无法构成与理想曲面相似的有机形态。
利用反求思想进行仿生产品造型主要是依赖于三维扫描技术的发展。三维扫描仪可以快捷的将生物有机形态变成电脑中成型的曲面的组合,设计师可以对这些曲面进行细节的修改、变化,得到所需的理想形态。具体的操作过程如下:
对于新产品开发来说,一个产品的开发所耗费的时间无疑是在开发过程中至关重要的。与目前这种仿生形态设计方法相比,采用反求工程三维扫描的方法,进行仿生形态设计具有节约人力和时间,结果更加准确等优点。
(1)概念提出,仿生生物的选择。
观察到合理的仿生形态,选取合适的生物进行形态仿生设计。
(2)选择形态仿生的生物,进行前期处理。
将选择好的生物进行处理,使其符合三维扫描的需要。如需要则对生物标本进行表面着色处理,以防止在使用三维激光扫描仪进行扫描过程中,表面的反色对其生成曲面图像的影响。着色处理后的生物样品风干后用于三维扫描测量[4]。
使用三维扫描技术进行三维激光扫描系统获取表面数据,利用扫描仪对所选生物整体形态的空间扫描,CCD取像后将其转换为空间坐标。形成整个要扫描形态的三维坐标网格图[4]。
(3)数据的采集
目前国外已经有多种数据采集的软件。使用韩国INUS公司逆向工程软件可Rapidform可以将文件为多边形文件格式,如3DS,DXF,IGS,NAS,OBJ,PLY。IGS作为国际标准格式,可以直接导入Pro/E进行数据的处理。
(4)失真点的误差处理
在数据采集中,会因为偶然、非偶然因素产生一些误差。这些误差会使数据点云包含很多噪点,造成生物体模型曲面失真,甚至会产生扭曲变形现象,影响需求曲面的质量。通过Pro/E中的控制点的增删、移动等处理可以很大程度的改善其曲面形态,使曲面形态更加符合仿生的需求。
(5)多个视角定位拼接
由于在采集数据的时候被采集样本较大或者扫描角度的原因,往往需要多次对某一仿生原型进行形态采集,形成多个形态曲面,这就带来了曲面拼合的问题。在实际操作当中可以将某一个采集点作为定位点,多次采集,并进行拼合与修补将各个角度做出的模型结合出所需要的曲面。
(6)曲面的重构与创新设计
比照草图,在原有的仿生曲面模型基础上进行优化。将其进行重构、部分修改,大部分的仿生形态设计,所需要的仅仅是整个生物体的一个复杂曲面或者是一个部分。其他部分的设计就必须通过设计师根据草图进行建模处理与其有机地结合,添加适当的设计元素,并考虑到加工工艺、内部结构、产品分形与各个部分的批量生产等问题,最终完成整个曲面的创新设计,得到完整产品的三维模型。
4 结语
反求工程与仿生形态设计都是目前工业设计中常用的设计方法,两种设计思想方法进行有机结合,在仿生学思想的指导下,利用反求工程方法得到产品的曲面形态可以节省由概念草图到产品成型的时间,设计出更加具有快乐感、情趣化的产品。但是由于产品模具工艺要求以及产品造价要求会对整个产品的造型有所限制,这就要求设计师在做反求之前可以将产品整个形态进行初步把握之后,在充分考虑到模具与开发成本的基础上进行生物形态的反求,以形成最终的优化产品模型。
参考文献
[1]马瑞平,徐佳.工业设计中的仿生设计[J].家具与室内装饰,2005(6):2-83.
[2]刘之生,黄纯颖.反求工程技术[M].北京:机械工业出版社,1992.
[3]孙志学.基于反求工程的产品设计[J].陕西理工学院学报,2006(6):7-9.
[4]吴娜,佟金,陈东辉,等.基于逆向工程技术的蜣螂外形数据采集与处理[J].农业机械学报,2006(5):118-121.
仿生学论文：浅谈昆虫与仿生学 第2篇
作者： 学号： 学院： 专业： TEL： EMAIL: 指导老师： 题目：浅谈昆虫与仿生学
浅谈昆虫与仿生学
xxx（华南农业大学经济管理学院xxx，2xxxxx）
摘 要：在生物界中昆虫经历了长期的进化过程，发展出了许多与其所处生存环境相适应的器官系统，它们结构独特、功能奇异，因此，昆虫一直是仿生中最重要的对象之一。本文就昆虫仿生的仅展及热点，如：昆虫的形态仿生、结构仿生、感觉器官仿生、运动功能的仿生及其他特异能力的仿生进行介绍。
关键词：昆虫，仿生，功能
仿生学(bionics)是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在上世纪中期才出现的一门新的边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。无论是在初期抑或是现在，仿生学主要以昆虫为对象的仿生研究一直是国内外的研究热点。目前,有关昆虫仿生研究的主要方向有：昆虫的形态仿生、结构和功能的仿生、感觉器官的仿生、运动功能的仿生及其他特异能力的仿生等。[1]
一、昆虫形态的仿生
昆虫形态千差万别。形态仿生是早期仿生的主要内容，主要应用于军事和航空航天领域，例如：模仿蝴蝶色彩和花纹的军事伪装设施；模仿蜻蜒翅膀上的翅痣在飞机的两翼加上平衡重锤，解决飞机因高速飞行而引起振动的棘手问题；模仿蝴蝶翅面上的鳞片随阳光照射方向自动变换角度而调节体温的原理，成功实现对人造卫星由于位置不断变化而引起温度骤然变化的控制。另外，一些昆虫巢穴的形态结构也是仿生研究的内容。在一些大型建筑中，经常模仿蜜蜂巢穴的六角形的架构设计，使建筑物具有高强度力学支撑结构，既坚固、美观，又节省建材。
二、昆虫结构与功能的仿生
由于生存环境的关系，一些昆虫在进化过程中形成了非常独特的体表微细结构，这些结构为仿生学家所关注。例如：大凤蝶的翅膀颜色是黄、蓝色，但看起来却是闪闪发光的绿色。原因乃是布满在翅膀上的微型小坑对光线的反射，人眼无法将从坑底反射的黄色光与周围两次反射的兰色光区分开来，从而感觉到的是绿色。研究如何模仿蝴蝶翅膀表面细微结构开发新型防伪技术(如防伪纸币或信用卡)已成为该领域重要的课题。
另外，人们注意到一些甲虫的体表很少黏附土壤(尽管它们常年生活在土壤和粪堆中)。坦克的履带和汽车的轮胎以及其他地面作业机械容易黏附泥土，既降低功效又缩短使用寿命。通过研究土壤昆虫(如蜣螂)的体表微观构造，发现体表的非光滑结构、体液和负性电位有利于减黏脱附，利用这些特性，进行仿生研究，解决地面机械的土壤黏附问题,开发出对土壤的黏附大为减少的仿生犁和仿生推土机铲等。[2]
三、昆虫感觉器官的仿生
在嗅觉方面，很多昆虫具有高度灵敏的嗅觉。昆虫触角上分布有不同类型的嗅觉感受器，感受器的类型不同决定了昆虫对不同化学物质的分辨率。不同的昆虫嗅觉灵敏度有差异,触角的结构以及相应的传导网络是其重要的决定因素。除了高灵敏度以外，昆虫的嗅觉感受器还具有高分辨率和高度特异性的特点。目前，各国都在加紧研制实用的仿昆虫触角的嗅觉感受器检测装置。有的直接将昆虫触角与场效应管相连组成气味物质检测系统；有的则仿昆虫嗅觉感受器排列组合研制复传感器(传感器阵列)。德国和法国科学家研究嗅觉感受器并将其用于机器人的嗅觉导航系统。美国加州大学圣地亚哥分校的的研究人员则通过研究蝗虫触角叶接收气味信号的特点，提出一种新的网络模型，其核心是神经元网络之间可以相互连接形成一个系统而使他们能识别比传统网络更多的信号。
就听觉系统而言，声源定位能力是最显著的属性之一，对有些昆虫来说，这种能力是生死攸关的。例如，昆虫(蛾类)“反捕猎”行为，可以聪明地闪避蝙蝠的追捕；神经解剖学研究表明，昆虫(蛾类)鼓膜耳仅有2个听觉感受器细胞，但能非常灵敏地侦听出蝙蝠的超声信号。因此，模仿昆虫听觉结构，研究其对声发射、接收、听信息加工及运动调控的感觉神经生物学与神经行为学原理，可望开发先进的“反声纳”装置。[3]
在视觉方面，尽管昆虫复眼结构简单，但其功能却是人和哺乳动物的单眼所不及。例如：螳螂能在0105s内一跃而起，吞下飞行中的小虫。在如此短的时间内，它需要准确测出小虫大小、飞行方向和速度，而螳螂仅靠其1对大复眼和颈部的一个本体感受器即可实现。此外,昆虫复眼还能感知偏振光、紫外光等。根据这些现象和原理，已经进行了很多成功的仿生应用，如：一次可拍摄1329张照片的蝇眼照相机；仿昆虫复眼的先进的相控阵雷达；仿昆虫复眼研制成功的空对地速度计以及偏振光导航仪。实际上，昆虫的复眼本身是一个精巧的导航控制系统，根据多年的研究发现，昆虫(特别是家蝇)具有快速、准确地处理视觉信息的能力，能实时计算出前面飞行物的方位与速度，同时发出指令控制并校正自己的飞行方向和速度，以便跟踪和拦截目标。对昆虫复眼这一定向导航系统的研究已得到广泛重视。目前，各国都在加紧昆虫视觉仿生研究，试图模仿昆虫复眼成像机理以及昆虫视觉信息处理过程，研制新型靶标自动制导系统。
在昆虫感觉器官仿生(尤其是视觉仿生)方面，国内外都给予了高度关注，目前有2个热点：一是试图研制出对化学物质高度敏感的探测仪器；二是研究昆虫复眼电子模型以及听觉和嗅觉感受器电子模型，并将昆虫的这类特异的感觉原理用于机器人导航系统，以提高机器人的自主功能水平。
四、昆虫运动功能的仿生
昆虫的运动功能奇特，形式多样，有的蠕动、有的跳动、有的飞行。昆虫独特的飞行机制一直为仿生学家所关注，如：昆虫的翅与飞行、昆虫飞行过程中的信号接收与传递、昆虫的神经组织结构及控制机理等。
上世纪末,人们提出了微型飞行器(microairvehicle,MAV)概念[4]。“微型机械飞行虫”(micromechanicalflyingInsect,MFI)或“虫型飞机”(entomopter)就是MAV的一种。由于其体积小,有很好的隐蔽性和机动性，最适于在室内或野外小范围内进行侦察;也可以攻击载人飞行器及其它目标。将MFI用于气象数据收集、环境研究等方面，可大大减少费用。美国NASA甚至计划10年后将虫型飞机用于火星探测。MFI的发展，在未来国家安全和国家经济建设等方面将起至关重要的作用，正在世界范围内引起极大的关注。美国国防部国防高级研究计划署(DARPA)从1992年就开始这种飞行器的论证工作，1995年组建了可行性研究小组，1997年拨款3500万美元制订一个为期4年的研制计划，开展了一系列的研究，近年来取得重要进展。然而，对于MFI或“虫型飞机”的研究，若采用传统的气动布局和飞行方式，可能会产生升力不足、稳定性差和控制困难等一系列问题。而微小昆虫则是大自然创造的“微型飞行器”，经过上亿年的进化和环境适应，在形态、运动方式以及利用“新型”空气动力学原理等方面,达到了近乎完美的程度。这是各国发展MFI技术加以仿生借鉴的核心。实际上,昆虫飞行功能研究(尤其是MFI研究)已经成为昆虫仿生领域最热烈的前沿方向之一。[5]
除了虫型飞机外，昆虫运动功能仿生的另一个方向是制造虫型机器人，模仿昆虫在陆地行走的腿足部结构和运动原理，研制具有昆虫足样行走能力的机器人或虫样蠕动的微型机车。这类机器人可被用于行进到崎岖不平的山路或其它非平坦地带(如：地震后墙壁倒塌的废墟中)执行特殊的任务。
五、昆虫其他特异能力的仿生
昆虫的独特自卫武器的仿生：有些甲虫在遇到敌害自卫时可喷出致命液体。美国军事专家受甲虫喷射原理的启发研制出了先进的二元化武器。另外，一些发达国家正在利用这种甲虫自卫武器原理研制二元化汽油：2个油箱分储不能独立燃烧的汽油中间体，进入发动机前才混合。或将普通汽油混入某种流体，进入发动机前再用特殊装置将其分离还原成普通汽油。
昆虫发光的仿生：一些昆虫(如：萤火虫)可将化学能直接转变成光能,，且转化效率几乎100%，而普通电灯的发光效率只有6%。模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源使发光效率提高十几倍，大大节约了能量。此外，冷光源无论在军事上还是民用上都具有非常广阔的用途。仿昆虫化学能转换为电能和机械能也是昆虫特异能力仿生的一个重要方向，这在虫型飞机的能量供应上有非常重要的用途。
昆虫群体协作性的仿生：一些社会性昆虫，如：蚂蚁、蜜蜂等具有其特有的社会群体协作性，研究它们的这些群体习性，有的提出所谓“蚂蚁算法”,有的将其原理用于研究MAV和多个机器人之间的协同工作。
综上所述，昆虫种群庞大、种类多样、外形迥异、功能奇特，是极其重要的仿生资源。目前，国际上昆虫仿生的热点主要集中在仿昆虫飞行器研制虫型机器人或虫型飞机、仿昆虫触角感受器开发生物传感器、仿昆虫视觉及其控制机理进行机器人导航、仿昆虫表面微结构研制新型脱黏附和防伪技术、仿昆虫感觉系统研制声纳Π反声纳装置等。我国在这些方面虽然都有所涉及，但尚不够深入，整体水平也有待提高。今后需要大力开展昆虫仿生资源研究，面对数以百万计的昆虫种类及其复杂精妙的结构，昆虫仿生必然有所选择，常见的昆虫易被作为仿生对象，但不太常见功能更为奇特的昆虫(如：在极端环境下生活的昆虫)更是值得开发的资源。与此同时,要进一步开拓仿生研究的新领域，尤其要注重昆虫特异能力(如：特异的感觉能力、信息处理能力)的仿生。只有通过多学科的交叉，结合现代生物学、工程学、微电子学等学科的研究技术和方法，加强对昆虫器官组织和细胞的生物学特性、功能及其机理的基础研究，深入理解昆虫各器官系统的生理学、生物化学、生物信息学等生物过程及其相关功能，才能在比较高的层次上更加有效地进行昆虫仿生。
参考文献：
仿生学运用 第3篇
意象仿生设计在现代家纺中的功能表现
1、 满足人基本的物质需求
人的基本物质需求即人的实用需求。和所有家纺设计的最基础功能作用一样，意象仿生设计首先满足人的基本生活条件设施，满足人最基本的身体享受即生理需求。在图案、色彩、面料肌理和产品形态上都以一种自然的合适的形式带给人日常生活中最基本的便利。再例如仿生物曲面形态的家纺设计产品，过度匀称的生物形体从视觉上平稳动感，在触觉上给人柔软舒适的享受。意象仿生设计汲取了自然界能给人在生活中便利与享受的优点，通过设计创造凸显自然生物的优点以为人们生活所用。
2、 满足人情感上的需求
增进产品的情趣
意象仿生设计可以传达天马行空的想象、梦幻、趣味的生活。例如家具的趣味化设计，它不仅仅是家具造型的幽默、结构的新奇，也是指家具本身所蕴含的文化内涵。因此产品设计应是极为理性和含蓄的，追求家具产品的趣味性和工业产品的人性化，满足深层次的精神文化需求，也是体现一种情感需求。
满足人类回归自然的需求
以人为出发点，在我们的居住空间中创造出适于人们生活的第二自然。例如，在墙纸设计中的运用灵感来源于树叶的意象图案、在抱枕的设计上模仿树根的形态特征、在地毯的设计上采用绿色草皮的色调等，这些灵感来源于大自然的意象仿生设计，不仅为我们的居室增添了趣味感而且向人们传递了来自大自然的清新感觉，可以弥补人们忙于工作无法郊外踏青的生理和心理需求。
消除高科技产品中的冷漠和生疏
现代设计是科学和艺术、技术与人性的结合，科学技术给设计以坚实的结构和良好的功能，而艺术和人性使设计富于美感，充满情趣和活力，成为人与设计和谐亲近的纽带。意象仿生设计可以有益于人们消除高科技产品中的冷漠和生疏。
如图7-8海洋浴室，提取海洋中的植物融入室内装饰中，具有强烈的视觉冲击力。整个设计灵感来源于大海印象，组建成具有流线型的意象仿生的室内布局，使人们仿佛置身于蓝色的海洋中，倍感亲切。意象仿生设计中，可以通过色彩、图案、面料肌理、形态的意象仿生，让人们在视觉上和触觉上都以一种亲切和谐的方式与家用纺织品相融合。
意象仿生设计在现代家用纺织品中的运用和表现形式
1、 图案的运用和表现形式
在大自然中，花卉的形态、干涸的土壤裂纹、龟壳上的纹路、小鸟嬉戏的画面等都是我们图案设计取之不尽的灵感来源。各种仿生图案以写意的方式展现，有的夸张变形，有的简洁明朗，有时一幅图案乍看上去像一条鱼，再看是鸟，图案相互穿插，巧妙地组合后看上去又变成另一种动物，正反颠倒皆有一番不同情趣。
意象图案有很多种创作方式，我们可以通过对具象的仿生图案分割重组，对既有抽象仿生又有具象仿生图案的组合，对较为具象的图案和抽象的点、线、面图形进行组合，改变图案的构成形式，以打散、提炼、简化拼接等进行意象图案的创作。
2 色彩的运用和表现形式
自然界中的天、海、湖、山、海滨、晚霞、原野等自然色彩被设计师们灵活地运用在家纺色彩中。意象仿生色彩是一种寄托人们情感的色彩，通过不同的视觉色彩，满足人们不同的心理需求。仿生色彩中具有深刻的文化内涵，从而达到“以色传情”、“以色达意”的境界。这源于人们对自然界精神之有感而发、情感的互通，如同我国书法和国画的“意境”一样。
如图11是我国传统的蓝印花布，是在白布上用天然蓝色进行“分蓝布白”的自然动植物纹样的艺术创作，蓝白相间，形成许多自然的冰纹，使人们联想到天空、海洋、生物，让人们悟出了表现东方的沉静、开阔的感觉，这就是自然精神内涵的发挥，唤起人与自然元素的感情联系,借鉴自然之色来表达人们的审美意念。意象联想仿生设计,由色彩直接联想到某种意象的概念。
3、 肌理的运用和表现形式
肌理的仿生是设计生态主义的外化的视觉表现形式。意象仿生设计的设计理念亦是以表现回归自然为原始目的的，使用自然纤维织物素材如棉、麻、绢、竹等材料，从自然界的生物和生态现象的贝壳、海草、石头、树皮中寻找创作灵感来源，并模仿着这些自然物质表面的凹凸效果，将材料分解成为元素，使之以新的次序排列组合，运用重复、渐变、回转、透叠、重合的构成手法，可以得到丰富新颖的面料肌理效果。设计师通过对各种材料的认识，采用适合表现所要达到的肌理效果的材料，如采用仿树皮肌理的树皮绉、仿动物身上纹样的人造裘皮，包括采用自然纤维，进行排列、编织、编结，极具现代感和意象仿生效果。
4、形态的运用和表现形式
产品形态的意象仿生设计通过对自然物外在形态进行相应的艺术处理手法后，对自然形态的造型进行提炼，归纳、抽取其基本要素加以重新组合，有时还使用变异、夸张等艺术造型手段，成为概括的自然形态或人造自然形态，使之具备自然形态的隐喻或象征意义，或者成为一种纯粹的艺术符号，属于间接形式的仿生艺术。
现代家用纺织品中的意象仿生设计应恰当选择仿生的对应物，准确选择和灵活运用形状、质量感、比例关系、质感肌理、色彩搭配等等特征。其次，将具象转化为意象形态。具象的自然形态如果直接运用于产品外形会出现各种各样的问题，对于原生形态经过意象化应用于家用纺织品设计中才具有诗意。意象后的形态既带有自然的美也包含了对于生活的感受，更容易触发人们的想象，更具有艺术的感染力。
解析平面广告中仿生形态的运用 第4篇
一、仿生思维与仿生设计
日本物理学家树内宪雄把人的创造活动分为两个阶段:第一阶段称为初期创造活动, 主要依赖于模仿, 称为模仿创造阶段。第二阶段为后期创造活动, 即在模仿创造的前提下进行再创造。这类创造往往突破模仿, 称为一种独创。创造学家认为, 创造是由模仿开始, 然后再进入独创的。人们只要稍加注意身边的事物, 勤于思索, 就能通过模仿来发明创造。如果一个人对任何事物一无所知, 他是不可能进行创造活动的, 而人类最原始的模仿对像无疑就是自然界存在的客观事物。因此, 模仿是人类发明创造活动的第一步。
仿生思维就是创造性思维的一种基本方式, 它以生物体作为认识对象, 通过人的创造活动, 物化一种前所未有的新的形态、结构, 出现一种新的功能或新的形象, 满足人的新的需求。这个过程是一个由具体抽象具体的转化过程, 即对生物体的具体认识运用仿生创造性思维创造新事物。
仿生设计是建立在仿生学和设计学基础上的, 它运用到数学、生物学、电子学、物理学、控制论、信息论、人机学、心理学、材料学、机械学、动力学、工程学、经济学、色彩学、美学、传播学、伦理学等相关学科。仿生设计与旧有的仿生学成果应用不同, 它是以自然界万事万物的形、色、音、功能、结构等为研究对象, 有选择地在设计过程中应用这些特征原理进行的设计, 同时结合仿生学的研究成果, 为设计提供新的思想、新的原理、新的方法和新的途径。在某种意义上, 仿生设计学可以说是仿生学的延续和发展, 是仿生学研究成果在人类生存方式中的反映。
仿生设计作为人类社会生产活动与自然界的锲合点, 使人类社会与自然达到了高度的统一, 正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。作为设计方法论之一的仿生设计学结合仿生学等许多相关学科的概念和研究成果, 以专业知识和技能为基础, 以仿生创造性思维为指导, 是进行设计创作的一个重要途径和技巧。
二、平面广告中的仿生形态
仿生设计是人们在长期向大自然学习的过程中, 经过积累经验, 选择和改进其功能、形态, 从而来创造更优良的人造物。通常, 仿生思维为工业设计在设计思想、设计理念和技术原理等方面提供了理论与科学的物质支持。然而, 仿生思维也成为创作平面广告的一种新的途径。
1. 抽象形态仿生
抽象形态仿生一般透过自然食物的表现来解读本质, 往往依赖于人们对物体形态所产生的联想, 更多产生的是一种心理形态, 因此抽象形态仿生所表现的是一种虚幻形态, 抽象形态仿生的感知与手中的个人感知及联想有较大的关系。意大利超市的生鲜广告中, 各种生鲜幻化成各种生动有趣的形态, 把呆呆的茄子想像成活泼的海豚戏球;生硬的胡萝卜跳起了芭蕾舞, 小小的菜花也可以“参天大树”, 水灵的草莓如同鱼一样在水里游来游去, 整个画面充满了生机和氧气, 意大利超市的生鲜绝对新鲜。
2. 具象形态仿生
具象形态仿生能够逼真的反应自然食物的原本形状, 一般以有机形态为模仿主题, 有机形态具有较好的自然性、亲和性情趣性。这是美的冰箱鲜活系列的题材广告中的一部分。鲜活的蔬菜水果鲜艳的颜色直接传递表达思想, 并插入动感的设计元素。“鲜活”不能统一理解, “鲜”传达“新鲜”, “活”定位“活动”。本来会是一个普通的广告, 但是调用了“活”字的含义, 使广告画面与品牌同时赋予了“活力”。在美的冰箱平面广告中, 为了体现美的冰箱的鲜活每一天这一概念, 各种有生命的蔬菜, 水果化作了一个欢快的游乐场, 新鲜得要挤出汁的橙子, 可见保鲜功能强劲, 同时选择了充满乐趣的摩天轮, 可是受众眼前一亮, 更容易记住广告所要表达的意思。豌豆和过山车, 橙子和摩天轮, 充满了情趣。创造性思维在这一广告中得到了充分的发挥。
三、仿生形态在平面广告中的实践运用
在广告创作过程中, 引导学生的仿生思维是对学生基本产品设计能力的训练, 但是我们应正确认识仿生思维的是指对自然物的创造过程中, 而不是简单的模仿, 弄清楚整个问题才迈出了仿生思维认识的第一步。那么, 我们来具体了解仿生创造思维的设计思路。
1. 在生活中寻找需求
创意与我们的生活非常密切, 以至于我们难以将它们分离。因此, 生活需要创造, 创造改变人的生活。人的生活方式的改变和生活质量的提高, 既是社会形态和发展历程的进步, 又都昭示着科学技术的发展。无论是自然科学还是社会科学发展的根本动力是源于生存需求。并且在认识论上使人对客观世界的认识进一步深入, 同时在这一过程中又将这种认识作用于社会的各个层面。特别是在广告传播中, 人们使用了各种招术以求新的表达方式。但很多招术用过之后就给人一种“黔驴技穷”的感觉, 如何化腐朽为神奇, 给人焕然一新的感觉。显然仿生学和仿生设计给平面广告的创意提供了巨大的平台和空间。从生活中寻找需求, 是一种整合认知的体现, 更是对认知规律的演绎广告并没有直接传达产品信息, 而是将广告产品巧妙地与生活中熟悉的事物结合起来, 并利用人们的文化知识资源, 让观赏者自然而然地联想到隐藏在其中的产品信息。善于观察生活, 观察大自然是我们设计师必须具备的一个基本素质, 我们要学会观察, 养成时刻观察、思考的习惯。
2. 在生活中寻找答案
当我们寻求到一个目标之后, 接下来的任务就是去解决他。很简单, 到生活中去, 从你熟悉的事物当中和其它各个领域的优秀作品中发掘。只要你是个细心的人你会发现生活中有很多值得我们探索、赞美的东西, 它们能成为你的创作对象, 漂亮的虫子、屋中的家什、任何东西贝尔说过, “如果在看电影时发现有趣的情节, 在街道上碰到有意思的事, 或者在生活中发现有趣的事物, 就记录下来, 就像作家听到有趣的对话就马上记下来一样, 你并不知道要把它用到什么地方。但不知道什么时间, 你就可能会在某本小说中读到那段对话。你会惊奇地发现, 许多伟大的广告创意最初都是写在某个鸡尾酒会的餐巾纸上的。事实上, 鸡尾酒会上的餐巾也是广告这个行当的必备工具之一”。随时随地记录有趣的画面和事物, 或许你的灵感就来源于其中。好的广告创意就是熟悉的事物进行巧妙组合而达到新奇的传播效果。这种来源于生活的仿生思维创意, 更易使广告建立在事实的基础上, 与消费者产生共鸣, 同时又不失趣味性, 发挥出最能吸引消费者的诉求力。
仿生思维是一种引导设计师提高创造能力的思维方式。仿生形态的运用给学生在设计过程中原创设计意识以正确的引导, 能将学生的思维扩展开, 从人与自然关系的理论层面思考问题, 并且不至于将他们的思路仅仅固定在科学技术层面, 还可以将自然符号与作品的创作联系在一起。归根结底, 仿生思维的训练与提高是强化学生的设计概念与意识, 树立科学的精神, 使科学与艺术结合, 设计与创造力结合。特别是在平面广告创作过程中, 加强仿生思维的训练, 提高创造能力, 使创作作品更富原创性和趣味性, 使产品信息能够有效的得到传播。
摘要：本文通过了解仿生思维的本质与特征, 重点分析了仿生形态在平面广告中的运用, 总结提炼出仿生形态在广告设计中的运用与前景。
关键词：仿生思维,仿生形态,仿生设计,平面广告
参考文献
[1]陈汗青, 姚善良:仿生性创造思维与产品开发设计教学[J].无锡轻工大学学报, 2001
[2]倪海曙:视觉和仿生[M].只是出版社, 1985
仿生学作文 第5篇
老师先让我们四人小组交流自己收集的仿生学例子。我们组的同学分别介绍了苍蝇与奇特的小型气体分析仪、萤火虫与人工冷光、电鱼与伏特电池。这些仿生例子都很有趣。
轮到我发言了。我找到的是“水母的顺风耳”。仿照水母耳朵的结构和功能，科学家设计了水母耳朵风暴预测仪，能提前十五小时对风暴作出预测，对航海和渔业的安全都有重要意义。“水母的顺风耳”太厉害了，大家都听得津津有味。
接着老师让每个四人小组选出一名代表，向全班介绍。我们组选了张欣濠做代表。
代表们给我们介绍了很多奇特的仿生学例子。在这么多仿生学例子中，我最喜欢的是蜘蛛与装甲。生物学家发现蜘蛛丝的强度相当于同等体积的钢丝的5倍。受此启发，英国剑桥一所技术公司试制成犹如蜘蛛丝一样的高强度纤维。用这种纤维做成的复合材料可以用来做防弹衣、防弹车、坦克装甲车等结构材料。没想到样貌恐怖的蜘蛛，对我们人类也有如此重要的启示。
仿生学运用 第6篇
关键词：中职 案例教学法 学前卫生学
学前卫生学是一门研究保护和增进学龄前儿童，特别是3～6岁幼儿健康的一门学科，是中职学前教育专业学生必修的一门专业基础课，也是学前教育的主干理论课程，是幼儿园教师、早教培训机构教师、社区幼教机构工作人员、儿童社会工作者、小学低年级教师的必修课程。该门课程以应用为主，尝试在该课教学中运用案例教学法具有现实意义。
一、选择案例
1.联系实际
学前卫生学是一门应用学科，教师可在教学中根据讲授的具体内容适当安排案例讨论，创设情景，以调动学生参与的积极性，引发学生思考和探究问题，改变学习方法，在小组讨论的过程中，加深对知识的理解，运用所学知识对生活中遇到的问题进行分析，从而培养分析和解决问题的能力。比如在学习学前儿童运动系统的特点时，为了更好地帮助学生理解学前儿童小肌肉群的特点，教师可以运用一些常见的例子，如低龄儿童不会用筷子吃饭，拿勺子吃饭会用整只手抓握的方式。教师通过列举身边的真实案例，让学生加强对知识的理解和运用。
2.难易适度
中职学前教育专业学生年龄多为15～18岁，年龄小，知识结构掌握不平衡，科学素质基础相对薄弱。而案例教学能较好地弥补学生的这一欠缺，选择难度适当的案例有助于将抽象的科学知识的形象化，将概念知识具体化。如果案例过难，会打击学生参与的积极性，从而导致教师课前的准备工作不能够按照预期的设想进行；如果案例过于简单，学生容易产生骄傲自满的情绪，提不起进一步学习的兴趣。因此，教师在开展案例教学的过程中，应该针对不同学生的特点，选择适合他们的案例，还可以通过多媒体等教学手段，保证案例教学能够深入开展。
3.与时俱进
社会在发展，事物在变化，教师在选择案例的时候也应该不断变化和更新。案例教学离学生的实践越近，越能引起学生的共鸣，效果也越好。如果教师选用的案例过于陈旧，缺少时代特色，则会降低学生参与案例教学的积极性，从而影响教学效果。教师可以选择一些最新的信息融入到教学案例中，通过多种方法调节案例展示的气氛，通过细节提示提高学生参与的积极性。例如可以通过将成人案例与儿童案例进行对比的方法，使教学案例符合学生的身心发展，满足教学需求。
二、分析案例
教师展示教学案例后，让学生分成小组，或者由学生独立对案例进行讨论、分析。学生可利用教材等工具对案例进行初步的分析，教师还可允许学生在上课期间合理利用手机查询资料。如今，手机成为学生必不可少的工具，教师与其禁止学生在上课期间使用手机，不如让学生利用好这个智能工具，增强学生的参与性和主动性。在整个课堂中，教师的职责就是组织、调控，创造一个整体参与、充分民主、鼓励争鸣的开放式课堂，使学生在课堂上能充分发挥主体作用。
三、评价案例
对于案例，教师不应简单地做出结论，而应对整个讨论情况做出评价，以正面激励为主，对讨论中积极发言的学生要给予肯定，对提出独到见解的学生予以表扬等。随后教师对学生的答案进行归纳汇总，对案例的症结点作系统的分析，并且引导学生对问题与答案进行深入思考，对在讨论中出现的错误或欠缺进行弥补性、提高性的讲解，也要对案例中涉及的理论问题指明其中的关键。教师也可以启发、引导学生自己去总结在案例分析过程中存在的问题，并总结自己在案例理解和原理运用上的收获。这样可以促使学生养成自主思考的好习惯，从而保证教学质量，保证学前卫生学案例教学法的顺利实施。
四、小结
案例教学法的优点在于强调学生学习的主动性和积极性，培养了学生收集和处理信息的能力，重视对学生分析问题、解决问题能力的培养，也使学生之间学会了沟通和合作。要使案例教学法充分发挥作用，教师还需要不断钻研，选择适合的案例，筛选出案例中的有效内容，推动案例教学产生实效。
参考文献：
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企业蜕变的仿生学阐释 第7篇
从生物学和系统科学的角度来看, 企业是一个人造系统, 有产生、成长、成熟、衰退、死亡的过程。因此, 企业有自己的生命周期。要使企业长寿, 途径有两条:一是针对生命周期各个阶段的特点和出现的问题, 采取相应的管理对策, 延长企业的生命周期;二是通过蜕变, 将企业的一个个生命周期连接起来, 跨越生命周期而使企业永续经营。
对于今天的企业来说, 如何通过蜕变建立自己的生存空间, 保持健康成长, 实现企业的永续经营和持续发展, 至今仍是一个令人困惑的世界性难题。本文拟从仿生学的角度, 对企业蜕变进行理论解释。
1 企业的生命体内涵
企业系统是人造的, 它本身并不是一个自组织, 只有当人们按照自组织的特点对它进行设计并适当约束后, 它才具有自组织的功能。可以某种程度上把企业看作一个生命体, 但它不是通常意义上的生物体。企业有生命, 既是事实, 又是在比喻的意义上讲的。为何说企业有生命是事实呢?
第一, 企业同样拥有活动能力, 也与周围的环境进行着物质交换。企业的生产活动正是企业的活动能力, 犹如企业的新陈代谢过程。企业购进材料与售出产品一样也同周围环境进行着物资交换。在市场的风云变化中, 不断调整产品的品质与性能以适应市场的需求;在不同的时代背景表现出不同的组织形式以适应环境的发展变化, 表现了企业的自适应能力。企业的规模可以随着不断地经营而发展壮大。正如同生命体的生长发育一般。
第二, 企业作为社会的基本经济单元同样拥有很强的新陈代谢、抗干扰、自适应、自协调、自复制与自繁殖能力。比喻意义是指并非是一种蛋白质的存在形式的企业, 却在各方面都符合生命运动的机理。生命体在自然环境中吸收阳光雨露, 而企业的成长环境只是比喻意义上的社会, 市场对企业所提供的产品企业又不同于一般的生命体。企业如同人一样有自觉意识, 有目标和自觉行为, 但它显然又不同于人。企业是人之外的物质性存在, 却又灌注了人的意识和主观要求, 成为一种社会物质和文化存在。因此企业是比喻意义上的生命体。作为生命体的企业为什么会成长、衰亡, 分析时不能停留在表面现象上, 要深入分析其本质内涵[1]。
企业仿生化是把企业视为生命体, 以生物的各种各样特征为模拟对象, 来认识企业及其环境中的各种现象, 研究企业的生存和持续成长问题。作为生命体, 企业的根本目的在于存活。只要能够存活下去, 就是成功的标志。企业在追求存活的过程中, 必须贯彻适者生存的方针, 换言之, 企业要适应环境。企业仿生化研究与永续经营的思想在观念上是不谋而合的, 即本着永续经营的观念, 企业追求成长, 追求“不亡”, 而非追求“利益最大化”。这与可持续发展的战略思路可谓不谋而合[2]。
2 企业基因
在研究企业管理时, 我们把生物学中的“基因”概念借过来使用, 但不能完全照搬生物学意义上的基因定义, 更不能机械地理解运用。2003年, 约翰奥瑞克等在《企业基因重组》一书中最先提出企业基因重组的概念, 他们将企业基因定义为企业的业务构成单元。一个企业犹如一个人, 我们把它的生命体中具有遗传功能的影响企业生存和发展的元素的集合体看作企业的基因链, 那么就可以给企业基因下一个定义:企业基因就是指一个企业生命体中某些具有遗传功能的能够影响和制约企业发展的元素 (如企业制度类型、产品、组织形式、企业文化等) 的片段。
企业基因的每一个片段都可以独立起作用, 也可以几个片段综合起作用, 进而影响、制约甚至决定一个企业的生存和发展。要实现企业可持续发展, 必须保持企业基因诸元素的健康成长, 并协调发挥应有的作用。企业基因诸元素就像一个个DNA分子, 哪一个元素或链条出了问题, 都会影响甚至决定企业的生死存亡, 它们在促进企业发展中的共同作用形成一个综合合力, 其中任何两个元素的合力都沿着一个平行四边形的对角线的方向前进, 它们综合作用的结果决定着企业的生命。
根据不同的标准, 我们还可以对企业基因作不同的分类。根据它们对企业发展所起的作用不同可分为正向基因 (对企业发展起积极促进作用) 和负向基因 (对企业发展起消极阻碍作用) 。根据一定时期内它们在企业发展中地位不同可分为主要基因 (起主要作用或主导作用) 和次要基因 (起次要作用或辅助作用) 。根据它们对企业发展是否具有决定作用可分为决定性基因和非决定性基因。根据它们在企业发展进程中是否具有变动性可分为可变基因和不可变基因。根据它们自身是否受到人为影响可分为客观基因和主观基因等等[3]。
3 遗传变异理论对企业蜕变的解释
3.1 企业蜕变就是企业生命体的变异
从仿生学的角度看, 企业的蜕变过程就是企业变异的过程。蜕变以后的企业, 在形态上与原来的不同, 存在着差异, 因而是变异。为什么说企业的蜕变就是企业这个生命体的变异呢?因为蜕变是一个重生的过程, 企业蜕变, 就是企业再生。再生以后的企业, 与企业原来的形态, 肯定不一样, 这就是差异, 也就是变异。
当然, 企业作为一个人造系统, 虽然具有生命体的某些特征, 但它不完全是一个自组织。也就是说, 企业的变异 (蜕变) 是不可能自动完成的, 必须有外界力量的推动和控制。由于管理企业的是人, 所以, 企业蜕变 (变异) 的过程必须由企业的员工来完成。企业的员工 (主要是管理人员) 可以通过某种方式诱发企业基因突变或直接对企业基因进行重组, 来完成企业变异 (蜕变) 的过程。
3.2 企业蜕变的方法是重组企业基因或诱发企业基因突变
3.2.1 重组企业基因
奥瑞克、琼克和威伦 (2003) [4]最先提出企业基因重组的概念。他们把企业基因 (也称能力要素) 定义为企业的基本结构元素, 并提出将业务单元重新进行组合 (即将本企业某些部分与企业外的一些部分重新组合) , 用类似在生物工程中取出一个好的基因来刨造一个全新的、更强的基因组的做法, 形成更有效的企业DNA, 组建一个更专业、更简洁的企业组织[5]。
就像人的体态特征是由一系列复杂的人类基因组所决定的那样, 他们视企业为一个能力要素的组合, 并认为正是分布于企业中的这些能力要素决定了企业的价值。通过对大量基因图谱的研究, 我们对人类基因的组合序列有了逐渐清晰的认识。然而在商业领域, 一个崭新的企业基因工程时代已经渐露端倪。
过去我们关注的是整个企业或业务单元的健康, 而未来我们将越来越多地关注独立的业务构成单元, 即企业基因。每个业务能力要素就是企业价值链中对企业产品有独特贡献的一个组成部分。企业基因组掌握着企业的“遗传密码”, 这些“遗传密码”决定了企业销售什么、销售对象是谁以及可以配置哪些资源[6]。
企业基因是企业生命体中某些具有遗传功能的能够影响和制约企业发展的元素的片段 (如企业制度类型、产品、组织形态、企业文化等) 。因此, 对企业基因进行重组, 就是对企业的法律形态、产品类型、组织形态、企业文化等制约企业发展的元素片段进行重新组合。企业基因的不同组合, 会使企业形态各异。下面仅以企业的法律形态、产品类型、组织形态基因片段为李, 来说明企业基因的组合的情况 (见表1) 。
3.2.2 诱发企业基因突变
基因突变是指由于DNA碱基对的置换、增添或缺失而引起的基因结构的变化。在自然条件下发生的突变叫自发突变, 由人工利用物理因素或化学药剂诱发的突变叫诱发突变。基因突变是生物变异的主要原因, 是生物进化的主要因素。在生产上人工诱变是产生生物新品种的重要方法。
企业虽然是一个生命体, 自身也具有基因, 但它是一个人在系统, 不是自组织, 因而无法自动完成基因的突变, 必须由人工来诱发。例如, 企业法律系形态有不同的种类, 产品多种多样, 组织形态也有很多。这三类基因片段的不同变化, 都可以引起企业的变异。因此, 企业可以通过诱发这三类基因片段发生变化的方式, 来实现企业的蜕变。不同的诱发情况见表2。
表2只给出了6种大致组合情况, 其实, 如果将每个基因片段的详细种类都写出来, 企业变异的类型可能有好几十种。
参考文献
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[4] (荷) 约翰·C.奥瑞克等.企业基因重组[M].北京:电子工业出版社, 2003.
[5]刘燕娜, 戴永务, 林纾等.基于企业基因重组理论的资源节约型企业的创建研究[J].生态经济, 2006 (5) :62-63, 67.
基于仿生学的跟踪机械云台研究 第8篇
机器人代替人类在地面、水域、空中作业是科技服务人类的典型体现。应用于非结构环境的机器人几乎都装有视觉系统[1]。为了扩大机器人视觉对跟踪或注视目标的范围,大多数机器人视觉系统都带有二维或三维转动的伺服机械云台。在机械云台的转动控制中,视觉系统对移动目标自动跟踪技术的研究焦点大都集中在图像处理方面,主要是如何提取图像特征,检测移动目标并进行匹配,计算目标的空间位置,滤波和预测并进行跟踪。而视觉系统自身运动只是运用图像处理方法,如仿射变形算法等来进行补偿,并通过伺服机械云台进行微小位移的调节,因此可补偿的范围小,图像质量的稳定性较差。在系统控制策略方面[2],一般采用图像处理得到的目标在前后几帧图像的相对位移差信号来进行视觉反馈,然后控制机械云台的旋转和俯仰角度。控制方法主要是PID控制居多。这样的传统伺服机械云台控制技术对在比较平稳环境中应用的机器人来说,可以满足要求,但是在比较恶劣的环境(如高频振动)中跟踪快速移动目标时,就会带来很多问题。
2 云台的结构设计
2.1 人眼系统
人眼球在眼眶中的运动由三对眼外肌相互协作、精确控制完成。这三对肌肉是:上直肌和下直肌、内直肌和外直肌、上斜肌和下斜肌。眼外肌是由颅神经推动控制的,颅神经指挥眼外肌收缩或松弛。一部分眼外肌收缩时,另一部分则松弛,眼睛就运动。其中上直肌、下直肌、内直肌和下斜肌由动眼神经支配;外直肌由外展神经支配;上斜肌由滑车神经支配。单眼运动包括上转、下转、内转、外转和内旋、外旋运动。
2.2 新型仿人眼机械云台
本文所述的仿生机械云台,它包括一个云台和筒形外壳,云台内腔装有CCD摄像机,筒形外壳后部内腔中,分别通过舵机安装架安装两个舵机,两个舵机分别各自通过传动机构驱动云台左右和上下传动。云台有三个自由度,基本实现了模拟人单眼的运动。
舵机选用韩国HITEC公司型号为HSG-5084MG的微型数字舵机作为云台系统的驱动器。该舵机采用4.8V电源供电,最高可输出1.5kgcm的扭矩,空载转速达到0.07s/60°,体积为29mm13mm30mm,同时满足了对机械云台的尺寸和快速性的要求。
如图2所示,机械云台系统由4连杆及2胡克铰组成,两台舵机分别驱动连杆1和连杆3运动,再由传动机构驱动云台左右和上下运动,实现了对人眼的四对直肌运动的模仿。该机械眼球视角达到了40°,同时控制精度为0.5°。
3 机械云台的控制系统设计
仿生机械云台系统中,摄像头的视觉信息经过图像处理[3,4],结合多姿态传感器感知的信息,融合到仿生模型中,根据视觉应用的需要,利用舵机控制摄像头,建立机械云台以及其控制系统,并将其应用到移动机器人在未知环境下对动态目标的实时跟踪,来补偿由机器人姿态变化、外界干扰和动态目标所引起的误差。整个跟踪系统由所设计的机械云台机构、运动控制单元、图像处理单元、通信模块组成。控制系统设计如图3所示,其功能设计如下:
(1)实现基于仿生学的跟踪控制律;
(2)完成对机载平台的检测与信号处理;
(3)包括机械云台、姿态测量模块、图像处理模块、通信模块的串行接口。
可见,以上功能和机载环境要求控制系统体积小、重量轻、处理器运算速度快、采样精度高、串口丰富、稳定可靠。
3.1 机械云台控制芯片
运动控制芯片是本系统的核心单元,由它实现基于仿生学的云台控制律、对摄像头转台的控制通信和与图像处理模块的通信。我们采用TI公司推出2000系列电机控制DSP。TMS320F2812属于比较新的高端产品,适合工业控制、运动控制等高精度应用。相比24x系列的DSP具有更完备的外围控制接口和更丰富的电机控制外设电路,更高的主频,指令执行时间仅为6.67ns,流水线采样最高速率60ns,12位A/D转换通道16个,PWM输出通道12个。
采用周期为20ms的PWM信号对舵机进行控制。当PWM控制信号的高电平时长为1.1～1.9ms,对应于舵机的转动角度-40°-+40°。当高电平时长为1.5ms时,舵机的转角位于中心位置。
3.2 信号处理MCU
机载平台由于自身受到发动机振动、空气阻力、温度改变等因素的影响使得其本身的姿态改变,这势必影响了整个机械云台的姿态,进而改变了摄像头的视轴,这严重影响对移动目标视频跟踪的稳定性。所以需要能够实时地采集到机载平台姿态的变化,并通过采集到的变化量给予反向控制,从而达到减少对机械云台姿态的影响,避免了摄像头视轴经常偏移移动目标。
3.3 图像处理模块
通过图像处理,可以获取运动的目标物体与图像中心的偏差,并把数据传给运动控制系统。运动控制系统根据所收到的数据信息,再控制机械云台的转动,使目标物体始终处于图像中央。
系统以TM320DM642为核心,由四个部分组成:视频采集、图像处理、视频输出、串口通信。首先由摄像头采集的视频图像,经过视频解码芯片转化为便于DSP处理的视频码流;然后在DSP中设计合适的视频图像处理算法,分割、识别出运动目标,并计算出目标的位置参数;最后将位置参数通过串口发送给云台控制模块。系统流程图如图5所示。
3.4 软件控制流程图
软件实现以下的主要功能:主控单元通过标准串行通信端口图像处理单元获得的图像坐标中位置偏差信息;同时,测量机载平台的位姿偏移;通过运算,获得云台的矫正信息,最终向云台发出运动指令。系统软件的结构框图如图6、7所示。
4 结语
这种新型的基于仿人眼的机械云台系统,不同于传统云台使用的串联结构,采用并联式机构,云台结构简单,体积小,具有三个自由度,能基本模拟人眼的运动。其尺寸、精确性都能满足要求。另外,还详细介绍了云台系统的控制系统,
参考文献
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浅析仿生学与情感化设计 第9篇
仿生设计是对自然规律的一种提炼, 是对生命与精神奥秘的一种探索, 动植物在某些方面的功能, 远远超越了人类自身的研究成果, 可以根据生物的形态和内部结构设计出功能强大、外观生动、操作简便的产品。未来的设计将更加注重产品的个性化、情趣化因素, 仿生设计将成为未来产品造型设计的重要方法之一。
1 仿生学是设计的源泉
它作为一门独立的学科是在20世纪60年代后期。美国空军军官J.E斯蒂尔少校在1958年首创了仿生学。他是设计创造的方法与技巧中最为直观的方法之一。仿生思维创作的源泉来自自然界的各种生物体。自从有了生命以后生命的进化已经经历了35亿年的历史自然界生物体经过亿万年的进化和演变才造就了现在所看到的形态。这是现代的科学和技术不可取代的。如果以“存在即合理”的观点来看待这些生物体就可以发现各种生物都有其赖以生存在这个变幻莫测的自然环境中的独到之处。它们的很多特性和优点都是人造物所不具备的。目前150多万种动物50多万种植物还有不计其数形态各异的微生物它们的合理的形态和奇妙的结构蕴含着无尽设计的天机给我们提供了取之不竭的宝库。
德国著名设计大师路易吉·科拉尼说:“设计的基础来自诞生于大自然的生命所呈现的真理之中[1]”。这句话充分说明设计的源泉源于仿生学。我国古代建筑设计大师鲁班因茅草割破了手指, 于是仿造叶子的齿状边缘发明了木工用的锯子;仿照水母耳朵的结构和功能, 设计了水母耳风暴预测仪, 能提前15小时对风暴作出预报, 对航海和渔业的安全都有重要意义;人们根据蛙眼的视觉原理, 已研制成功一种电子蛙眼, 这种电子蛙眼能像真的蛙眼那样, 准确无误地识别出特定形状的物体, 把电子蛙眼装入雷达系统后, 雷达抗干扰能力大大提高, 这种雷达系统能快速而准确地识别出特定形状的飞机、舰船和导弹等, 特别是能够区别真假导弹, 防止以假乱真;1985年瑞士设计师齐尔吉—朵麦斯特拉尔发明了“贝尔克洛钩拉粘附带”也是因为他在狩猎时看到裤管上粘满了苍耳籽, 用放大镜观察发现苍耳籽上布满着倒钩的小刺从而得到的设计灵感[2], 如图1所示。
2 仿生设计是现代设计的发展趋势
2.1 人们精神需求的必然性
以前经济发展缓慢经济处于供不应求的状态人们只追求物质上的满足产品只要满足使用功能就可以了。随着信息时代的到来人们生活水平的提高人们的购买能力和自主意识逐渐增强在满足物质生活的基础上对产品的要求越来越高使用者也不再满足过去简单而单一的功能设计而转向了追求产品外观的清新、自然、纯朴、注重情趣和返璞归真的情感化设计。因此产品不再是简单的功能载体产品设计更注重于产品的外观和使用体验。具体的说外观上要使人赏心悦目使用上能带给人们最佳的心理体验, 如图2所示。这是现代产品设计的重点也是产品设计的必然趋势。灵活的使用仿生设计不仅可以在视觉上提高产品外观美感而且可以是产品更符合人们的生理习惯、使用更舒适。
此外通过使用自然元素的仿生设计可以让设计回归自然拉近产品与人之间的距离使产品更具人情味和亲和力带给人们更多的精神慰藉而且自然元素的合理运用可以赋予产品一定的灵魂唤起人们丰富的审美体验。
2.2 商业竞争的必然性
长期以来产品由于技术和加工工艺等多方面的限制, 大多是规则的几何形体, 棱角分明是其主要特征。人们长期使用这些类似形态的产品, 容易产生审美疲劳。仿生形态大多是自由曲线, 丰富多变的造型打破以往单调乏味的几何形体, 使人们更容易接受。在商品竞争激烈的条件下, 为了提高产品在同类产品中的优势, 获得人们更多的青睐, 采用仿生设计可以取得事半功倍的效果。许多事实证明, 仿生学是发展新技术的金钥匙。仿生设计是设计领域的金钥匙。
3 产品设计中的仿生学体现
任何一种生物其自身结构的合理性、对外部环境的适应性都是产品设计所不具备的。由设计所造成的人与物、人与环境之间的冲突随处可见。长期以来人们生活在复杂的自然环境当中接触到各种各样的事物后人们自然就会对事物的形态、色彩、质感等产生一种先入为主的认识观。久而久之某些事物的特点就会具有广泛的意义成为约定格式的符号[3]。
3.1 形态仿生设计
形态仿生设计是对生物体的整体形态或某一部分特征进行模仿、变形、抽象等借以达到造型的目的这种设计方法可以消除人与机器之间的隔膜对提高人的工作效率、改善工作心情具有重要意义。形态从其再现事物的逼真程度和特征来看可分为具象形态和抽象形态[4]。
具象形态仿生, 其形态以自然形态为素材, 将自然形态进行归纳与夸张, 从而得到具有艺术美的形象。具象形象在提炼的过程中, 既不能丢弃自然形象的“神”, 也不能丢弃“形”, 通过“形似”而产生形态的审美意义, 从而使设计物具有生动、自然、直观的特点。由于具象形态具有很好的情趣性、可爱性、有机性、亲和性, 自然性, 人们普遍乐于接受, 在玩具、工艺品、日用品应用比较多。但由于其形态的复杂性很多工业产品不宜采用具象形态。
形态仿生的另一种形态是抽象仿生设计, 则是以自然中的素材为基础, 通过研究自然形态的特征、特点, 对自然形态的整体或局部运用提炼、夸张、减弱、变化、归纳等手法, 使造型脱离自然形态, 把造型的“神态”紧紧抓住并加以强调。这种神似而不求形似的设计作品给人无限的想象空间。
无论是具象仿生还是抽象仿生, 仿生设计都能够从科学、理性的角度为产品造型提供形态素材和依据, 激发设计的灵感。
3.2 功能仿生设计
人们发现动植物的某些方面的功能实际上远远超越了人类自身在此方面的科技成果。植物和动物在几百万年的自然进化中不仅完全适应自然, 而且其进化程度接近完美。今天我们生活在科学技术飞快发展的时代, 学习和利用生物系统的优异结构和奇妙的功能已经成为技术革新和技术革命的一个新方向。例如萤火虫可将化学能直接转变成光能, 且转化效率达100%, 而普通电灯的发光效率只有6%。人们模仿萤火虫的发光原理制成的冷光源可将发光效率提高十几倍, 大大节约了能量。
3.3 结构仿生设计
随着仿生学的深入开展人们不但从外形、功能去模仿生物而且从生物奇特的结构中也得到不少启发。这些为人类提供了“优良设计”的典范。生活中我们常见到的结构仿生设计有4种:a蜂巢结构, b肌理结构, c减粘合降阻力结构, d骨架结构[5]。例如工程师们从一片树叶的叶脉发现了其交叉网状的支撑组织肌理, 这些对建筑结构的创新设计是十分有益的启示。1947年~1949年意大利结构工程师奈尔维和建筑师巴托利设计的意大利都灵展览馆的巨型拱顶就是仿叶脉肌理而建造起来的。
4 总结
随着生活的进步, 工业化的发展, 工业产品的形态也越来越多了。虽然如此, 在现实生活中, 仍有许多好的发明不能找到良好的合适的形态去实现它。此时运用仿生学的原理, 赋予产品一个形象的外观造型就是一个最好的选择, 而且生活节奏的加快导致人们在产品的使用上越来越多的考虑到宜人性。
仿生设计在当今的设计领域越来越多的被采用, 因为无论人类社会发展到任何时期, 人们倾向自然美的天性是不会改变的, 尤其是现代社会生活压力和环境污染日益加重, 人们更渴望回归自然。因此, 仿生产品越来越多被人们所接受。但是, 仿生设计不是简单的模仿和拿来主义, 更不是形而上学的机械地照搬。就仿生设计的本质而言, 仿生设计一种设计思想上的升华, 它应当是以一种提炼、扩展的态度来正确处理仿生学与设计的关系, 源于自然而又高于自然。因此, 现代设计应该从仿生学出发, 深刻分析, 将美学思想和自然元素融入到设计中, 达到艺术和技术的完美结合, 设计出既符合使用又能满足人们情感需求的优秀作品。
参考文献
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仿生学在桥梁工程中的应用 第10篇
仿生学从被提出开始, 就被广泛应用到了各个领域。在建筑工程领域, 仿生学帮助建筑师们打开了新的思路, 启发他们设计出大量别具一格的建筑。例如, 由矶琦新、川口卫等外国设计师设计的天津博物馆, 不仅模仿了鸡蛋和贝壳的薄壳结构, 而且具有与天鹅神似的外观。[2]此外, 还有悉尼歌剧院、北京奥运会主场馆鸟巢、密尔沃基艺术博物馆等知名建筑。在机械工程领域, 仿生学的应用也比比皆是。例如, 由奔驰公司设计的一款车身仿豹纹箱鲀的概念车, 与动力相同的汽车相比, 其能耗降低, 性能却得到了明显的提高。[3]另外, 还有模仿鸟类翅膀发明的机翼、模仿蝙蝠的回声定位发明的雷达等。除却上述领域, 仿生学还被应用到土木、医学、军事和农业等专业。尤其在桥梁工程中, 仿生学具有广阔的发展空间, 使桥梁工程的创新性得到了提高。本文就仿生学在桥梁设计、建造及检测过程中的应用进行了分析和探讨, 详细论述了仿生学在桥梁工程相关工作中的发展情况。
一、仿生学在桥梁工程中的应用现状
设计师和工程师通过把自然形态转化成桥梁设计, 成功地将仿生学应用到了桥梁工程领域。在国外, 许多优秀的设计师和工程师进行了相关的实践活动。代表作品有科兹桥、拉克查基斜拉桥和盖茨黑德千禧桥等。在国内, 也出现了相当数量的桥梁仿生作品, 比如洛阳桥、天津大沽桥和白石天河大桥等。目前, 仿生学在桥梁工程领域的研究热点主要分为形态仿生、结构仿生、材料仿生和信息与控制仿生。
(一) 形态仿生的应用
仿生学在桥梁工程上应用最早的是形态仿生, 其核心是通过类比相似生物的表观形态以实现桥梁特定的功能。目前, 在我国桥梁设计过程中就出现了相当数量的形态仿生桥梁, 其中较为著名的有白石天河大桥。 (图1) 桥梁设计师通过对白鹭的站立、跳跃、起飞和飞翔姿态等各种不同形态的观察, 找到了桥梁造型设计的新思路;再利用观察、类比等方法锁定白鹭的某种形态特征, 考虑将其演变成为桥梁造型的可行性;最后对白鹭鸟的原始姿态进行抽象和提炼, 形成既具有艺术观赏性又满足结构承重性的斜拉桥主塔造型。这种构思即具有白鹭造型的生动感, 又具有强烈的现代感。[4]形态仿生在桥梁造型设计上的典型应用还有由我国著名的桥梁设计大师邓文中院士设计的天津大沽桥。 (图2) 大沽桥设计构思为“日月双辉”, 由两个不对称的拱圈形成非对称外飘式联合梁系杆拱桥。大拱圈面向东方, 小拱圈面向西方, 分别模仿了太阳和月亮。该桥在2006年国际桥梁大会上获得了全球桥梁设计建造最高奖———尤金·菲戈奖。
(二) 结构仿生的应用
在仿生学中, 结构仿生与桥梁工程结合最为紧密。结构仿生是指通过模拟生物体不同尺度的结构模式, 构建仿生结构和仿生系统。[5]自然界千奇百怪的生物, 在亿万年优胜劣汰、适者生存的进化中, 造就了许许多多奇异的结构模式, 如壳结构、多孔结构、管状结构和悬索结构等, 这些特殊的结构为桥梁工程的创新提供了天然的蓝本。1978年, 在蜘蛛网的启发下, SOM建筑设计事务所的建筑师迈伦·戈德史密斯和工程师林同炎, 共同设计了一座横跨加利福尼亚州美利坚河中部岔流的大桥———拉克查基斜拉桥。 (图3) 这座桥没有桥墩, 半圆弯曲的桥面全部由山峰上拉下的钢索牵引起来, 如同众多的“蜘蛛丝”拉着一片细长的树叶。[6]该设计受力均匀、结构稳定, 造价相对于建造一座直桥也降低了许多。由于构思独特, 工程巧妙, 造型优美, 受到全世界工程技术人员的好评, 拉克查基斜拉桥获得了美国第26届优秀建筑比赛一等奖。正是蜘蛛网独特的结构给了设计师们新的灵感, 使其突破传统桥梁设计的制约, 从而使桥梁结构形式得到了更新。
(三) 材料仿生的应用
材料仿生, 是通过模仿生物材料的结构、组织和组成而进行的仿生。其目的在于开发满足人类对形式和功能等各方面需求的新材料。在桥梁工程的发展当中, 一些仿生材料已经得到了充分的利用。我国古代的工程师们最早应用到仿生建筑材料是在北宋时期洛阳桥 (图4) 的修建中。该桥建于1853年, 其桥基采用了筏型基础。所谓筏型基础, 就是沿着桥梁中轴线抛置大量的石块, 形成一个联结江底的桥基, 然后将桥墩建在桥基上面。但石块落入水中具有随机性, 直接形成的基础无法满足稳定可靠的要求。为了巩固桥基, 工程师们在桥下种植了海生牡蛎, 巧妙地利用了牡蛎外壳硬、附着力强和繁殖快的特点, 将桥基有效地胶结成了一个牢固的整体。这种方法被称为“种蛎固基法”。在该灵感的启发之下, 国外的科学家设想, 通过研究生物工程, 引导海里的珊瑚虫在人类指定的位置繁衍, 形成由珊瑚和贝壳等复合材料构成的岛礁, 再将这些岛礁改造成能够满足人类要求的深海基础和大坝等建筑物。[7]这样建成的桥梁基础结构取材于自然, 依赖自然存在, 建成后就成为永久性结构, 由此使桥梁的可持续发展成为现实。
(四) 信息与控制仿生的应用
信息与控制仿生, 是研究与模拟生物体中感觉器官、神经元与神经网络, 以及高级中枢等方面的信息处理过程。一般的桥梁是仅按照力学原理设计的结构, 没有感知环境作用的能力, 也无法作出适当的反应进行自我保护。信息与控制仿生在桥梁上的应用, 使桥梁逐渐具备进行自诊断、自调节、自修复的功能。
通过模仿动物肌肤对创伤的感知机理, 我国的工程师们成功地研制了一种混凝土桥梁裂缝仿生监测系统。[8]该系统由三部分构成, 即粘贴于混凝土结构表面的仿生裂纹监测膜、现场信息采集和处理的微芯片电路、再现结构裂纹的中央处理器;通过模拟生物的神经元及神经脉络分布对生物体内部和外部各个局部变化的感知机制, 将传感材料以神经脉络的形式设置在桥梁结构中;由脉络的传感交点形成神经元节点, 微芯片局部电路系统构成传递神经信号的脊髓组织, 主控电脑构成大脑中枢, 从而实现对桥梁结构关键区域的监测。试验研究和工程实践表明该系统能及时感知混凝土桥梁表面裂纹的位置、长度及发展状况, 裂纹监测准确率大于95%。[9]裂缝仿生监测系统的应用, 有利于及早发现裂缝, 对保障桥梁安全性发挥了重要的作用, 有力推动了桥梁安全监测技术的进步。
将生物的形态、结构和材料等应用于桥梁工程中, 这种仿生理念在桥梁的设计、建造及检测过程中得到了充分的利用, 有效地解决了桥梁在发展过程中所遇到的问题, 推动了现代桥梁的发展和创新。
二、仿生学在桥梁工程中发展趋势
仿生学在桥梁工程中已经应用多年, 但仍有广阔的发展空间。无论仿生学的概念如何, 最终目的都是要去解决桥梁工程中存在的问题以及研究桥梁的未来发展趋势。结合时代要求, 仿生学未来在桥梁工程中的发展应该趋向于智能化、简洁化、综合化。
(一) 智能化
仿生学的应用不能仅仅局限于简单地模仿生物的形态和构造。例如, 动物体内的功能系统维持着机体内外环境的稳定, 保护机体免遭损伤。桥梁在自然界中受到的环境作用具有很大的偶然性。科学家们可以通过模拟动物体内的功能系统使桥梁达到智能化。桥梁的智能化, 指的是桥梁能够针对不同的环境作用对自身状态进行相应的调节, 能够像生物一样自我生长, 能够对遭到损伤的部位进行自我修复。适应大自然, 而不是抵抗大自然, 桥梁的安全性和耐久性才能得到保证。
(二) 简洁化
仿生学的在桥梁工程中的应用应该达到简化形式、降低能耗、稳定持久和功能齐全的目的。生物体通常以最简洁的途径实现最高功效, 主要表现为材料的简洁性和结构的简洁性。如贝壳仅由95%的碳酸钙和5%的蛋白质构成, 但它的抗张拉强度却远高于水泥。桥梁工程要实现简洁化, 要求科学家们研制出化学成分简单、工艺简化、能耗低的建筑材料, 发现造型简单、传力明确、安全可靠的结构形式。
(三) 多元化
生物适应其生存环境所呈现的各种功能, 不仅仅是单一因素的作用, 还是相互依存、相互影响的多个因素通过适当的机制耦合、协同作用的结果。[10]学习多元耦合仿生, 比单纯的学习模拟影响生物功能单一因素的单元仿生, 更接近生物的功能原理。多元耦合仿生会产生更好的仿生效应, 将加快仿生从形似向神似迈进的步伐。例如, 荷叶和苇叶等叶片和蝴蝶等昆虫的翅膀, 通过表面形态、复合材料和表面低能化材料相耦合, 获得了显著的自洁功能。今后仿生学在桥梁工程中的应用, 会趋于多元化, 耦合仿生会成为研究重点。
三、结语
仿生学在桥梁工程中的应用已经取得了巨大的成果:形态仿生、结构仿生、材料仿生和信息与控制仿生等方法在桥梁工程上的运用, 促成了建材性质、施工技术和设计水平的提高, 推动了桥梁造型和功能的进一步发展。仿生学的应用仍然有广阔的发展空间:从宏观仿生到微观仿生, 也是从对生物体单纯模仿到细致研究的转变过程;从单元仿生到多元耦合仿生, 也是仿生从局限性到综合性的转变过程。这些转变更加赋予了桥梁生命性, 桥梁存在的意义也不再仅仅只是一个结构。
从最开始无意识的沿用, 仿造自然界中各式各样的形态特征, 建造出最原始的仿生桥梁, 到现在有意识地运用仿生理念, 取自然之精华, 将生物进化的结果应用到桥梁当中, 推动桥梁工程进入了一个新的阶段。
摘要：仿生学被提出以来, 就备受科学家们的关注。工程师们也一直在尝试着将仿生学应用到桥梁的设计、建造及检测过程中, 仿生学给桥梁工程的发展带来了新的动力。本文分别从形态仿生、结构仿生、材料仿生以及信息与控制仿生的角度, 分析了桥梁工程中仿生学应用的优秀案例, 阐释了仿生学对桥梁工程发展的推动作用, 并对未来仿生学在桥梁工程中的应用前景作出分析和展望。
关键词：形态仿生,结构仿生,材料仿生,信息与控制仿生,桥梁工程
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探秘“军事仿生学” 第11篇
鲸与战略核潜艇
俄罗斯海军战略核潜艇能在北冰洋下发射战略核导弹，人们都很奇怪，潜艇是如何从厚厚的北极冰层下发射导弹的呢？我们都知道，战略核潜艇能长时间潜航在厚厚的冰层下执行战斗任务，这样比在清澈的海水里更隐蔽，更有威胁性。但是，如果核潜艇想在冰下发射导弹，就必须突破冰层，浮上水面，这可难住了潜艇专家。后来，他们从鲸的身上得到启发。
鲸是世界上最大的动物，在海中每隔几十分钟必须破冰呼吸一次。巨大的鲸背，像海中的小岛，又像一个小山。当鲸上浮换气时，会产生巨大的上浮压力，坚硬的鲸背能像利剑一样，使厚厚的冰层破裂。于是，潜艇专家就在潜艇顶部突起的指挥台围壳和上层建筑上，做了加强材料力度和外形仿鲸背处理，果然取得了破冰时的“鲸背效应”，解决了冰下发射导弹的技术难题。
蝴蝶与卫星控温系统
在太空飞着的人造地球卫星，受到阳光的照射，表面温度会高达2000℃；而在照不到的区域，温度会下降至-200℃，这就很容易烤坏或冻坏各种设备，这使航天科学家伤透了脑筋。后来，科学家从美丽的蝴蝶身上受到启发。
原来蝴蝶体表生长着一层细小的鳞片，有调节体温的作用。当阳光直射时，鳞片自动张开，以调整阳光照射的角度，减少对热能的吸收；而当气温下降时，鳞片自动闭合，紧贴体表，让阳光直射鳞片，从而把温度控制在正常范围内。于是，科学家为卫星设计了一种犹如蝴蝶鳞片般的控温系统，终于解决了卫星表面温度不均匀的问题。
老鹰与鹰眼导弹
同学们，你们知道吗，老鹰的眼力特别好，能看见很远很远的物体。科学家们经过对鹰眼的研究，发现鹰是用低分辨率、宽视野的视网膜外周搜索目标的，而高分辨率、窄视野的视网膜中央是用于仔细观察已经发现的目标的。
于是，军事专家模仿鹰眼制造出一种“鹰眼导弹”，它能像鹰一样自动寻找和识别打击目标，并能自动跟踪目标直到攻击成功为止。这种导弹可真是很厉害呢！
青蛙与电子蛙眼
青蛙的眼睛圆圆的，大大的，眼球还能来回地转。它对小飞虫非常敏感，当小飞虫在它头上飞时，它会盯住不放。于是，人们应用蛙眼的结构原理制成了“电子蛙眼”，它可用来识别飞行中的飞机和导弹，也可用来预防飞机相撞，效果非常不错。
乌贼与鱼雷诱饵
乌贼受到攻击的时候，能分泌出黑色的液体，使攻击者找不到它的踪迹。人们效仿乌贼的这种特性设计出了鱼雷诱饵，它的样子好像一艘袖珍潜艇。它既可以按潜艇的航向航行，也可以模拟噪音、螺旋桨节拍、声信号等，这样敌人就会把诱饵当做真的潜艇，而真正的潜艇就可以躲过鱼雷，逃之夭夭了。
仿生学方法在汽车设计上的应用 第12篇
1 仿生学在汽车设计上的应用
仿生学的概念由来已久,随着人类社会的进步和发展,不断与时俱进。仿生学(Bionics)是研究生物系统的结构、性状、原理、行为,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,是一门生命科学、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。仿生学为科学技术创新提供了新思路、新原理和新理论[3]。
仿生设计作为一种极具特色的设计方法,在汽车设计领域中必将起到重要的作用。它以独特的代码解放着固有造型模式的设计形态,传递着整个设计的理念。显然仿生设计已经成为了指导汽车造型设计的一个重要手段,其应用也日趋成熟。
仿生学在汽车设计上的应用主要有形态仿生、功能仿生和结构仿生。下面分别予以介绍。
1.1 形态仿生
自然界是蕴含着无尽的设计宝藏的天机阁,自然生物形态向人们开启了设计的一扇大门。形态仿生设计重在寻求生物外部形态美与人类审美需求的契合点,从而寻求对产品的突破和创新。通过运用模仿、变形、抽象等手法,对自然界生物形态的结构特征进行挖掘,将其应用到汽车造型设计中,赋予汽车形态以生物形态所具有的某些特征及属性。该种设计方法的产品因具有很强的自然性,因而具有亲和力,呼唤人的自然情怀,提醒人们重视自然。
以海豚为形态仿生对象而设计的概念汽车Dolphin,见图1。海豚流线型的身体,使其可以在水中高速游泳时减少阻力。同样,汽车在高速行驶时,也会遇到很大的空气阻力。所以,模仿海豚流线型的车身,可以减少风阻系数,降低空气阻力。同时也可给人流线条的美感。此作品曾荣获山东省汽车技术创新设计大赛三等奖。
奔驰公司的形态仿生概念车,见第79页图2,这款汽车的原型是热带海洋里的boxfish,这种鱼头部宽,尾部渐窄。身体虽然像一个立方体的盒子一样,但却具有出色的流线特性。从空气动力学的角度来看,是非常合适的。鱼身上坚硬的外表及独特的骨骼结构,展示了如何利用最少的材料来达到最大的车身强度,而且盒形身体形状与车厢的形状非常相似。因此,设计人员将带棱角的轮廓进行简化,变为了车顶边线轮廓和裙边轮廓,车身尾部也处理成与鱼尾部相吻合的楔形。车头部分则呈外凸状。由此发展出来的腰线一直走高,直到和车顶基线相结合,车尾位置则偏高,采用的内陷式尾门和后轮拱夸张的外抛形状都与boxfish极其相似。
1.2 功能仿生
除了在形态上对自然界中生物的模仿外,功能仿生也是一种重要的仿生学设计方法。意思就是通过学习生物的某种结构或造型,在汽车设计上采用特定的机构,以达到功能类似的效果。
功能仿生在汽车设计上的应用也非常广泛,最典型的例子就是鸥翼式的车门设计。汽车设计师观察鸟类的翅膀时受到了启发,设计了独特的、有别于传统的车门开启方式,将车门的开启由通常的横向开启变为纵向开启,仿佛海鸥的翅膀一样,这就是鸥翼式的车门。这种车门的打开方式可以节约车停靠时的占地面积。鸥翼式的车门设计,见图3。
1.3 结构仿生
降低风阻是汽车节能提速的关键,更是汽车设计师热衷追求的目标。通过探究水中生物群,寻求符合空气动力学的结构仿生对象,研究分析了水中移动速度极快的鱼,发现鱼“阶梯降”的脊背和V形层叠的鳞片特别符合空气动力学原理。流线的身形,敏捷的移动,流畅的滑翔,都完美诠释着空气动力学原理。于是,以鱼为结构仿生对象,诞生了以鱼为结构仿生对象而设计的概念汽车Moving Thinker,见图4。根据结构仿生学理论,结合动力学原理,初步简化了鱼的外形特征,在深入理解汽车形态结构学的基础上,进一步捕捉鱼的轮廓曲线,并加以研究分析后,应用到这款概念车上。该作品曾荣获第二届中国汽车创意设计大赛三等奖。需要指出的是,该作品仅从原理的角度去臆断此外形可以降低阻力,笔者在此原理基础上重新设计出合理外形并用流体软件加以分析。
车身后半部分由鱼“阶梯降”的脊背演变而来,V形层叠的鳞片则简化成起伏的车身表面,使得鱼的流线结构特征在这款车上得到很恰当的表达。鱼在水中高速移动时,其“阶梯降”的脊背和V形层叠的鳞片将储存一定量的水于身体上,从而使得鱼的身上仿佛被一层水膜包裹,鱼与水的摩擦就转变成同介质的水与水的摩擦,这样大大降低了摩擦系数。同理,将鱼这种结构特征应用到车身上。当汽车高速行驶时,车身将囤积一定量空气在车身表面,强大的气流与车身的摩擦转化为空气与空气的摩擦,大大降低了车身的风阻系数,既提高了汽车的动力学效能,也达到了节能的目的。
2 汽车鱼鳞仿生外形软件分析结果
首先采用Trimmed网格类型对整车划分网格,以便提高模拟分析的精度。采用20 m/s的速率对整车进行流场模拟。根据计算得到的分析结果收敛图可以得到计算结果收敛,则该网格划分模型可用。
进一步,在迭代计算得到的外流场云图(仅示意出模型外观)中,见图5,可以发现以下结论:在“阶梯降”脊背的顶部产生一些负高压区,而且在整车的分布比较合理,使整车的下压力得到了提高,从而提高汽车行驶的安全性能[4]。从整车压力分布情况来看,除了头部有一点点高压区外,整车的压力分布都在60 N左右,阻力相对于现代的车来说是比较小的;也就是减小下压力达到节能的同时,增加了整车的下压力去提高车胎的抓地力,从而提高高速行驶的安全性能。需要指出的是,该外流场云图中,具体压力分布解释如下:除车前端部有很小的高压区外,其“阶梯降”脊背产生了一些负高压区,且分布均匀。
同时,由计算得到的负升力系数可以看到,整车的负升力系数为-0.161,虽然比较小,但是由压力分布情况可以看到,负升力分布很均匀,对于整车的平稳行驶性能有很大的帮助。
通过研究阻力系数随着分析过程的变化曲线,可以得出阻力系数为0.251,这个数值相对于目前的汽车来说还是比较理想的一个数值,因为目前的轿车阻力系数一般在0.28到0.4之间[5],所以这样可以达到节能的目的。
综合观察整车的压力分布云图(仅示意出模型外观)情况,见图6,可以得出结论:除了车头外,一直到车尾部,都分布着负高压区,而且主要集中在两轮中间,让整车行驶更加平衡,安全性能更高。需要指出的是,整车的压力云图中,具体压力分布解释如下:除车头部有很小的高压区外,背部其余部分都分布着负高压部分,而且以两轮之间为主。
3 结论
笔者是以鱼的脊背结构为研究对象的。车身的后半部分造型是由鱼的“阶梯降”脊背演变而来。鱼在水中高速游的时候,其阶梯降的脊背可以“储存”一定量的水于身体上,从而使鱼的身上仿佛被一层水膜包裹,鱼与水之间的摩擦从而就转化为了水与水这种同介质的摩擦,也就大大降低了摩擦系数;所以就可以用同样的原理将车身与空气的摩擦转化为空气与空气这种同介质物质之间的摩擦,以减少汽车高速行驶时的风阻系数,从而达到节能的目的。同时,由阶梯降的造型,产生在两轮中的均匀负高压区,使高速行驶的安全性能得到了提高,从而提高了安全系数。
当代汽车的阻力已降低到很小,而仿生学可以启迪人们做出更加节能的汽车,汽车仿生学的利用已经融入日常生活中,通过上面的分析结果可以看出仿生学指导汽车设计的巨大作用,根据仿生的基本原理,尽可能的提取利用生物体本身的优势,并将其合理的运用到汽车设计中,设计出更有竞争力、有特色的汽车,是未来汽车的重要发展方向之一。
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