仿生土木工程研究进展与展望

随着城镇化水平不断提升,中国每年新增建筑面积约20亿m2,大规模基础设施建设对土木工程理论和技术创新的要求越来越高。学者们通过研究自然界的增强增韧、水下黏合、钻孔掘进和轻质高强等现象发现,生物体具有独特的外部形态和组织结构,通过模仿生物体的外部形态、结构特征或运动机理可为土木工程技术创新和可持续发展提供新思路、新原理和新理论。从仿生材料、仿生结构和仿生机械与构筑物3个方面阐述仿生学在土木工程中的应用,列举典型的应用案例,并对仿生土木工程进行总结和展望,为未来的研究提供基础材料。作为新兴的研究方向,仿生土木工程基础理论尚不完善,仿生土木工程涉及生物、材料、结构等多学科的交叉,需要开展不同领域间的协同合作研究。

基于LED发光技术的仿生服装设计

仿生服装设计的灵感源于自然,具有环保与贴近自然的属性,为结合LED发光技术与仿生服装设计,拓展仿生服装的设计方式,文章从LED发光材料入手,分析其特点以及在仿生服装中运用的优势,然后对仿生服装的概念及应用进行归纳,从形态仿生、色彩仿生和功能仿生3个方面分析仿生服装的设计方法。通过前期研究,最终设计一款基于LED发光技术的仿生服装,为设计开发具有环保理念的仿生服装提供一些新的设计思路。

浅谈仿生学研究及其在农机上的应用

仿生学在农业、航空航天、能源等诸多领域有着广泛的应用,本文结合仿生学研究发展现状,着重探讨仿生技术在农业机械方面的应用,包括结构仿生、功能仿生、材料仿生等,并对仿生技术在农机方面的应用进行展望,以期为仿生学与农业机械的深度融合提供一种新的方向和思路。

基于天然骨仿生的骨组织工程设计综述

骨组织工程可以在骨缺损治疗前期提供匹配缺损的支架,引导新生骨形成,并提供活性因子、种子细胞等促进骨组织再生,在骨修复中有广泛的应用。良好的骨组织工程设计至关重要。受天然骨组织自身特性的启发,骨组织工程支架与仿生科学之间的联系越来越密切,成分、结构和功能仿生成为制备骨组织工程支架的重要方法。本文根据天然骨组织固有性质,对不同仿生方式,如成分仿生、结构仿生及功能仿生进行简要介绍,并对其在骨组织工程中的应用进行综述,旨在为骨组织工程的设计提供新的思路与方法。

基于CFD的仿生水动力学数值计算方法及其验证

鱼类经过长期的进化与自然选择,有着优异的水中游动能力,鱼类借助尾鳍能够进行快速高效的定向游动和快速启动/机动,借助胸鳍能够进行前进、后退和灵活的转向。本文基于计算流体力学(CFD)方法,给出适用于求解鱼类尾鳍/胸鳍的刚性运动以及身体躯干的柔性运动的网格划分策略,对仿生尾鳍、仿生胸鳍和仿生鱼在均匀来流中的水动力性能以及仿生鱼在静水中的自主游动进行数值计算。结果表明:基于CFD方法,采用结构与非结构混合的网格划分策略,应用动网格方法能够对仿生鱼的各类鳍及身体躯干的刚性或柔性运动进行有效的模拟,通过与实验结果进行对比,验证了对水动力性能求解的有效性。数值计算方法和验证算例对仿生水动力学的研究具有一定的理论参考意义。

论中国传统家具的“形缘”仿生

中国传统家具是中华传统文化的重要组成部分,其独特的造型风格绵延传承,为世人盛赞。深入研究中国传统家具的形制缘由与造物方法,有利于深入理解中国传统家具的艺术创新的本质与方法,并为现代新中式家具的创新设计提供指导与借鉴。借用设计因缘论的“形缘”视角,从仿生设计方法入手,深入分析了中国传统家具的造型、肌理、功能和结构四个方面的仿生手法。仿生设计不仅极大地丰富了传统家具的艺术表现形式,而且深刻地展现了古人对自然与生活的敬畏和尊重。

蜜蜂仿生学 大有作为

据《中国科学报》报道,中国香港理工大学教授王钻开的团队根据蜜蜂清理触角原理,构建出一款弹性仿生刚度梯度弹射器,并开发出仿生机器人,能与太阳能板相结合形成自洁系统,解决了中国西部地区太阳能板清洁难题。蜜蜂在无数花朵上停留,采集花蜜和花粉,前肢上有一把“梳子”清洁触角,但这把“梳子”不用清理,便可立即飞向下一朵花继续工作。

茶园仿生往复式开沟松土机设计与试验

丘陵山区茶园土壤板结、石砾较多,使用传统旋转或移动式开沟机会出现打石跳刀、刀具无法入土、开沟不深、作业阻力大的问题。为此,依据人工铲土具有自发性以最低功耗完成最优作业路径的特点,设计仿人工铲土动作的曲柄摇杆式开沟装置,并研制小型茶园往复式开沟松土机。通过分析人工使用铁锹铲土的动作,建立入土、切土、抛土的运动模型,基于Matlab软件分析得到人工铲土时铁锹锹尖运动轨迹的拟合方程,以此方程为基准,建立曲柄连杆机构的目标函数,结合约束条件解出曲柄摇杆机构结构参数,同时对开沟铲进行开沟阻力分析,确定开沟铲的结构参数。建立Recurdyn和EDEM耦合的开沟铲-土壤互作仿真模型,并进行三因素三水平正交试验,对作业和结构参数进行优化,得到最优参数组合:机器前进速度v为0.06 m/s、曲柄转速n为42 r/min、入土倾角φ为80°。田间试验结果表明,茶园往复式开沟松土机作业平均开沟深度为211.5 mm,开沟功率为0.119 kW,沟深稳定性系数为90.9%,相较于传统旋转式开沟机,开沟功率降低6.3%,沟深稳定性系数提高3.1个百分点,整机作业质量满足茶园农艺要求。

受电弓仿生导流罩对高速列车横风气动特性影响研究

横风作用下高速列车气动横向力和倾覆力矩显著增加,气动性能显著恶化,列车脱轨、倾覆可能性增大,严重影响列车运行安全。受电弓作为高速列车核心的外突部件,直接受到横风的影响,因此改善受电弓区域的横风气动性能显得尤为重要。以鞘翅目生物形态为原型,构建受电弓仿生导流罩几何外形,并以8车编组高速列车为基准,建立4种不同的计算模型:原始模型(模型Ⅰ)、仅受电弓Ⅰ加装导流罩(模型Ⅱ)、仅受电弓Ⅱ加装导流罩(模型Ⅲ)、受电弓Ⅰ和Ⅱ均加装导流罩(模型Ⅳ)。基于三维稳态SST k-ω双方程湍流模型,分析不同方案下高速列车整车以及受电弓区域的横风气动性能。研究结果表明:安装受电弓导流罩后,气流更为平顺地越过受电弓区域,阻滞效应减小,下游车体顶部和受电弓Ⅱ(升弓)区域的气流速度有所增加,同时造成列车背风侧的流场结构改变。相比原始模型(模型Ⅰ),导流罩模型(模型Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ)均可减小列车气动横向力和倾覆力矩,其中模型Ⅱ和模型Ⅲ的横向力分别减少9.65%、4.18%,倾覆力矩分别减少11.47%、4.37%;受电弓Ⅰ与受电弓Ⅱ均被包裹的模型Ⅳ效果最为显著,8车编组列车横向力和倾覆力矩分别减少11.39、16.81%。研究成果可为横风环境下新一代高速列车受电弓区域优化设计提供参考。

可持续理念下藤编家具形态仿生设计研究

目的为进一步提升产品的可持续性应用价值,提出了可持续理念下产品形态仿生设计路径,以藤家具为研究对象,探寻藤编家具的可持续设计创新。方法首先,采用文献研究与田野调查相结合的方法,梳理国内外藤编家具的设计研究现状,总结藤编家具行业的现存问题;其次,利用问卷调研法确定用户需求及仿生对象,借助AHP(层次分析法)决策分析原理选择最佳的仿生设计元素,并应用可持续设计策略对藤编家具进行设计创新;最后,采用LCA(生命周期评价)进行设计方案的可持续性评估,确定了综合水平高的方案。结论通过构建可持续理念下产品形态仿生设计路径,提出产品领域应用的可持续设计策略,并应用于藤编家具设计实践,结合用户调查和专家打分,从元素提取、方案设计和方案评估三个方面验证路径的可行性及有效性,为藤编家具的可持续创新提供新思路。

基于CPG控制的双髻鲨仿生机器人设计与实验研究

随着人类对自然的探索越来越深入,新型水下航行器的需求与日俱增,仿生机器人因其特殊的推进方式和高效的推进效率而受到越来越多的关注,而传统的仿生鱼类仅模拟了流线型外壳,少有提及仿生对象本身结构对于仿生性能的影响,本文提出了一种基于中央模式发生器(CPG)的类双髻鲨仿生机器人.以鱼类基本运动形态为基础,将鱼身抽象为关节连杆结构,建立了三关节四连杆的仿生机器鱼模型并进行了仿真计算.根据步态规律预估了其运动性能,随后通过实验验证了可行性.本仿生鱼旨在以简单的机械结构和较低的控制成本,实现对双髻鲨的最大限度模拟,得益于良好的仿生结构,中央模式发生器的引入,以及柔性硅胶材料在鱼身的应用,此机器人拥有体型小,控制简单,地形适应能力强,能量利用率高等特点,与传统水下推进器相比噪音更小,环境适应能力更强,在科研、农业等行业均具有广泛的应用前景,如野外勘测,水下救援,水域巡逻等.

面向深空探测的仿生机器人研究综述

介绍了面向深空探测的仿生机器人的仿生原理、构型特征、性能参数等研究情况;对比分析了不同类型仿生结构的优缺点,例如躯体扭动型机器人运动自由度大但控制难度高、成熟度低,而支腿爬行型机器人结构刚度大但运动形式单一;提出了仿生机器人在深空着陆探测任务中涉及的仿生设计、材料科学、自主性控制等关键技术。在后续研究中,应重点关注能源管理、环境适应性设计等方面。上述研究结果,可为深空探测仿生机器人发展提供参考。

蜂蜜中链霉素仿生印迹电化学传感检测方法

动物源食品中链霉素残留危害严重,建立高性能分析方法是确保食品安全和人类健康的必要手段。仿生印迹电化学传感检测方法具有高效、特异和灵敏等优点,已成为食品安全检测技术研究的重要领域。该研究以链霉素为模板分子,氧化石墨烯和壳聚糖为增敏材料,3-氨基苯基硼酸和邻苯二胺为复合功能单体,采用电聚合法构建了仿生印迹聚合物传感界面,建立了蜂蜜中链霉素的仿生印迹电化学传感检测方法。通过扫描电镜对印迹传感界面进行了表征,采用循环伏安法、差分脉冲伏安法和电化学交流阻抗法对仿生印迹传感器的电化学性能进行表征。在最佳反应条件下,该传感器的检测限为2.59×10^(-12) mol/L,线性范围为1.0×10^(-10)~1.0×10^(-6) mol/L,洋槐蜜、枣花蜜和桂花蜜样品的加标回收率分别为94.78%~106.24%、93.65%~103.81%和97.19%~106.18%,相对标准偏差≤4.28%。试验结果表明,该方法具有良好的重复性、稳定性和重现性,能够满足蜂蜜中链霉素残留分析的需要。相关研究为复杂基质中痕量靶标的高特异性和超灵敏分析提供了技术支撑,对于蜂蜜中链霉素的快速筛查和安全监测具有重要意义。

展向刚度对拍动式仿生胸鳍水动力性能影响的实验研究

[目的]旨在研究拍动式胸鳍沿翼展方向结构设计刚度对其水动力性能的影响。[方法]提出一种柔性仿生胸鳍的非均匀展向刚度设计方法。通过搭建的胸鳍水动力性能实验平台,测试0.3~1.0 Hz驱动频率下不同展向刚度仿生胸鳍拍动时产生的平均推进力与平均侧向力,并结合高速摄像机采集的胸鳍运动图像序列,分析仿生胸鳍展向变形对其产生推进力的影响。[结果]实验结果表明,在测试的拍动频率范围内,柔性仿生胸鳍产生的平均推进力及平均侧向力均与鳍条的展向刚度大小及分布情况相关。通过优化机器鱼样机(XJmanta)柔性仿生胸鳍的展向刚度可使其最大游动速度提升约45%。[结论]研究成果可用于指导拍动式柔性仿生胸鳍的设计,优化胸鳍输出水动力性能,提升仿生机器鱼本体游动时的机动性。

基于蜂窝仿生流场的质子交换膜燃料电池的性能研究及优化

为了增强质子交换膜燃料电池(PEMFCs)内部燃料分布的均匀性与水管理能力,本文研究了一种新型的基于仿生结构的蜂窝仿生流场。首先,根据蜂窝结构特征,搭建出三维多相流非等温几何模型并确立PEMFC的数学模型;其次,采用计算流体动力学Fluent软件对模型进行无关性与有效性验证,并对蜂窝仿生流场和常规平行流场的电池性能和燃料分布进行了模拟分析;最后,对比极化性能、气体流速分布、燃料与液态水组分浓度和电流密度分布,验证了蜂窝仿生流场设计的有效性。研究结果表明:采用蜂窝仿生流场的电池峰值功率密度比常规平行流场高15.6%,其内部水管理能力和燃料分布均匀性均强于平行流场;左端进气的蜂窝仿生流场比采用上端进气的蜂窝仿生流场在气体通路内具有更均匀的气体压力,可有效避免流道内产生局部涡流,其峰值功率密度可以达到0.3933 W/cm2。

用于龙舟训练的仿生柔性触觉传感器

为了提高龙舟比赛运动员的训练效果,开发了可用于身体运动识别及压力监测的仿生纤毛柔性触觉传感器。柔性触觉传感器采用了经典的基底-传感层-封装层式“三明治”结构,柔性硅胶基底采用旋涂法制备,传感层为利用Langmuir⁃Blodgett方法得到的大面积碳纳米管传感薄膜,纤毛栽种于传感层,最后封装得到具有仿生纤毛的触觉传感器。由传感器的SEM照片可知,层与层之间的结合特性较好,采用自制的往复测试平台,对传感器进行了测试。传感器耐用性最高可达5500次,最大阻值差可达300%,对于不同方向力的刺激有识别特性,可清晰识别人体的脉搏信号,对未来龙舟训练智能装备开发中的动作识别、力量监测等功能具有较大现实意义。

仿生犁铧耐磨性能仿真分析与试验研究

目的解决传统犁铧耐磨性差、使用寿命短等问题。方法以栉孔扇贝壳为仿生原型,对其表面几何特征进行提取,将棱纹几何结构特征应用于犁铧的设计。设计6种不同仿生棱纹方向及3种不同仿生棱纹间距的犁铧试样,建立离散元模型,分析土壤颗粒运动速度场以及犁铧耕作阻力图。结果表面仿生结构设计改变了土壤颗粒的流动方向,减小了土壤堆积量,降低了所需牵引力,从而提高了耐磨性能。不同仿生棱纹方向犁铧试样中,F-1竖棱纹结构试样的平均耕作阻力最小,平均耕作阻力值为1681.73 N;不同仿生棱纹间距犁铧试样中,棱纹间距为5 mm的F-1-1仿生表面接触的土壤颗粒的运动速度分布和趋势最佳。通过田间试验得出,同种仿生棱纹方向结构设计下,棱纹间距为5 mm的F-1-1试样的耐磨性能最佳,相比传统犁铧试样磨损量减少17.25%。结论合理改变表面仿生棱纹方向与间距设计可显著提高犁铧耐磨性,为仿生技术在农业机械方向上的应用提供参考。

氧化石墨烯辅助仿生矿化原位合成羟基磷灰石

羟基磷灰石(HAp)是一种与人体骨骼成分类似的无机材料,具有良好的生物相容性。本文以氧化石墨烯(GO)为模板,通过模拟体液(SBF)仿生矿化原位合成了HAp纳米粒子。通过SEM、XRD、EDS和拉曼光谱等测试分析研究了矿化时间、SBF/GO体积比对矿化产物物相组成、形貌和结构的影响。结果表明,矿化处理后的GO表面形成了大量均匀分布的类骨HAp。随着矿化时间延长和SBF体积占比增大,矿化产物的尺寸及数量增大,GO层间距逐渐扩大。本研究验证了GO辅助合成HAp的可行性,拓展了仿生矿化法的应用领域。

计算流体力学方法在仿生机器鱼中的应用研究进展

计算流体力学是研究仿生机器鱼水动力特性的重要数值模拟方法,已在仿生学及海洋学等众多领域得到广泛应用。本文利用CNKI中文数据库及Web of Science核心合集数据库分别检索到201篇中文文献和146篇英文文献,运用Cite Space软件的文献计量学分析方法,对文献类型、期刊分布、发文量趋势、作者、研究机构和高被引文献进行了系统分析,并结合关键词网络知识图谱、关键词聚类图谱,探讨了计算流体力学在仿生机器鱼领域中的应用研究热点。结果表明:仿生机器鱼领域中外文献发文量呈现逐年上升趋势,且仿生类期刊及文献具有较高的影响因子与被引频次;研究学科领域涉及工程学、机器人学、力学与材料科学等多个交叉性学科;该领域内研究热点与重点方向为动力学模型、三维流场仿真、设计与制作。针对现有研究的不足,建议未来研究应深入探讨水生生物集群运动仿真、鱼类侧线感知机制和仿生机器鱼水动力试验,以期促进多学科融合,为仿生机器鱼的发展提供科学参考。

仿生正形尾鳍结构微通道流动与传热特性数值研究及结构优化

基于鱼类尾鳍在流动过程中的重要作用,仿生设计并建立了正形尾鳍结构微通道物理模型,研究了仿生尾鳍肋间距对微通道综合传热性能的影响,提取了尾鳍结构凹陷长轴相对长度Dt/Wch、决定尾鳍结构最大宽度的bt/Wch以及决定尾鳍结构最大高度的张角αt三个结构参数,数值分析了结构参数对仿生微通道平均摩擦因数、平均Nusselt数、综合性能因子以及热阻和泵功的影响规律;并通过均匀试验分析回归拟合和遗传算法多目标优化得到了正形尾鳍结构参数的最优解。结果表明,综合性能因子随着仿生肋间距的增大而减小,当间距为4 mm时,正形尾鳍结构微通道的综合性能因子变化范围为1.74~1.89,综合传热性能明显优于矩形光滑通道;随着Dt/Wch的增加、bt/Wch的减小或αt的增加,尾鳍结构微通道的综合传热性能提升,其中凹陷长轴相对长度Dt/Wch和高度张角αt影响较大。结构参数为Dt/Wch=0.476、bt/Wch=0.135、αt=146.96°时,微通道性能有较大提升。