理论教育 功能仿生:模拟自然设计的启示

功能仿生:模拟自然设计的启示

时间:2023-06-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:功能仿生的核心是对功能原理的模仿,这可能表现为某种形态特征,也可能表现为某个器官构造、形态特征或某种生物材料。在细微结构功能仿生方面,荷叶的表面细微结构是最出名的一个例子。水滴最小直径为1 ~2 mm,这相比荷叶表面的乳突要大得多,因此雨水落到叶面上后,隔着一层极薄的空气,只能同叶面上“小山包”的顶端形成几个点的接触,从而不能浸入荷叶表面。

功能仿生:模拟自然设计的启示

产品仿生设计中的功能仿生即指通过研究生物体和自然界物质存在的功能原理,并使用这种原理去改进现有的或者建造新的技术系统,以促进产品的更新换代或新产品的开发。功能仿生的核心是对功能原理的模仿,这可能表现为某种形态特征,也可能表现为某个器官构造、形态特征或某种生物材料。功能原理可以简单分为生物学原理、运动学原理、动力学原理、综合性原理四类。

仿生对象有不同的门类,植物动物微生物各有不同的功能侧重。例如锯子的设计,相传锯子是鲁班意外被茅草叶子刮伤,从而受到启发创造出来的。因为他发现茅草叶子两边原来长着锋利的齿(图3-3),他想,如果像茅草那样,打成有齿的铁片,不就可以锯树了吗?于是,他就和铁匠一起试制了一条带齿的铁片,拿去锯树,果然成功了(图3-4)。又如,屋顶瓦楞是仿照了动物脊柱弯曲形成的拱形结构和动物鳞片的功能原理制成的(图3-5)。拱形结构可以承受巨大的压力而不变形。模仿动物鳞甲的主要目的是排水顺畅,不存水,防渗漏;其次还有美观大方的优点(图3-6)。

在细微结构功能仿生方面,荷叶的表面细微结构是最出名的一个例子。众所周知,水滴落在荷叶上会形成近似圆球形的白色透明水珠滚来滚去而不浸入荷叶,原来,在荷叶的表面有非常多微小的乳突,乳突的平均大小约为10μm,这种乳突结构被称作多重纳米和微米级的超微结构。乳突在荷叶表面上犹如一个挨一个隆起的“小山包”,“小山包”之间的凹陷部分充满空气,这样就在叶面上形成一层极薄的,只有纳米级厚的空气层。水滴最小直径为1 ~2 mm,这相比荷叶表面的乳突要大得多,因此雨水落到叶面上后,隔着一层极薄的空气,只能同叶面上“小山包”的顶端形成几个点的接触,从而不能浸入荷叶表面(图3-7)。利用这个结构原理,还可以开发出一些仿荷叶的纳米材料和产品,例如,荷叶织物、荷叶防水漆、荷叶防水玻璃等,还有我们熟悉的物理不粘锅(图3-8)。

图3-3 茅草上的齿

图3-4 锯子的齿

(www.daowen.com)

图3-5 屋顶瓦楞

图3-6 动物鳞片

图3-7 荷叶表面的细微结构

图3-8 物理不粘锅

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