仿生理念在农业机械设计中的应用

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【摘 要】生物在自身进化及自然选择的长期作用下，形成了独特的生命结构和功能，这为人类解决工程技术问题提供了大量的设计原型和许多创造性的设计方法，是人类技术创新取之不尽的灵感源泉。本文通过引入一些仿生学的理念，尝试解决农业机械设计中存在的问题，并为新型农业机械的设计提供新思路和途径。通过探讨仿生学宏观仿生与微观仿生方面的应用，建立农业机械的“活体”概念。从无意识的引用到有意识运用仿生理念，将会推动农业机械设计迈入新的阶段，并能帮助人类建造更多安全、可持续、节能并与自然和谐的农业机械。

【关健词】仿生学；仿生设计；创新设计；设计优化

1.前言

生物在自身进化及自然选择的长期作用下，通过亿万年的洗礼，形成了独特的生命结构和功能，这为人类解决工程技术问题提供了大量的设计原型和许多创造性的设计方法，是人类技术创新取之不尽的灵感源泉。仿生学是将通过观察、分析、研究掌握的自然界生物所具有的各种特殊本领，并模拟、移植到各工程技术领域中去，为促进人类社会进步发展所用。仿生学的理念帮助工程师们打破思维的局限，为工程设计提供新的概念、思路和方法。

2.农业机械设计中的仿生理念

农业机械的发明和发展与大自然有着密不可分的联系，人类自觉不自觉地利用了仿生学的理念。众多农业机械的造型比如开沟器、铧式犁、拨苗机械手等都可以在自然界找到原型。在农业机械结构中可认为农业机械由整体和细部构造组成。基于仿生学宏观和微观的分类，仿生理念在农业机械设计中也分为宏观设计和微观设计，并可体现在整体和局部设计两方面。宏观和微观两者的统一，即综合仿生设计，见图1[1]。

宏观仿生设计主要是形态结构的仿生。无论整体造型还是局部构造的选择，自然界的优化结构都可为设计者们提供更多新的思路。微观仿生设计方面主要是功能机理的仿生。生物界中自适应自调控的功能正是农业机械自动控制的天然蓝本。无论宏观或微观仿生，还是综合仿生的实现，都是农业机械从非生命体向类生命体的重要转变。最终，这些仿生理念的应用将会使农业机械更具备生命特征。

2.1宏观仿生与农业机械设计

自然界中动植物的种群数目繁多、形态各异，通过亿万年的洗礼，不但结构形式愈加趋于合理，适应周围环境，而且在外形意象表达上也趋于美观。这为人类解决工程技术问题提供了大量的设计原型和许多创造性的设计方法。

2.1.1抽象形态仿生与农业机械造型设计

抽象形态是从自然物原形出发，通过概括、抽象，从整体上反映事物独特的本质特征。形式的简化性和特征的概括性，正好吻合现代工业产品对外观形态的简洁性，几何性以及产品的语意性的要求，因此，它大量的应用于现代产品设计。

现代汽车造型设计中经常用抽象到形态仿生，奔驰的SECcoupe、雷诺的Twingo以及浑圆的马自达121看上去都具备某种动物的神态，道奇的Viper“亦如一条准备给你致命一击的毒蛇”，而平尼法尼亚设计的法拉利275GTB貌似鳌鱼[2]。福特Chia Focus的前进气口像大猩猩的鼻子。例如美的电饭YH164小猪电饭堡，以形态仿生为亮点，模仿成抽象的小猪摸样。这款外观设计别具一格，充满情趣。

抽象仿生形态作用于人时，产生的“心理”形态需要生活经验的积累，经过联想和想象才能浮现在脑海中。因此，农业机械设计师要有丰富的生活经验，充分地释放想象力，为人类创造更加精美的农业机械产品。

2.1.2结构仿生与农业机械创新设计

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。结构仿生是通过研究生物整体或部分的构造组织方式发现其中与产品的潜在相似性进而对其模仿，以创造新的形象或解决新的问题。产品设计领域的结构仿生，往往从模拟生物外形开始，模拟生物外形所具有的功能如模仿鱼外形设计潜艇，模仿鸟类进行飞行器设计。

华南农业大学工程技术学院的邵耀坚[4]，利用仿生学原理设计了水稻工厂化育秧拨苗机械手，用以解决拔秧、抛植的有序栽植问题。吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室研制的仿生非光滑犁铧的铧式犁（以下简称仿生犁），与作为对照的普通犁铧的铧式犁（以下简称普通犁）在犁耕作业中测试的数据为依据发现：（1）仿生犁体的技术生产率、耗油量、劳动消耗和犁体成本4项定量化指标，比普通犁均有不同程度的改善、提高。这主要是由于其减小了犁耕作业比阻；（2）仿生犁体具有明显的改善碎土及覆盖效果，改善了作业质量，并间接降低了整地、平地的难度及动力消耗，提高了经济效益；（3）通过对2种犁犁耕作业经济效益的综合评价分析得出：仿生犁犁耕作业的综合经济效益是普通犁的1.62倍[3]。

土方工程中所用工具的材料一般都是亲水性金属材料，理论与试验都已证明，对这类亲水材料可采用宏观非光滑表面仿生设计方法进行改形以达到减粘降阻的目的。丛茜[4]等设计的仿生鳞片形非光滑推土板在进行土壤切削试验时不发生粘附，与光滑推土板相比，可平均降低推土阻力约15%。

农业机械设计师也要积极的关注仿生发明中精巧的结构，并且巧妙地应用这些结构，结合市场的需求创造出人们需求的农业机械产品。同时农业机械设计师也要细心的观察自然，提炼自然的精妙，提出更多的构想，为科学家的探索提供更多的思路，从而创造更有价值的仿生成果，为人类创造更加精美更加丰富的农业机械产品。

2.1.3意向仿生与农业机械美学设计

意象形态仿生是仿生设计高级阶段，关键是找到原型和对象之间存在的特定的联系，把有关自然物的属性，运用比喻、象征等手法，用来体现产品的特质。意象形态的仿生是设计师（对自然）的感悟，并将这种感悟通过产品阐释出来，从而达到物我交融的境界，关键是通过产品和自然物的类比，找出自然物与产品之间的内在关系。如果这种关系取舍恰当，就会使设计形神兼备，更好的体现产品的特质。

仿生设计是一种自然美学理念的回归，赋予农业机械形态以生命的象征是当今人类对精神追求所达到的共识。现代农业机械设计中，农业机械设计师对农业机械独一性所显示出的巨大热情，同样可以被用于蓬勃发展的现代农业机械设计领域。造型选择都可以借鉴自然美学意象，如山峦的起伏，水流的婉转。一种农业机械的成功不仅仅取决于它力学的合理性和材料的利用率，还应该具备着文化性、社会性甚至情感性。农业机械工程师不仅仅是一个计算者，也应该是充满人文情怀的艺术家。

2.2微观仿生与农业机械设计优化

如果自然界中繁多结构可以给概念设计以启迪，那动植物其内部功能和机理也是结构设计的源泉。对于农业机械设计而言，在各种荷载的作用下安全性和耐久性是结构的首要因素。

2.2.1材料仿生与新功能农业机械设计

自然界是天然的材料库，而且善于将不同的材料结合在一起。当今仿生材料科学的发展，为农业机械工程领域开创了新的天地。自然永远是人类的灵感之源，她巧妙地运用有限的构筑板块如蛋白质、多糖和脱氧核糖核酸（ DNA） 等，组建成非常复杂的系统。自然界的所有过程均为循环过程，其每次循环通常过程缓慢，消耗极小能量，但由此所生成的天然材料，不仅在纳米尺度上结构可控，而且在宏观上表现出完美的功能。自然正是这样将有限的构筑板块组装成具有阶层结构的细胞、组织、器官。受此启发，人类期望从仿生角度构思和设计智能材料。

最新科学研究指出，生物体都是由少数很简单的物质构成的，诸如糖、蛋白质和水之类。生物体的不同部分，从柔韧的皮肤到坚硬的骨骼，性能如此多样，关键在于从原子排列成分子，及从分子组合成纤维，晶体等半成品，在结构上的千差万别，就是由于结构的奇巧精致，形成了各种优越奇特的性能。

了解生物体构造的这些奥秘，最直接的目的就是研制新型的“仿生材料”。研究人员模仿鲍鱼壳的微观结构，将铝分子充满在碳化硼分子之间，己初步研制成功新型的陶瓷材料，除了既坚硬又柔软以外，还可以感测并适应周围环境的变化，如果飞机机翼材料具有这种性能，那么遭到损害时能够感知并自行修复。具有和生物机体相同弹性的材料，伸缩自如，能成功地用来制作人工动脉。

农业机械设计师也要积极的关注仿生发明中奇特的材料，并且巧妙地应用这些材料，结合市场的需求创造出人们需求的新功能农业机械产品。

2.2.2功能仿生与农业机械优化设计

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。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。功能仿生主要研究自然界中生物体的功能原理，并用这些原理去改进现有的或建造新的技术系统，以促进产品的更新换代或新产品的开发。换句话可以说，更多的功能仿生则是根据生物系统某些优异的特点来捕捉设计灵感的，通过技术上的模拟，使其具有更优越的性能的产品。满足了人对功利与实用的双重需求。

例如科学家根据蜻蜒的飞行原理研制成功了直升飞机；根据加重的翅痣蜻蜒在高速飞行时安然无恙，人们仿效其在飞机的两翼加上了平衡重锤，解决了因高速飞行而引起振动的棘手问题；又如根据蛙眼原理，科学家利用电子技术制成了雷达系统，能准确快速地识别目标；再如模仿狗鼻子的嗅觉功能，人类造出了电子鼻可以检测出极其微量的有毒气体等等诸多令人惊叹的创造。

希望农业机械设计师也能从自然界找到更多的灵感，通过模仿生物某方面的特殊功能对农业机械进行优化设计，改善农业机械的效能。

2.2.3神经系统仿生与类生命农业机械设计

生物在不断变化的环境中生存，必须适应外部环境的变化。人和动物神经系统的作用就是调节各个器官和各个系统的活动使之协调一致，相互配合以形成一个整体。自适应和自调节是类生命农业机械的第一步，农业机械在每天的工作过程中，都会遇到各种荷载的组合，比如温度和工作荷载、震动和工作荷载等。现代农业机械也逐渐具备了神经和控制等系统对结构进行内外环境的调节。

当今农业机械智能监控系统的发展已经让许多农业机械具备了处理系统，并拥有了一定的自处理能力、记忆力、处理信息的能力。不可否认的是最成功的系统应该具备的特点是预知性 （Prescience），就是知道下一步将发生什么。

未来农业机械也许能够自行处理突发事件或特殊荷载，甚至自组装和自修复。这应该也是未来智能农业机械结构的发展方向，而实现它单靠农业机械工程师自己己经远远不够。计算机科学、控制论、信息工程、自动化等领域的发展使农业机械设计理念得以实现和完善。随着计算机的问世和桥梁分析软件的研发，有限单元法成了开启复杂结构分析的钥匙。

3.总结

在宏观仿生方面，自然教给农业机械工程师的是对肉眼可见的农业机械外部形态和结构的塑造。微观仿生方面，内部世界、分子层面的系统与功能所提供给桥梁结构新的跨越方式。最终，宏观与微观仿生的结合将会使农业机械结构更具适应性、可持续性，甚至生命性。

自然是位出色的老师， 蕴涵着无穷无尽的奥秘供人类学习。几乎找不到一门科学不受到大自然的启示。现在，从无意识的沿用到有意识运用仿生理念，取大自然之精华而舍其糟粕，将会推动农业机械设计迈入新的阶段。

参考文献：

[1]胡楠，戴公连.仿生理念在桥梁设计中的应用[J].世界桥梁，2009，（3）：65-69.

[2]程凯.汽车设计仿生学[N].大河报，2005-8-11（4）.

[3]洪筠，崔占荣，任露泉.仿生犁与普通犁作业综合经济效益的对比分析[J].农业机械学报，2006.37（10）93-96.

[4]丛茜，王连成，任露泉等.鳞片形非光滑表面的仿生设计[J].吉林工业大学学报，1998.28（2）12-17.