专题综述
机电工程技术!""#年第$$卷第%!期
仿生学原理在机械设计中的应用
隋宝石
（天津市南开医院，天津
$""%""）
摘要：仿生学是生物科学与技术科学交叉的边缘科学。本文介绍了仿生学的原理及其在机械设计中的应用。关键词：仿生学；机械设计；应用中图分类号：-.%%
文献标识码：/
文章编号：%""&0&#&!)!""#*%!0""%"0"!
%前言
仿生学是研究生物系统的结构、功能、能量转换、信息控制等特征，并将研究结果应用于技术系统，以改善现有的技术工程设备，创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学。它是一门属于生物科学与技术科学交叉的边缘科学，其任务是将生物系统的优异能力及产生的功能原理和作用机理作为生物模型进行系统研究，再运用于新技术设备的设计与制造，或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。
仿生学这一名词自%&’"年在美国召开的第一届仿生学会议上诞生以来，至今不过#"多个年头，可是，人类模仿生物来创造工具，却有很长的历史。例如：模仿落叶浮水漂流创造了船；通过观察鸟类的飞翔造就了飞机；根据苍蝇的眼睛结构制造了照相机；利用蝙蝠创造了雷达；模仿鲸鱼制造出了潜水艇等等。
仿生设计是研究和探讨生物机制，仿照生物设计创造新产品。自从%&’"年以来，仿生设计已广泛应用于传感器、新材料等领域。目前国内外对仿生机械设计的研究也取得了很大进展。
这种楔形结构有利于减粘降阻。楔面能分散土壤压力，减小触土面积，从而降低土壤阻力，使爪趾具有较强的入土能力和较好的脱土效果。由力学知识，楔顶端的几何形状对其前部附近的土壤应力分布有着明显的影响，决定压实土体的形状及其脱附程度，楔角越小，越易产生应力集中，楔体越不耐磨，也越易粘土。当楔端部形状为接近土体形状的圆钝状时，易于脱土。显然，穿山甲圆钝的爪尖是遵循上述原理的。一方面是减少应力集中，增强生物材料与环境条件相适应的机械强度，提高对土壤磨料磨损的耐磨性；另一方面是在保证楔入力尽量大的条件下，使顶端过渡圆角增大，改善端部土壤应力分布，改变压实土壤的形状，减少土壤粘附。
!(!结构仿生
（%）非光滑表面的仿生设计
! 防粘
通过对生活在粘湿环境中的典型土壤动物) 如穿山甲、蜣螂、蚂陆、螃蟹、泥鳅、步甲、蝗虫、潮虫*的防粘持性研究
+$,
，发现土壤动物经亿万年进化而形成的防粘特性
突出地表现在体表上，其体表的几何非光滑形态是可以减粘降阻的重要原因之一。同时发现上述土壤动物体表普遍具有一种鳞片形非光滑形式，其中穿山甲体表最为明显，它由头至尾全身背部均按角质鳞片，每个鳞片的基部都被前排鳞片的末端呈瓦尾状覆盖着。鳞片形非光滑结构单元的大小、分布都是较均匀的，除穿山甲、螃蟹、泥鳅体表为宏观非光滑外，其它动物体表如步甲的鞘翅与腹部，大蜣螂的腹部，蚂陆、蜈蚣、蚂蚁和潮虫体表，蝗虫腿部都不同程度地分布微观鳞片形非光滑结构。由于土壤动物护蜡层、蜡质层都是疏水性物质，而鳞片形微观非光滑体表可使其疏水性进一步增加，从而使土壤动物与土壤接触时的粘附力大大降低。
土方工程中所用工具的材料一般都是亲水性金属材料，理论与试验都已证明，对这类亲水材料可采用宏观非光滑表面仿生设计方法进行改形以达到减粘降阻的目的。
! 仿生学原理
!(%外形仿生
外形仿生是一种最常见的设计方法，在新材料和建筑的设计中已经屡见不鲜。外形仿生的原理同样也可以用于机械设计，自然界中的某些动物在长期土壤环境生活的进化过程中，不仅具备了优良的挖掘功能，而且在形状上也与弯曲型深松部件极为类似，这为改进深松部件几何形状，乃至优化其在切削过程中的力学性能提供了仿生研究的基础。
蝼蛄、小家鼠、达乌尔黄鼠) 一种田鼠*和公鸡等动物具有优良挖掘和脱土减阻功能。研究表明
+%,
这几种动物挖
+!,
掘足的爪趾内轮廓线) 爪趾触土面准线*多为变曲率曲线。
穿山甲有着很强的挖掘本领。研究人员
发现穿山
甲爪趾的爪尖是一面为斜面的圆锥楔形，爪尖顶端圆钝，
收稿日期：!""#—"’—%"
机电工程技术!""#年第$$卷第%!期
述
! 耐磨
磨料磨损是地面触土机械部件失效的主要原因之一。在国内外，除寻求新型的抗磨料磨损材料和从结构上进行合理的设计外，表面硬化则是提高地面触土机械部件质量、延长使用寿命、改善使用性能的重要方法。目前，常用的表面硬化技术有喷涂、沉积、镀层等。由于硬化层厚度较薄，降低了地面机械触土部件在磨料磨损工况下使用的有效性。并且，工程材料表面硬度的提高也是有限度的，因此，探索新的抗磨机理，以便能更有效地提高地面机械触土部件的使用寿命。
自然界中生物体表组织经过千百万年的进化，具有非常独特的结构和性能。生物体表形态是生物体自身生长机制与生存环境长期相互作用的结果。已有的研究表明
&#’
$应用
$,%触土机械的设计
（%）深松部件郭志军等
&%’
设计制作了几种弯曲型深松部件，通过
室内大型土糟耕作试验，测定了各种深松部件耕作以后土壤的宏现扰动轮廓和耕作阻力，结果表明仿生弯曲型深松部件的深松阻力取得最小值。
（! ）钻头吉林大学张毅
&!’
等提出了仿生钻头的想法，希望能
够解决钻探工作中遇到的钻头泥包问题。目前，吉林大学正在设计一种仿生钻头，钻头体表面仿造穿山甲鳞片在其体表的分布形式，切削齿仿造穿山甲的爪趾，从而达到减粘降阻脱附的目的，希望可以在泥质岩中钻进时有效地防止钻头泥包现象及提高机械钻速。
（$）推土板从茜等
&$’
，
生存在粘湿土壤中的动物体表呈几何非光滑特征，具有减粘、降阻、耐磨作用。土壤动物体表的几何非光滑特征，是由于体表触土部位随机地或规律地分布着一定几何形状的结构单元体，运动时有利于减小正压力对体表的作用，降低摩擦分量。并且，非光滑表面能将磨料对表面的犁削变为滚动，从而起到减阻、耐磨作用。如果把这种结构与组成机理应用到地面触土机械部件的表层，将为提高地面触土机械部件的抗磨性。
（! ）仿生涂层设计
自从生物解剖学创立以来，人们几乎已对所有生物体进行了解剖研究。解剖学发现了生物的微组织结构，层状结构与矩阵结构是生物组织的两种主要结构组织形式，此外还有螺旋、折叠等结构形式。人们模拟皮肤、海螺壳、血管壁等层状结构设计成耐磨涂层。
目前常用的涂层体系结构有一种成分、多种成分、梯度涂层、多层涂层超晶体和二元处理等几种葵的结构设计涂层体系。
生物体将强度很低的碳酸钙整合成海螺壳、蛤蜊壳等，从而具有较高的强度。现在人们可通过如下两种途径来实现整合涂层，第一种是有效排列分子，使其呈)*+螺旋结构，达到高的机械强度；另一种方法是采用不同的材料组合，形成整合涂层，从而具有更高的机械强度与摩擦学性能。
&(’
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%(-。
$,!复合涂层体系的设计
土壤动物体表的几何非光滑结构存在着数量和尺寸上的变化。其外观形貌类似于水磨石地面结构，体表有一定的弹性，在外力作用下，体表可发生弹性变形。凸起部位承受着土壤的挤压和摩擦，凹起部位易集留空气，可减轻大气负压，从而降低与土壤摩擦力。因此，这种由软、硬多相材料交替叠层形成的非光滑表面，是仿生非光滑耐磨复合层的设计原则。
仿生非光滑耐磨复合层是将增强硬质颗粒相通过过钎焊方法钎焊在基体材料. 碳钢/表面，形成一非光滑耐磨复合层。这种结构既保证了基体的强韧性和非光滑几何结构单元体的耐磨性，又能保证非光滑表面具有生物非光滑表面的减阻、耐磨作用。复合层的厚度可根据使用要求从几毫米到几十毫米任意调整。通过调整钎料配比和增强硬质颗粒相类型和数量，可以得到耐热、耐蚀、耐磨多功能仿生非光滑表面复合层。
任露泉等
&0’
。近来微机
电系统中发展使用的涂层很簿，模仿自然生物体海螺、海
根据土壤动物体表的几何非光滑特征，
制备出的钎粒123.0" 14" 目/1钎料1钢仿生非光滑耐磨复合层，其耐磨性为基体#(钢. 淬火态/的!5倍。在耐磨涂层设计方面，还有模拟皮肤、海螺壳、血管壁等层状结构的仿生，以及模拟生物结构的短阵结构仿生，例如修饰陶瓷分子结构的改性韧性陶瓷设计。
仿照相拉固体与开普勒6波因素特体的复合材料结构设计也是一种仿生设计的方法。将球形固体润滑剂与硬质相，例如783、78*等，制成自润滑的复合涂层，硬质相承担载荷，软体润滑剂起润滑作用，可以得到摩擦学性能很好的新的涂层设计方案。
!,$功能仿生
功能仿生的目的是使人造的机械具有或能够部分实现高级动物丰富的功能，如思维、感知、运动、操作等，这在智能机器人的研究中具有重大意义。生物体经过千百万年的演化和自然淘汰，已经形成了复杂而完备的系统，不论哪一种生物的结构和机能，一般说来都十分精巧、协调、合理和高效。
作为高等动物的人，具有高度的运动灵活性。人的四肢是由骨骼、肌肉、关节以及韧带组成的多关节弹性结构，这种结构确保人体能够灵活运动，完成复杂动作。对人体的仿生以及拟人机器人的研究是仿生机器人领城的最高目标。另外，人的独特的思维功能也是仿生设计所模仿的原型。
$,$机械手与机器人的设计
华南农业大学工程技术学院的邵耀坚
&9’
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、
（下转第!! 页）
制造业信息化
机电工程技术!""#年第$$卷第%!期
#系统试验
为了采集轴承故障周期信号，需要一套加载测量装置，其示意框图如图$所示。
交流电动机在变频器的控制下，在$""、P"" 和
%!""HT D
承故障信号经加速度计一电荷器放大后幅度处于U)V 范围内为止，数据采集卡循环采集电荷放大器的输出信号，经
S>%"#>SB读取和分析后，将极少字节的有兴趣的信号作
为节点数据，通过无线网络发给主节点S>机，由S>上的系统软件综合分析轴承故障并进行寿命预测。系统实验说明无线设备状态监测网络节点的技术方案可行、但软硬件
图$
测量装置示意图
有待进一步优化，缩小体积和加固结构后，有望应用于运煤货车的轴承故障预测诊断系统等移动设备上。
参考文献：
［%］袁弱男等/无线分布式集成监测网络系统及应用
算机信息，!""#，（3）2$!W$$/
［! ］杨振江/, T X1X T , 转换器接口技术与实用电路
西安电子科技大学出版社1
为了保证采集的连续性，采用具有QRQK 功能的双端口5,+进行循环存储采集的数据，S>%"#异步地从环形缓冲区中读取数据，这样可以保证采样过程无限期地连续、均匀进行。S>%"#的故障分析诊断过程和数据采样过程是异步、并行工作的。数据采集卡上给出一组环形存储器占用情况、是否出现覆盖等标志位，S>%"#>SB通过读取标志来决定何时访问环形存储器。由于采用环形缓冲区结构，S>%"#>SB通过R*,总线访问数据采集卡上的存储器。每次读取数据大小可以不同，即可以自定义存储器页数，整页或按字节顺序读取，采集卡相应调整环形存储器的地址指针，以保证下次数据传递过程正确。
&0(/微计
西安：
&+(/
%))’/
!""%/
［$］杨振江等/智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用
&+(/西安：西安电子科技大学出版社1
第一作者简介：徐荣华，男，%)3’年生，江西临川人，硕士研究生，助教。研究领域：制造自动化网络。已发表论文P 篇。
-编辑：梁玉.
（上接第%%页）
抛植的有序栽植问题。张永军等
&’(
根据人体上肢结构原［0］/拖拉机与农用运输车1!""$1-$.2!34$"/
［! ］张毅，孙友宏，任露泉/钻头泥包的土壤动物仿生学分析研
究［0］/探矿工程1!""$1-!. 2#%4#$/
［$］丛茜，王连成，任露泉等/鳞片形非光滑表面的仿生设计
［0］/吉林工业大学学报1%))’1!’-!. ：%!4%3/
［#］56789:9;7，8?67@
理，提出一种上肢仿生机构，进行优化设计和运动学分析，为制造出灵巧方便的上肢仿生机构提供了理论依据。人体下肢具有缓冲、节能等特点，是一种高效的步行机构，马建旭等
&)(
模仿人体下肢设计的关节式弹性步行机
构，在机器人的小腿中安置弹性装置，通过四组并联弹性元件和以机器人腿外壳为机架的四连杆机构的复合，产生缓冲、储能效果。李明东等
&%"(
C9HI
J;6F K7HFG96?
模仿骨骼肌的工作原理，
*6
［O ］蓝伟明，汪久根，李兴林等/整台涂层的仿生设计及其性能
［0］/浙江大学学报-工学版. 1!""!1$P-%.23’4’!/
［P ］任露泉，徐德生，邱小明等/仿生非光滑耐磨复台层的研究
：34)/［0］/农业工程学报，!""%，%3（$）
［3］邵耀坚/水稻工厂化育秧拨苗机械手及仿生机理的研究［0］/
华南农业大学学报，!""" ，!%（%）：3)4’!/
［’］张永军，杨兰生/基于仿生学的上肢机构研究［0］/机器人，
用*+,丝-形状记忆合金. 来驱动一个微型机器人手臂，将机器人传统的关节驱动方式转变为肌肉驱动方式。
#结束语
自然界在亿万年的演化过程中孕育了各种各样的生物，每种生物都拥有神奇的特性与功能，能够在复杂多变的环境中生存下来。因此，通过研究、学习、模仿来复制和再造某些生物特性和功能，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺，将极大的提高人类对自然的适应和改造能力，产生巨大的社会经济效益。!%世纪是生物技术高速发展的时期，随着人们对生物体认识的深入，仿生设计也将会有更加广阔的前景。
参考文献：
N))’，!" -%.：!"4!#/
［) ］马建旭，马培荪，杨保忠等/四足步行机器人中一种新型履结
构缓冲特性［0］/上海交通大学学报，N))3，$$-3. ：’#34’O"/［%"］李明东，马培荪，马建旭等/形状记忆合金丝驱动的仿生转动
关节臂［0］/上海交通大学学报，%)))，$$-%).：%!’#4%!’3/作者简介：隋宝石，男，%)3P年生，河北临西人，大学本科，助工。研究领域：自动化仪器、设备。
［%］郭志军，周志立，张毅等/深松耕作土壤宏观扰动轮廓分析
-编辑：吴智恒.
专题综述
机电工程技术!""#年第$$卷第%!期
仿生学原理在机械设计中的应用
隋宝石
（天津市南开医院，天津
$""%""）
摘要：仿生学是生物科学与技术科学交叉的边缘科学。本文介绍了仿生学的原理及其在机械设计中的应用。关键词：仿生学；机械设计；应用中图分类号：-.%%
文献标识码：/
文章编号：%""&0&#&!)!""#*%!0""%"0"!
%前言
仿生学是研究生物系统的结构、功能、能量转换、信息控制等特征，并将研究结果应用于技术系统，以改善现有的技术工程设备，创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学。它是一门属于生物科学与技术科学交叉的边缘科学，其任务是将生物系统的优异能力及产生的功能原理和作用机理作为生物模型进行系统研究，再运用于新技术设备的设计与制造，或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。
仿生学这一名词自%&’"年在美国召开的第一届仿生学会议上诞生以来，至今不过#"多个年头，可是，人类模仿生物来创造工具，却有很长的历史。例如：模仿落叶浮水漂流创造了船；通过观察鸟类的飞翔造就了飞机；根据苍蝇的眼睛结构制造了照相机；利用蝙蝠创造了雷达；模仿鲸鱼制造出了潜水艇等等。
仿生设计是研究和探讨生物机制，仿照生物设计创造新产品。自从%&’"年以来，仿生设计已广泛应用于传感器、新材料等领域。目前国内外对仿生机械设计的研究也取得了很大进展。
这种楔形结构有利于减粘降阻。楔面能分散土壤压力，减小触土面积，从而降低土壤阻力，使爪趾具有较强的入土能力和较好的脱土效果。由力学知识，楔顶端的几何形状对其前部附近的土壤应力分布有着明显的影响，决定压实土体的形状及其脱附程度，楔角越小，越易产生应力集中，楔体越不耐磨，也越易粘土。当楔端部形状为接近土体形状的圆钝状时，易于脱土。显然，穿山甲圆钝的爪尖是遵循上述原理的。一方面是减少应力集中，增强生物材料与环境条件相适应的机械强度，提高对土壤磨料磨损的耐磨性；另一方面是在保证楔入力尽量大的条件下，使顶端过渡圆角增大，改善端部土壤应力分布，改变压实土壤的形状，减少土壤粘附。
!(!结构仿生
（%）非光滑表面的仿生设计
! 防粘
通过对生活在粘湿环境中的典型土壤动物) 如穿山甲、蜣螂、蚂陆、螃蟹、泥鳅、步甲、蝗虫、潮虫*的防粘持性研究
+$,
，发现土壤动物经亿万年进化而形成的防粘特性
突出地表现在体表上，其体表的几何非光滑形态是可以减粘降阻的重要原因之一。同时发现上述土壤动物体表普遍具有一种鳞片形非光滑形式，其中穿山甲体表最为明显，它由头至尾全身背部均按角质鳞片，每个鳞片的基部都被前排鳞片的末端呈瓦尾状覆盖着。鳞片形非光滑结构单元的大小、分布都是较均匀的，除穿山甲、螃蟹、泥鳅体表为宏观非光滑外，其它动物体表如步甲的鞘翅与腹部，大蜣螂的腹部，蚂陆、蜈蚣、蚂蚁和潮虫体表，蝗虫腿部都不同程度地分布微观鳞片形非光滑结构。由于土壤动物护蜡层、蜡质层都是疏水性物质，而鳞片形微观非光滑体表可使其疏水性进一步增加，从而使土壤动物与土壤接触时的粘附力大大降低。
土方工程中所用工具的材料一般都是亲水性金属材料，理论与试验都已证明，对这类亲水材料可采用宏观非光滑表面仿生设计方法进行改形以达到减粘降阻的目的。
! 仿生学原理
!(%外形仿生
外形仿生是一种最常见的设计方法，在新材料和建筑的设计中已经屡见不鲜。外形仿生的原理同样也可以用于机械设计，自然界中的某些动物在长期土壤环境生活的进化过程中，不仅具备了优良的挖掘功能，而且在形状上也与弯曲型深松部件极为类似，这为改进深松部件几何形状，乃至优化其在切削过程中的力学性能提供了仿生研究的基础。
蝼蛄、小家鼠、达乌尔黄鼠) 一种田鼠*和公鸡等动物具有优良挖掘和脱土减阻功能。研究表明
+%,
这几种动物挖
+!,
掘足的爪趾内轮廓线) 爪趾触土面准线*多为变曲率曲线。
穿山甲有着很强的挖掘本领。研究人员
发现穿山
甲爪趾的爪尖是一面为斜面的圆锥楔形，爪尖顶端圆钝，
收稿日期：!""#—"’—%"
机电工程技术!""#年第$$卷第%!期
述
! 耐磨
磨料磨损是地面触土机械部件失效的主要原因之一。在国内外，除寻求新型的抗磨料磨损材料和从结构上进行合理的设计外，表面硬化则是提高地面触土机械部件质量、延长使用寿命、改善使用性能的重要方法。目前，常用的表面硬化技术有喷涂、沉积、镀层等。由于硬化层厚度较薄，降低了地面机械触土部件在磨料磨损工况下使用的有效性。并且，工程材料表面硬度的提高也是有限度的，因此，探索新的抗磨机理，以便能更有效地提高地面机械触土部件的使用寿命。
自然界中生物体表组织经过千百万年的进化，具有非常独特的结构和性能。生物体表形态是生物体自身生长机制与生存环境长期相互作用的结果。已有的研究表明
&#’
$应用
$,%触土机械的设计
（%）深松部件郭志军等
&%’
设计制作了几种弯曲型深松部件，通过
室内大型土糟耕作试验，测定了各种深松部件耕作以后土壤的宏现扰动轮廓和耕作阻力，结果表明仿生弯曲型深松部件的深松阻力取得最小值。
（! ）钻头吉林大学张毅
&!’
等提出了仿生钻头的想法，希望能
够解决钻探工作中遇到的钻头泥包问题。目前，吉林大学正在设计一种仿生钻头，钻头体表面仿造穿山甲鳞片在其体表的分布形式，切削齿仿造穿山甲的爪趾，从而达到减粘降阻脱附的目的，希望可以在泥质岩中钻进时有效地防止钻头泥包现象及提高机械钻速。
（$）推土板从茜等
&$’
，
生存在粘湿土壤中的动物体表呈几何非光滑特征，具有减粘、降阻、耐磨作用。土壤动物体表的几何非光滑特征，是由于体表触土部位随机地或规律地分布着一定几何形状的结构单元体，运动时有利于减小正压力对体表的作用，降低摩擦分量。并且，非光滑表面能将磨料对表面的犁削变为滚动，从而起到减阻、耐磨作用。如果把这种结构与组成机理应用到地面触土机械部件的表层，将为提高地面触土机械部件的抗磨性。
（! ）仿生涂层设计
自从生物解剖学创立以来，人们几乎已对所有生物体进行了解剖研究。解剖学发现了生物的微组织结构，层状结构与矩阵结构是生物组织的两种主要结构组织形式，此外还有螺旋、折叠等结构形式。人们模拟皮肤、海螺壳、血管壁等层状结构设计成耐磨涂层。
目前常用的涂层体系结构有一种成分、多种成分、梯度涂层、多层涂层超晶体和二元处理等几种葵的结构设计涂层体系。
生物体将强度很低的碳酸钙整合成海螺壳、蛤蜊壳等，从而具有较高的强度。现在人们可通过如下两种途径来实现整合涂层，第一种是有效排列分子，使其呈)*+螺旋结构，达到高的机械强度；另一种方法是采用不同的材料组合，形成整合涂层，从而具有更高的机械强度与摩擦学性能。
&(’
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%(-。
$,!复合涂层体系的设计
土壤动物体表的几何非光滑结构存在着数量和尺寸上的变化。其外观形貌类似于水磨石地面结构，体表有一定的弹性，在外力作用下，体表可发生弹性变形。凸起部位承受着土壤的挤压和摩擦，凹起部位易集留空气，可减轻大气负压，从而降低与土壤摩擦力。因此，这种由软、硬多相材料交替叠层形成的非光滑表面，是仿生非光滑耐磨复合层的设计原则。
仿生非光滑耐磨复合层是将增强硬质颗粒相通过过钎焊方法钎焊在基体材料. 碳钢/表面，形成一非光滑耐磨复合层。这种结构既保证了基体的强韧性和非光滑几何结构单元体的耐磨性，又能保证非光滑表面具有生物非光滑表面的减阻、耐磨作用。复合层的厚度可根据使用要求从几毫米到几十毫米任意调整。通过调整钎料配比和增强硬质颗粒相类型和数量，可以得到耐热、耐蚀、耐磨多功能仿生非光滑表面复合层。
任露泉等
&0’
。近来微机
电系统中发展使用的涂层很簿，模仿自然生物体海螺、海
根据土壤动物体表的几何非光滑特征，
制备出的钎粒123.0" 14" 目/1钎料1钢仿生非光滑耐磨复合层，其耐磨性为基体#(钢. 淬火态/的!5倍。在耐磨涂层设计方面，还有模拟皮肤、海螺壳、血管壁等层状结构的仿生，以及模拟生物结构的短阵结构仿生，例如修饰陶瓷分子结构的改性韧性陶瓷设计。
仿照相拉固体与开普勒6波因素特体的复合材料结构设计也是一种仿生设计的方法。将球形固体润滑剂与硬质相，例如783、78*等，制成自润滑的复合涂层，硬质相承担载荷，软体润滑剂起润滑作用，可以得到摩擦学性能很好的新的涂层设计方案。
!,$功能仿生
功能仿生的目的是使人造的机械具有或能够部分实现高级动物丰富的功能，如思维、感知、运动、操作等，这在智能机器人的研究中具有重大意义。生物体经过千百万年的演化和自然淘汰，已经形成了复杂而完备的系统，不论哪一种生物的结构和机能，一般说来都十分精巧、协调、合理和高效。
作为高等动物的人，具有高度的运动灵活性。人的四肢是由骨骼、肌肉、关节以及韧带组成的多关节弹性结构，这种结构确保人体能够灵活运动，完成复杂动作。对人体的仿生以及拟人机器人的研究是仿生机器人领城的最高目标。另外，人的独特的思维功能也是仿生设计所模仿的原型。
$,$机械手与机器人的设计
华南农业大学工程技术学院的邵耀坚
&9’
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、
（下转第!! 页）
制造业信息化
机电工程技术!""#年第$$卷第%!期
#系统试验
为了采集轴承故障周期信号，需要一套加载测量装置，其示意框图如图$所示。
交流电动机在变频器的控制下，在$""、P"" 和
%!""HT D
承故障信号经加速度计一电荷器放大后幅度处于U)V 范围内为止，数据采集卡循环采集电荷放大器的输出信号，经
S>%"#>SB读取和分析后，将极少字节的有兴趣的信号作
为节点数据，通过无线网络发给主节点S>机，由S>上的系统软件综合分析轴承故障并进行寿命预测。系统实验说明无线设备状态监测网络节点的技术方案可行、但软硬件
图$
测量装置示意图
有待进一步优化，缩小体积和加固结构后，有望应用于运煤货车的轴承故障预测诊断系统等移动设备上。
参考文献：
［%］袁弱男等/无线分布式集成监测网络系统及应用
算机信息，!""#，（3）2$!W$$/
［! ］杨振江/, T X1X T , 转换器接口技术与实用电路
西安电子科技大学出版社1
为了保证采集的连续性，采用具有QRQK 功能的双端口5,+进行循环存储采集的数据，S>%"#异步地从环形缓冲区中读取数据，这样可以保证采样过程无限期地连续、均匀进行。S>%"#的故障分析诊断过程和数据采样过程是异步、并行工作的。数据采集卡上给出一组环形存储器占用情况、是否出现覆盖等标志位，S>%"#>SB通过读取标志来决定何时访问环形存储器。由于采用环形缓冲区结构，S>%"#>SB通过R*,总线访问数据采集卡上的存储器。每次读取数据大小可以不同，即可以自定义存储器页数，整页或按字节顺序读取，采集卡相应调整环形存储器的地址指针，以保证下次数据传递过程正确。
&0(/微计
西安：
&+(/
%))’/
!""%/
［$］杨振江等/智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用
&+(/西安：西安电子科技大学出版社1
第一作者简介：徐荣华，男，%)3’年生，江西临川人，硕士研究生，助教。研究领域：制造自动化网络。已发表论文P 篇。
-编辑：梁玉.
（上接第%%页）
抛植的有序栽植问题。张永军等
&’(
根据人体上肢结构原［0］/拖拉机与农用运输车1!""$1-$.2!34$"/
［! ］张毅，孙友宏，任露泉/钻头泥包的土壤动物仿生学分析研
究［0］/探矿工程1!""$1-!. 2#%4#$/
［$］丛茜，王连成，任露泉等/鳞片形非光滑表面的仿生设计
［0］/吉林工业大学学报1%))’1!’-!. ：%!4%3/
［#］56789:9;7，8?67@
理，提出一种上肢仿生机构，进行优化设计和运动学分析，为制造出灵巧方便的上肢仿生机构提供了理论依据。人体下肢具有缓冲、节能等特点，是一种高效的步行机构，马建旭等
&)(
模仿人体下肢设计的关节式弹性步行机
构，在机器人的小腿中安置弹性装置，通过四组并联弹性元件和以机器人腿外壳为机架的四连杆机构的复合，产生缓冲、储能效果。李明东等
&%"(
C9HI
J;6F K7HFG96?
模仿骨骼肌的工作原理，
*6
［O ］蓝伟明，汪久根，李兴林等/整台涂层的仿生设计及其性能
［0］/浙江大学学报-工学版. 1!""!1$P-%.23’4’!/
［P ］任露泉，徐德生，邱小明等/仿生非光滑耐磨复台层的研究
：34)/［0］/农业工程学报，!""%，%3（$）
［3］邵耀坚/水稻工厂化育秧拨苗机械手及仿生机理的研究［0］/
华南农业大学学报，!""" ，!%（%）：3)4’!/
［’］张永军，杨兰生/基于仿生学的上肢机构研究［0］/机器人，
用*+,丝-形状记忆合金. 来驱动一个微型机器人手臂，将机器人传统的关节驱动方式转变为肌肉驱动方式。
#结束语
自然界在亿万年的演化过程中孕育了各种各样的生物，每种生物都拥有神奇的特性与功能，能够在复杂多变的环境中生存下来。因此，通过研究、学习、模仿来复制和再造某些生物特性和功能，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺，将极大的提高人类对自然的适应和改造能力，产生巨大的社会经济效益。!%世纪是生物技术高速发展的时期，随着人们对生物体认识的深入，仿生设计也将会有更加广阔的前景。
参考文献：
N))’，!" -%.：!"4!#/
［) ］马建旭，马培荪，杨保忠等/四足步行机器人中一种新型履结
构缓冲特性［0］/上海交通大学学报，N))3，$$-3. ：’#34’O"/［%"］李明东，马培荪，马建旭等/形状记忆合金丝驱动的仿生转动
关节臂［0］/上海交通大学学报，%)))，$$-%).：%!’#4%!’3/作者简介：隋宝石，男，%)3P年生，河北临西人，大学本科，助工。研究领域：自动化仪器、设备。
［%］郭志军，周志立，张毅等/深松耕作土壤宏观扰动轮廓分析
-编辑：吴智恒.