蜻蜓翅膀结构在仿生学的应用

1、蜻蜓翅膀结构在仿生学的应用班级：自动093 姓名：徐一茹 学号：0904010130一、 前言简单地说，仿生学就是模仿生物的科学。中国古代老子的核心思想之一：道法自然，意指按自然的启示和规律行事。1960年9月在美国召开了第一届仿生学讨论会，大会提出“生物原型是新技术的关键”的论题，确定了仿生学的定义和概念仿生学就是模仿生物系统的原理来建造的技术系统，或使人造技术系统具有类似于生物系统特征的科学。仿生学的思想是建立在自然进化和共同进化的基础上的。大浪淘沙，在生物界“优胜劣汰”自然法则之下，经过亿万年的自然优化，留存下来的各种生物形态，往往是力与形式的完美结合蜻蜓是无脊椎动物，昆虫纲，蜻蜓目，差

2、翅亚目昆虫的通称。一般体型较大，翅长而窄，膜质，网状翅脉极为清晰。视觉极为灵敏，腹部细长、扁形或呈圆筒形，末端有肛附器。足细而弱，上有钩刺，可在空中飞行时捕捉害虫。蜻蜓形态优美被誉为“飞行的宝石”。身上有多处结构能给仿生学提供研究对象。本文主要从两个方面介绍蜻蜓的翅膀结构在仿生学的应用。二、蜻蜓翅膀结构：蜻蜓的翅膀主要翅脉和翅膜组成，还包括翅痣和关节。蜻蜓的翅膀仅占其体重的2%左右，翅膀的前缘和后缘呈流线型，增加了它的灵活性。（1）翅脉 翅脉是翅膀的主要支撑结构。翅脉按纵向结构分布，有刚度较大的前缘脉，亚缘脉以及径脉，中脉，后肘脉和臀脉，再辅以横脉，它的前缘脉，亚缘脉和少部分横脉刚度较大，但有

3、一定的柔韧性，而其余的纵脉和横脉刚度较低。有非常好的柔韧性。翅脉是管状结构，既减少了重量有增加了刚度。（2）翅膜翅膜是翅膀的主要的空气动力结构，它非常薄，一般只有2.3微米，但可以分为背部层（dorsal layer）、中间层（middle layer）和腹部层（ventral layer）。蜻蜓前翅表面覆盖了蜡质层，包含三种交错的纤维，这些纤维有两个功能：一是支撑翅膜，二是承担来自临翅脉的弯矩和扭矩，这层蜡质不能被水浸润，正是蜡质的存在，才使蜻蜓翅膀具有自清洁和防雨的功能。（3）翅痣翅痣是翅膀前端一块加厚的角质区域（如右图所示），翅痣是空腔，里面有液体。这块芝麻大小的结构极具意义，他消除了飞

4、行过程中翅膀的震颤。Norberg对蜻蜓翅膀研究时发现，一块翅痣的质量虽然只有蜻蜓总体质量的0.1%，却可以提高临界飞行速度的10%20%。（4）关节关节也叫翅节（如左图所示），在蜻蜓翅膀前缘的中间位置。有一个特殊的节点，将翅膀的前后两部分铰接在一起，其两边的结构可以相互转动但不能分离，提高了蜻蜓膜翅的变形能力。这种关节的结合方式在一定程度上起到了缓冲载荷、保护翅面的作用。同时关节处还相当于一个减震器，缓解高速拍翼时产生的震动。三、蜻蜓翅膀结构在仿生学当中的应用这个部分主要分两个方面介绍蜻蜓翅膀在仿生学上的应用，一是在飞行器上的应用，二是在建筑方面的应用。（一）蜻蜓翅膀结构在飞行器方面的应用蜻

5、蜓的飞行能力是经过3亿多年的进化锤炼而成的，它们能作各种高难度、高机动性飞行动作，它们的翅膀产生的升力可比同样面积的飞机翅膀高10倍以上，因此，在飞行方面蜻蜒有许多值得人类借鉴的地方。现有的飞行器基本上都是采用固定翼或旋翼飞行方式，而自然界的飞行生物无一例外地采用扑翼飞行方式。与固定翼和旋翼飞行相比，扑翼飞行具有独特的优点，如原地或小场地起飞，极好的飞行机动性和空中悬停性能以及飞行能耗低，它将举升、悬停和推进功能集于一扑翼系统，可以用很小的能量进行长距离飞行，适合在长时间无能源补充及远距离条件下执行任务。因此在机动性、能耗和远距离飞行方面，扑翼飞行比固定翼和旋翼色行更具有优势，这些也正是飞行器

6、所期望具备的。但另一方面，作超高速飞行时展开的机翼又是不利因素，它们将增大飞行的阻力。为了保证飞行器在高推动力下作超高速飞行时降低或消除机翼的阻力，可将机翼与机身连接处设计为可开合的活动关节，将机翼完全或部分收拢、折叠在机身内，而当需要进行高机动飞行时，再象蜻蜒等昆虫那样展开机翼作扑翼飞行。蜻蜒等昆虫能够在强风和复杂环境下悬停或稳定飞行，主要原因是它们的翅膀以及身体可根据外界条件的改变，产生自适应变形，使飞行器能像蜻蜒等昆虫那样作高频扑翅运动。基于蜻蜓翅膀独特的网状翅脉结构特征与功能，以及高效节能的拍翼飞行方式，可以仿生柔性机翼模型，它们由多层复合材料薄板和管状的梁组成，且在管状梁中充填电致硬

7、化液体，在机翼的前缘设置类似于翅痣的制振、消震装置，在翅膀前缘靠近中部位置，设置可活动铰。分析蜻蜒作扑翼飞行时这种网状翅脉结构、翅痣、可活动关节以及翅膀中的充液对蜻蜓作高机动飞行时的飞行姿态控制和翅膀颤震的制振作用，从而用于指导新型智能飞行器作扑翼飞行的柔性机翼仿生设计。（二）蜻蜓翅膀结构在仿生建筑方面的应用（1）建筑仿生学的研究意义建筑仿生学作为仿生学的一个分支，具有相对独立的一些特征。它以生物界某些生物体功能组织和形象构成规律为研究对象，并通过这些研究成果的运用来丰富和完善建筑的处理手法，促进建筑形体结构及城市布局体系的形成。当代仿生建筑已不仅是单纯外形上的模仿。（2）分析蜻蜓翅膀结构所得

8、启示1)蜻蜒翅膀网格形式多样承受主要轴力和弯矩的主脉和其附近的横脉、从脉等多形成四边形网格。面其他区域的从脉多形成不规则的五边形，六边形网格。多样的网格形式，保证了蜻蜒翅膀用最少的材料获得了结构所需的刚度。传统的空间网格结构，在同一结构中网格形式往往较为单一这在结构计算及构件制作上具有很大的便捷性，但不一定是最优化的结构形式。我们可以像蜻蜒翅膀一样，根据实际载荷情况在周一结构中采用不同形式的网格。2)蜻蜒翅脉“主次”分明，管径相对较粗的主脉，承担着主要的轴力和弯矩，对整个结构起到骨架支撑作用。从脉几乎不承担或承担很小的弯矩和轴力，但是它对结构的整体刚度和稳定性起着重要的作用。空间网格结构的设计

9、也可以像蜻蜒翅膀结构一样，使结构中的网格达到“主次”分明。3)蜻蜒翅膀可视为一悬臂结构，它有着特殊的三维空间结构。翅膀前缘的起皱和翅弦方向的起拱大大提高了翅膀的抗弯刚度。空间悬挑网格结构设计中也可以模仿这种起拱和起皱结构，以实现结构良好的抗弯刚度，4)蜻蜒翅膀是由管状的翅脉和有少许抗弯刚度的翅膜组成的网状结构，翅膜对整个翅膀结构刚度的提高起到了重要作用。翅膜在外力作用下受到张拉，结构的抗弯刚度因应力刚化效应而得到了提高。如果将翅脉视为“梁”，翅膜视为“薄壳”，则让“粱壳”协同工作共同承受外力不失为提高悬臂结构刚度的一个有效途径。5)蜻蜒翅膀纵横翅脉连接形式的多样，相邻横脉有相交在纵脉上的同一点

10、，有错开连接等分析得出：对于起皱结构，同一点连接要优于错开连接；而对于有壳起拱结构，交错连接所获得的抗弯刚度要大。对于无壳起拱结构，需根据起拱的高度来评判连接方式的优劣。6)位于蜻蜒翅膀前缘接近翼尖处的翅痣，能有效消除蜻蜒飞行过程中的颤振对于大跨度空间悬挑结构，我们可以模仿蜻蜒翅膀在悬挑自由端施加一和“翅痣”有类似功能的“重物块”来消除地震和风致振动带来的危害。四，总结 蜻蜓的翅膀尽管只有薄薄的一片，但它里面所愿喊得是积累了亿万年的智慧。仿生学的研究就是在于用现在的科学技术手段发现并掌握这个智慧。 本文研究了蜻蜓翅膀结构在智能飞行器和仿生建筑方面的应用，关系到人类的“住”和“行”。有效寻找和利用自然界生物的成长规律来适应人类社会发展的需要，这就是建筑仿生学的主要任务。研究意义既是为了用类比的方法从自然界中吸取灵感进行创新，同时也是为了与自然生态环境相协调，保持生态平衡。自然界是人类最好的老师，吸收动物、植物的生长机理以及自然生态的规律，结合人类工具的自身特点而适应新环境，无疑是最具有生命力的，也是可持续发展的保证。五、参考文献【1】赵力掠过空中的宝石一蜻蜒大自然探索，2002，