仿生結構設計的案例
“來自大自然的驚喜”——仿生設計
大自然就是設計師最好的靈感庫，
自然中的動物、植物以及肉眼不易察覺的微生物都值得我們去發掘和借鑒。
也許現在還有很多人不太清楚仿生設計的概念，以為仿生設計就是一個對大自然事物外形的仿生。
其實不然，仿生設計是對大自然界中的
“形態”、“色紋”、“聲音”、“功能”、“結構”
等為對象，
有選擇地在設計過程中應用這些特征原理進行的設計，在某種意義上，仿生設計學可以說是仿生學的延續和發展。
今天老工則分別以不同的案例來展示每一種仿生方式，希望大家看過后能夠獲得更多的設計靈感~
一、“形態”仿生：
“形態”仿生是仿生設計種最為常見的一種仿生形式。
1、鹿角插座
設計 :佐藤大
該插座的頂部靈感來源于鹿角形態，除了外形的模仿外，它的存在嗨為插座增加了可收納放置的功能，方便
手機充電時的拿取。
2、CLERD-云形狀的空調
設計 :Yeonkyung Jeong
靈感來源于云朵的空調設計，這種更具然的形態設計會令人們的生活空間更舒適。
3、東京2020奧運火炬
設計 :Tokujin Yoshioka
2020奧運會的火炬設計，外形靈感來源于日本國花櫻花的花瓣。
4、小鳥文具
設計 :BKID CO
該設計靈感來源于小鳥，是一款仿生文具盒設計。
展開 大自然是PCM結構設計、行為和理論的源泉之一
高度智能化和大批量生產仍然是功能仿生學未來發展的趨勢。從本質上講，npcm與仿生微結構的集成是實現功能仿生的有效途徑，需要進一步研究。
表2.類自然熱響應系統綜述。
3.3 類似自然的結構設計-功能關系
根據中國古代哲學，《易經》指出，太極作為宇宙的“終極”，產生了陰陽模式，構成了整個世界的基礎。同樣，受大自然的啟發，NPCM也可以根據其側重點分為結構材料和功能材料(圖14)。NPCM的結構仿生學包括模仿干細胞、蜘蛛絲、或竹子的納米結構，并基于納米約束效應實現pcm的包封。然后，許多仿生納米約束結構，包括核殼，縱向，和多孔結構，被廣泛提出。同時，附著力、范德華相互作用和毛細作用在這一過程中也起著重要作用。然而，NPCM的功能仿生學側重于通過功能組件的整合實現仿生功能化。通過功能結構的宏觀構成，實現多功能集成。結構仿生學和功能仿生學的結合是開發下一代NPCM的有效途徑。受半邊蓮(Lobelia telekii)的結構和不凍結特性的啟發，He小組報道了通過微觀結構限制和宏觀功能集成具有太陽能防冰功能的新型NPCM。此外，選擇合適的支撐材料可以事半功倍。得益于易于接枝和MXenes光熱特性，Tang團隊報道了一種具有仿生三明治結構的新型NPCM，它具有優越的光熱存儲能力。同時，陰和陽是彼此產生的。這類似于NPCM的結構設計和功能之間的關系，兩者之間有著千絲萬縷的聯系和相互補充。值得注意的是，結構與功能的整合是NPCM研究的前沿。一個成功的仿生系統不僅需要結構與功能的統一，還需要部分與整體的協調。因此，研究NPCM仿生結構-功能集成具有重要的科學意義，在人體運動、醫學、智能熱管理設備等領域具有廣泛的應用前景。
展開 大自然是PCM結構設計、行為和理論的源泉之一
本文從自然角度綜述了相變材料的結構設計和功能研究的最新進展。通過強調結構-功能關系，詳細討論了人體運動，醫學和智能熱管理設備等先進應用。最后，對仿生設計中存在的挑戰和未來前景提出了看法，即相變材料正圍繞仿生設計螺旋式發展。
關鍵詞：功能應用，自然策略，相變材料，結構設計
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引言
自然一直是并將繼續是一個取之不盡的思想、設計、行為和理論的源泉，科學家們一直試圖模仿這些理論。經過了數億年的進化自然界的生物體現了結構和功能的完美統一。同時，生物體通過結構和功能的密切配合，實現能量的最佳儲存和利用。如電鰻、綠色植物的光合作用、細菌視紫紅質高效的光熱轉化作用等，都為人類開發利用能源提供了巨大的啟示。通常，熱能占全球能源收支的80%以上，是能量損失的主要來源。因此制定高效、可持續的熱能利用戰略是必要的。受自然生物儲能系統的啟發，熱儲能技術得到了顯著的改進，并引起了科學界和工業界的廣泛關注。
目前，相變材料(phase change materials, PCMs)因其儲能密度大、相變過程等溫等優點，作為極具發展前景的材料備受關注。然而，PCM的缺點，如泄漏問題、相分離和過冷現象，導致儲熱效率低，應用范圍窄。在這里，自然策略被提出，為解決這些挑戰提供了一條途徑。具體來說，生物表現出具有獨特微觀結構的物理和化學特征，如竹節可以有效地保持內部水分，六邊形蜂窩具有優異的機械性能。自然策略也可以通過結合仿生策略和納米技術來減輕PCMs的內在缺陷。PCM除了具有仿生結構外，通過模仿生物體的宏觀功能來實現其功能整合是至關重要的。研究人員受北極熊、墨魚和其他生物的啟發，開發了一系列功能性的、類似大自然的PCM，這些PCM已被證明具有廣泛的應用。
展開 回歸自然的——“仿生設計”
好的設計是“有序”的
那怎樣才是有序的設計？
那就是來自造物主——大自然所賦予的
也就是所謂的仿生設計
仿生學主要是觀察、研究和模擬
自然界各種各樣的生物
并借此為自己提供新的設計靈感
所以今天老工整理了
部分仿生設計產品
希望大家能夠從中尋找到新的設計靈感~
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“小鳥仿生”篇
1、筆筒設計
這款筆筒設計來自韓國BKID設計團隊，靈感來源于熱帶鳥的彩色尾翼，清新可愛，曾獲2013年的紅點設計大獎。
2、臺燈設計
設計師靈感來源于鳥兒的翅膀。它的側面是細長的等腰梯形，兩個斜面掏空，讓燈光從兩頭出來。燈罩是微微傾斜的，恰如小鳥斜立的姿態，簡單優美。
這款燈的燈罩是橡木制作的，方向可調，里面有一個燈泡。有吊燈、臺燈和落地燈多種。
3、燈具設計
同樣的靈感來源，這款小鳥燈具的設計師以另一種全新的角度和表現手法設計出了與上圖完全不同的燈具感覺。
4、雕塑設計
設計師
“我注意到人們喜歡撿起鳥，拿著它。這在某種程度上是一種平靜
”，所以設計師將鳥兒重新設計，變成家庭或者辦公室的一種新的裝飾。
展開 
仿生波紋夾層結構建模插件 ￥120
華中科技大學：一種新型3D打印仿生波紋夾層結構三點彎試驗及失效分析
復合材料力學 | 原創作品 | 未經允許不得轉載
以下是付費插件及仿真案例。
仿生結構是如何被運用的？
結果表明與預期一致，結構整體剛度顯著提升，在減小了拉索直徑的同時，增加了索網幕墻的安全度。同時由于其精妙的細節，節點本身也成為了建筑景觀的一部分。
其他
仿生學在結構中的應用由來已久，但大多是存在于結構概念中，二者之間的關系看起來似有似無。但近些年來隨著人們對自然和對結構設計知識的運用越來越成熟，更多實際的設計在大自然中找尋到了規律和靈感。由于篇幅有限，小i就不在這里一一介紹了，下面為大家提供一些圖片，相信聰明的你從圖片中也能看出其中的聯系。
體構造與結構高寬比
細胞結構與支撐形式
風暴形狀與支撐效率
斐波那契數列分布
恐龍構造與懸索橋
蜘蛛網與索網幕墻
展開 仿生纖維水凝膠的設計與應用
【引言】
細胞外基質（ECM）的絲狀結構影響細胞生長和表現，賦予組織獨特的作用。人造纖維水凝膠仿ECM的絲狀和性質，可作為3D細胞培養和組織的支架。不同的納米原纖水凝膠，具有不同的組裝機制、物理性質和應用。人造纖維水凝膠是亞水凝膠，具有仿ECM的絲狀的結構和可調的精度。水凝膠的原纖維決定了它們的機械性能、孔徑和運輸性能。但是結構、生物和物理性質、粘附配體的組織和細胞與ECM相互作用非常復雜，原纖維形態并不足以模擬體內ECM的所有性質。仿生纖維水凝膠將分子或納米膠體結構單元分級組裝成原纖維，然后進行成束、分支，交聯和/或纏結而形成水凝膠。本綜述中，討論了原纖維水凝膠的設計、類型、結構、各向異性、化學功能化，性質和應用。自下而上方法制備的水凝膠，分子或納米顆粒結構組裝成絲狀水凝膠的原纖維；研究天然ECM的纖維成分，模仿水凝膠基質中ECM結構的重要性；分析不同類型的結構單元和組裝機理；比較仿生纖維水凝膠的結構和性質。
【成果簡介】
近日，加拿大多倫多大學的Eugenia Kumacheva（通訊）作者等人，探討仿生人造納米纖維水凝膠的設計和性質；討論肽、嵌段共聚物蠕蟲狀膠束和絲狀納米粒子組裝成纖維水凝膠；研究結構與物理和生化特性之間的關系；研究3D細胞培養和組織工程的潛在應用；比較天然和人造纖維水凝膠的性質和結構。最后，評估當前的挑戰和該領域的未來方向。相關成果以“Design and applications of man-made biomimetic fibrillar hydrogels”為題發表在Nature Reviews Materials上。
展開 十款仿生產品創意設計
04、Kemitt鯊魚頭仿生設計
Kemitt_將鯊魚頭仿生設計，賦予了餐桌可愛的特質。
05、Baby M兒童監視器
在設計過程中，鳥兒的主要特征被提取和簡化，創造出這種獨特的產品形式，使環境、產品和人之間的互動更加有趣。使用時，Baby M像一只棲息在樹枝上的鳥兒，正在向嬰兒唱歌。
Baby M通過技術完善了嬰兒護理的過程。所有功能都可以通過其應用程序進行管理，包括跟蹤嬰兒的健康狀況和管理設備的工作狀態。
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6、榛果便攜快客杯
源自《冰河時代》呆萌、憨憨的松鼠摯愛松果為靈感設計，融入生活日常所見又自帶萌
系基因。突破傳統泡茶的束縛，嵌入式收納，一體成型化設計。
07、
OM lounge chair
設計：ODESD2 design bureau；Igor Pinigin
根據仿生學原理，設計師創造了一種富有表現力的家具，其中椅子的塑料部分像蘭花花瓣，而鋼制底座則像螳螂。OM椅子視覺感官上十分輕巧，具有所有人體工程學特性，并且360度旋轉的特性可讓腿部保持舒適的姿勢。
展開 10個關于“鳥”的仿生設計
仿生設計是設計領域中常見的設計手法，不僅深受設計師們喜愛，也給使用者帶來很大的愉悅感，以自然界萬物為原型，對大自然中的“形態”、“色紋”、“聲音”、“功能”、“結構”等為對象，有選擇地在設計過程中應用這些特征原理進行的設計，生動有趣！
今天我們來看看10個關于“鳥”的仿生設計，希望帶給大家好的靈感~
01、CLIPPY-情緒燈
設計：JunYoung Jang、Joonhyeok Heo
這是一款便攜式夾式情緒燈設計，當把它夾到桌子、沙發或需要照明的地方時，就像一只鳥坐著陪伴你！
02、投影儀
設計：FUFU
FUFU的喙投影儀從鳥類中汲取設計靈感，尤其是巨嘴鳥，它可以將頭和長喙整齊地塞在脖子上。有趣的設計 + 創新的靈感使這款投影機成為您的必備品！
03、小鳥棉簽盒
設計：余杰俊
一只炸毛小鳥的棉簽盒設計，可愛有趣！
04、桌面擺件
設計：Geonwoo Kim
以小鳥形態進行仿生設計，抽象的邏輯和簡潔的表達，賦予產品靈動的生命。
05、小鳥過鏡，不留痕跡
設計：享伽家居
簡單的幾何線條處理，勾勒出憨態的小鳥形象，軟軟的肚皮，可以幫你解決很多小問題。剛洗完澡的浴室，霧氣蒙蒙，鏡子里看不清人影，這個時候，用它撥開鏡中迷蒙，儀式感滿滿。剛切完菜的臺面，雜亂不堪，廚余散亂四處，這個時候，用它掃除桌上臟亂，輕松簡單。用水給它沖個澡，立馬干干凈凈，隨手掛，不占空間！
展開 美國西北大學多材料3D打印仿生螺旋結構
螺旋結構普遍存在于動植物結構中，而這些生物結構往往具有較高的損傷抗性，具有優異的抗斷裂性能。美國西北大學的Zaheri等利用Stratasys開發的多材料3D打印機Connex350對螺旋結構進行了仿生打印，借此研究螺旋結構對結構損傷容限性能。
Zaheri等將研究成果發表分析了甲蟲在不同生命階段的鞘翅中纖維的排布特點，研究發現甲蟲會因為不同生命階段的生物需求，而讓鞘翅中的纖維有不同的排布，如圖1所示，在幼蟲階段，纖維是完全螺旋排布；而在成熟階段，纖維呈現不完全的螺旋排布。原因在于，幼蟲階段，甲蟲最大的需求是保護自身安全，因此高剛度纖維排布；而在甲蟲成熟階段，甲蟲需要哺食獵物，因此鞘翅要平衡飛行性能，所以采用不完全的螺旋排布設計。
圖1 甲蟲在不同生長階段的結構形態：幼蟲（TypeⅠ）和成熟期（TypeⅡ）
文章中對不同螺旋角度對結構綜合性能的影響進行了分析，實驗及分析表明較低的單層螺旋角可產生改善的各向同性和增強的韌性，螺旋結構具有較高的靈活性。
生物中有很多優異的結構可以為人類提供嶄新的思路，為工程中的問題提供解決方案，為新材料結構的設計提供嶄新的設計思路。類似這樣的螺旋結構，3D打印為其研究提供了有效技術支撐，為仿生材料的應用提供了實現途徑，在不久的未來，隨著3D打印科技的發展，仿生方面的研究將進入全新的領域。
來源：機械制造系統工程國家重點實驗室
展開 基于solidThinking的車身外覆蓋件仿生設計
高超 （中智浩云科技有限公司，上海，200000）
摘 要：車身結構的外覆蓋件設計是車身設計中比較重要的部分。傳統設計方法是使用08f鋼板設計車身外形，在四門兩蓋內部加入相關加強梁增加其剛度。在現代設計方法中，仿生學設計越來越受到設計工程師的青睞，樹枝狀結構也更多的被用在建筑和工業領域。本文創新性的采用soildThinking Inspire有限元技術和計算機優化技術，對車身外覆蓋件進行了設計，并利用Evolve進行了車身造型設計渲染。
1 引言
車身外覆蓋設計一直是車身設計中十分重要的一部分，其設計性能的好壞直接與關系著整車安全性能、NVH性能和美觀性。傳統的車身結構是內部車身骨架和外覆蓋件組成。內部由沖壓后的鋼梁經焊接組成“籠式車身”，主要功能是承擔整車的外部載荷，是車身中起最大作用的結構件。外部由鋼板沖壓后的覆蓋板和支撐梁組成，其主要功能是提高覆蓋件剛度，減少噪音， 減輕日常濫用力造成的變形。
隨著新材料新科技的大量應用，傳統的鋼結構外覆蓋件已經不能滿足整車NVH和輕量化的性能，于是碳纖維復合材料等新技術已經大量應用在覆蓋板上。為了進一步提升外覆蓋件的性能，使用拓撲優化等計算機輔助設計成為十分必要的技術。本文利用拓撲優化的技術，在車身覆蓋件設計中選取了樹枝狀仿生設計方案，提出一個新的設計構想。
2 設計背景和思路
傳統沖壓的鋼結構車身零件數量多、裝配工藝復雜，造成產業龐大、供應鏈繁雜。一個車 身從設計到定型需要考慮上下游所有因素，最終的產品往往外形單一、造型平庸。3D打印和復合材料等新技術的出現使現代車身設計成為可能。
本文提出的新型車身設計結構分為三個部分：
1. 內部鋼結構框架，采用傳統或者現代的鋼結構框架，強度大結構簡單互換性好；
2.
展開 
仿生材料的微組織結構對力學性能的影響
生物材料盡管由性能并不突出的簡單組元在相對溫和的條件下組裝而成，但卻表現出優異的綜合力學性能和功能特性，這主要得益于其跨越不同尺度的復雜而巧妙的組織結構，特別是由此帶來的獨特的變形與斷裂機制和強韌化機理。
圖1 原使取向與受力之后微組織結構的再取向
中科院某科研團隊系統地闡明了天然生物材料梯度設計的形式、原則及其起到的作用與機制的基礎上，首次提出了新型材料組織結構取向梯度的概念與設計原則，建立了組織結構取向以及變形過程中發生的結構再取向與材料力學性能之間的系統定量關系，通過控制微觀組織結構取向實現材料的局域剛度、強度與韌性的優化分布與相互匹配，從而提高材料整體的力學性能。
圖2 材料通過微觀組織結構再取向實現綜合力學性能的全面同步提升
同時該課題組發現：材料在加載過程中發生的組織結構再取向不僅可以提高其變形能力，更能夠為實現綜合力學性能的改善提供有效的途徑，如圖2所示。通過調整自身的組織結構與所受外力之間的取向關系，材料在拉伸條件下的剛度和強度逐步提高，同時裂紋擴展路徑逐漸偏離最大正應力方向，因而斷裂韌性得以同步增強；而在壓縮條件下，材料的力學穩定性與劈裂韌性也表現出同步增大的趨勢。因此，材料可以利用有限的變形實現其剛度、強度、穩定性與斷裂韌性的全面提升，而這些性能本身則往往體現出相互制約的關系。
(a) 復合結構在受到壓力之后逐漸偏離正應力方向；(b、c) 取向軸的角度偏離微觀、宏觀表述
圖3
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201705220
來源：材料前沿科技微信公眾號（ID：clqykj），作者：Mr.Five。
展開 受“墨魚”仿生結構啟發制備具有優異熱管理性電磁屏蔽的復合材料
然而，對墨魚自電磁屏蔽偽裝的仿生研究很少涉及。許多大型海洋捕食者，如鯊魚，在很大程度上依賴于它們的嘴和鼻子上的敏感傳感器來捕捉其他獵物發出的電磁波。值得注意的是，當捕食者靠近時，墨魚會通過凍結呼吸來屏蔽其生物電磁場，從而保護自己不被發現。
受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發，可以合理設計一種基于自變形液態金屬網絡的新型智能EMI屏蔽功能材料，同時提供電子器件的自適應熱管理。液態金屬網絡的收縮可以屏蔽電子操作過程中產生的電磁波，就像墨魚在有被捕食風險的情況下屏蔽生物電磁場一樣。同時，收縮的液態金屬網絡還可以增強電子器件的散熱性能。
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成果掠影
近期，上海交通大學鄧濤教授和宋成軼教授受墨魚在被捕食風險時凍結呼吸屏蔽生物電磁場機制的啟發設計一種具有自適應電磁波干擾屏蔽和熱管理功能的功能材料。液晶彈性體基體賦予了LGN-LCE在熱激活下的動態自變形特性，從而使液態金屬網絡具有可調的導熱/導電性。隨著周圍溫度的升高，LGN-LCE的導熱系數可提高到10.3 W/mK，電導率可提高到4.3 × 105 S/m。這種導電性的提高有助于增強LGN-LCE的電磁干擾屏蔽性能，在X波段內，LGN-LCE的最小電磁干擾屏蔽效能可從48 dB提高到62 dB。這項工作不僅為合理設計自適應電磁干擾屏蔽和熱管理系統鋪平了新的道路，而且在熱管理材料、電磁干擾材料、柔性電子材料、智能材料、人工智能系統、生物醫學和航空航天等領域具有良好的實際應用前景。
展開 結構拓撲優化與仿生研究 | 破解樹葉葉脈黃金比例分布之謎
基于自重作用下樹葉變形與等效光照面積的關系，孫直副教授、博士生崔天晨等將葉片和葉脈分別視為薄板與加強筋，分析葉片在自重載荷下的變形，研究葉脈分布對葉片變形的影響，基于結構拓撲優化理論，探求使得樹葉剛度最大化的葉脈分布構型（圖3）。
圖3 典型樹葉的最優葉脈分布構型
研究發現葉脈主干首段與次段（A/B）呈現近似黃金比例分布時，樹葉的結構剛度最大，即樹葉變形最小，從而使其具有最大的等效光照面積，提高葉肉組織的光合作用效率。對自然界中的多種樹葉共百余片進行測量，結果顯示約50%的樹葉葉脈分布趨近于黃金比例，集中分布于1.618±0.01范圍內（圖4）。上述結果初步證實了樹葉葉脈分布是力學性能最優化驅動下的演化結果，該研究結果不僅可以解釋葉脈分布的奧秘，而且為設計天線、柔性電子器件等加筋板殼結構的設計提供了很有借鑒意義的指導原則。
圖4 典型樹葉的葉脈分布統計
展開 Altair Inspire仿生優化設計，簡直酷的不行！
相較于工程師/設計師的工程直覺和經驗設計，利用Altair Inspire拓撲優化后的造型更趨近于有機造型(仿生設計）。因此，拓撲優化技術也可以作為設計靈感的來源，并提供合理的結構以及性能。同時可通過3Dprinting 打印出來。附上設計視頻，來看看吧！
