由工程师在大自然的帮助下设计

工程师越来越多地转向已经完美的设计，以创造轻量级和优化的产品。一个软件程序 - 也受到自然的启发 - 在手头上优化工作的CAD模型

Jean Thilmany，高级编辑

想要一个高效、环保的设计范例吗?看起来自然。

当工程师们在他们的项目中采用仿生方法时，他们的灵感来自于植物和动物，甚至是我们周围的微生物是如何工作的。大自然有无数的时间来完善它的系统和形状。工程师们没有。但他们可以借鉴大自然的设计方法，至少有一种基于仿生学的CAD和分析技术本身可以提供帮助。

增材制造技术的进步意味着在自然界中发现的不寻常的几何形状可以在今天尝试和可行地制造。

现代仿生学(即工程师在设计时借鉴生物学原理)的一个例子，可以看看日本500系列新干线子弹头列车，它的时速可达200英里。该列车于1992年开发，用于测试未来子弹头列车的技术。对于500，设计师们想要一辆比早期车型更安静的高速列车。

设计师中津英二(Eiji Nakatsu)模仿了翠鸟的喙设计了列车的车头。由于具有空气动力学喙，翠鸟从空中俯冲到水中时几乎不会溅起水花。他说，500不仅比早期版本的子弹头列车噪音小，耗电量少15%，行驶速度快10%。

几年前，加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)仿生微系统实验室(Biomimetic msystems Lab)的研究人员根据壁虎用一个脚趾攀爬墙壁或悬挂在树枝上的方法，发明了一种粘合剂。他们用长而细的聚丙烯纤维制成了这种自洁胶，这种纤维模仿了壁虎脚趾底部数以百万计的毛发状结构——刚毛。

粘合力基于纤维的几何形状：将胶带滑到表面上未透过的纤维在沿相反方向滑动胶带的同时将粘合剂接合，导致它毫无克服，罗纳德担心的是领导的学校电气工程教授。这项研究。

由于工程师可以使用工程分析软件优化聚丙烯纤维的几何形状，这种粘合剂可以变得比壁虎的脚更坚固、更粘。此外，与传统的胶带不同，壁虎胶粘剂摸起来没有粘性，费林说。

制造更轻、更强、更快的东西一直是工程学的目标，而仿生学就是一个可以提供帮助的工具。汽车和飞机公司——仅举几个例子——都希望尽可能地减轻产品的重量，从而减少燃料的消耗，使其易于操作。

其中一些公司——包括空客、波音和沃尔沃——正在使用拓扑优化工具来削减多余的材料和重量。该工具本身是基于从自然的生物过程中衍生出来的算法。

从尸体到飞机
工程师一直在Altair工程中使用Optistruct拓扑优化程序，优化其CAD模型以进行体重和强度。Janine Benyus说，该计划以同样的方式使骨骼增长为轻度而强烈的方式。她是勃朗沙蒙萨的生物化学研究所的联合创始人。，它的使命是促进从生物学转移到可持续人体系统设计的思想，设计和战略。

由Jeff Brennan开发的OptiStruct程序基于人类骨骼的生长方式。布伦南说，作为密歇根大学生物医学研究生，他研究了骨骼生长直接对外部刺激作出反应的理论。

他和他的同事们创建了一个数学模型来表示人体骨骼的生长，该模型可以帮助医学研究人员找到方法来诱导骨骼生长，以治疗骨质疏松症等疾病。布伦南说，他们发现，通过反复试验，骨骼对压力的反应形成了一种最佳结构。布伦南现在是牛郎星公司的首席营销官。

当然，骨头并不僵硬和沉重。相反，它们是多孔的，轻量的，但非常坚固。他说，许多工程结构可以用同样的方式设计。布伦南将骨骼的数学生长模式应用于静态结构，使其具有同样的轻质、强柔韧性。

Brennan的模型现在是Altair拓扑优化计划的基础。工程师使用拓扑优化来发现在整个结构中分配材料的最佳方式，鉴于其对该结构的目标以及它们的一组约束。

布伦南说，现在许多不同行业的公司都使用Altair软件来分析和优化结构的强度、耐久性、噪音、振动和刺耳(NVH)特性，并帮助改进现有的设计。

Benyus说，例如，该软件曾帮助空客公司将某些机翼和飞机肋组件的材料减少了40%。
她说:“这是纯粹的仿生学，通过研究骨骼，然后用数学方法描述它们如何使自己更轻，我们已经能够保存所有这些材料，但你不会看着飞机说，‘这是仿生学’。”“但里面有仿生学，我真的认为这些算法是一些最强大的东西。”

该软件为工程师提供了一种不同的思考设计过程的方式。布伦南说，他们可以使用拓扑优化来指定约束条件，并在创建初始CAD模型之前模拟潜在的设计。他补充说，他们可以从返回的潜在设计中选择最好的，然后进一步优化它们，并根据自己的需要进行调整。

该工具建议的设计可能需要一些额外的重新设计或调整，以便使用传统过程制造。该工具可以提出例如在CNC机器或挤出机的帮助下不能进行的非正统形状。

尽管3D打印正在改变这一点……
由于添加剂制造继续发展，它为工程公司提供了制造非传统设计的能力。因为3D打印机在层后构建了材料层，所以它们可以打印任何类型的几何形状的对象。例如，通过3D打印，可以在复杂或旋转形状中创建设计。它还意味着患者耐用的耐用脂肪可以像假肢或牙科植入物一样可以完全打印到佩戴者的独特形状和规格。

打印机现在可以生产各种材料的物体。将工程级金属引入3D打印，再加上已经存在的一系列工程级热塑性塑料，意味着制造商可以制造出强度高、重量轻、可直接用于最终产品的部件。

看，在空中(黏液的设计)

空中客车继续努力通过生物模拟和增材制造来减轻飞机的重量。

空中客车公司的工程师巴斯蒂安·施费尔（Bastian Schäfer）认为，3D打印飞机部件的能力将彻底改变航空旅行。这些额外生产的轻量化部件将使飞机的重量大大低于今天的型号。更轻的飞机使用更少的燃料并减少其排放的温室气体量。Schäfer说，碳足迹更小的飞机可能会更大、更宽敞，并进行更大、可模压座椅等改进。

对他来说，向3D打印客机的转变始于他的团队两年前推出的打印分区，并继续完善。

Schäfer是他的团队所称的仿生分区项目的项目经理。该项目本身是在空中客车新兴技术和概念小组的职权范围内，由彼得·桑德领导。

该团队在Schäfer下创建了一个3d打印的隔板，将A320的座位区和厨房分开。这个分区比现在使用的7英尺高的分区轻45%。设计团队用许多细长的3d打印金属部件取代了坚固的铝合金部件，形成了与现有隔断相同的形状和尺寸的格子。然后用一种薄的材料覆盖晶格。

Schäfer说，这种性质的分区很大，很重，在设计上可能会有点困难。它需要包括一个足够宽和高的切口，以便医院担架能够通过，并且足够坚固，能够固定从框架上向下折叠的两个座椅，乘务员可以坐在那里起飞和降落。而且它必须能够承受高达16 g力的冲击。哦，而且它的厚度也必须小于1英寸（以节省空间），并且只在四个位置连接到飞机上，以减少连接硬件的重量并便于更换。

考虑到这一切，团队转向了自然。隔板内部的3d打印结构模仿了人骨的结构，虽然很轻，但由于在受力点处密度很大，所以强度重量比很高。Schäfer的团队设计了一个晶格结构，由单独打印的金属块组成，然后组装在一起形成隔断。

位于纽约的Autodesk旗下设计和原型制作工作室Living也在该项目中发挥了作用，它创建了允许模仿人类骨骼的生物算法。

“我们的算法是基于一种叫做黏液霉菌的生物的生长，”该小组的负责人戴维·本杰明(David Benjamin)说。

霉菌生长并拉伸其形状，以最少的线条连接一组点或食物的位置。它也有内置的冗余;他说，每个点至少有两条线相连，因此如果其中一条线失效，这个点仍然与网络或黏液体相连。

“模具孢子是有效的，因为它们使用最少的材料来连接点。他们是多余的，因为当其中一个路径被打破时，网络可以在问题上绕过问题并保持联系，“他说。“虽然隔板的尺寸和材料与粘液模具的尺寸和材料不同，但逻辑是相似的。在我们的应用中，这种方法很好地工作。“

Schäfer计划进一步改进分区现有的设计和构建。他希望通过一次打印更大的结构部件，而不是打印单独的部件，然后再组装在一起，从而在制造过程中省去一个步骤。打印机大小现在限制了这一功能。

Schäfer说，这种隔板目前还没有投产，但随着空客进一步向轻型飞机迈进，这种情况可能会在五年内改变。

虽然在制造空中客车隔板的过程中没有黏液霉菌受到伤害，但这种低等生物很快就会帮助飞机在空中飞行时减少燃料的使用和温室气体的排放。

你可能不想亲自感谢黏菌，但使用黏菌以及其他许多自然设计来获得灵感的工程师可能会为你做这件事。

“牵牛星”工程
www.altair.com

---

了下:3 d CAD世界，3D打印•添加剂制造•立体光刻
标记:“牵牛星”

---