仿生學是研究、模仿生物系統，或具有生物系統特征方式，亦或類似于生物系統工作方式的系統科學。通過模仿動植物的形態、結構、功能和行為，從中得到啟發，并在此過程中不斷創新，最終得到接近或超越生物原型的功能，從而解決人類面臨的技術問題，這就是仿生學的思想。這一思想在生物學和技術之間架起了一座橋梁，通過再現生命現象的原理，找到解決工程問題的途徑和方案。仿生學的發展與人類認識自然的水平和層次直接相關。人類對生物功能的模仿已經從最初的宏觀尺度深入到微觀結構和化學結構。隨著人類對生物認識的不斷深入，以及新材料、新工藝、新測試方法的不斷發展，仿生學也進入到一個全新的發展階段。目前，科研人員正在不斷探索，試圖運用仿生學原理來解決人類在日常生產生活中遇到的實際工程問題，并在仿生流體減阻降噪、材料表面自清潔、自修復、抗磨蝕、抗疲勞，以及增效等方面初步實現了工程化應用。

航空發動機是尖端科技的綜合體現，是使用要求與條件最為嚴苛的動力裝置。隨著高推重比、低油耗、高可靠性、長壽命的現代先進航空發動機的發展，其零部件的工作條件變得越來越苛刻。將仿生學的先進思想應用到航空發動機的關鍵零部件中，可能會是一種有效的解決問題的途徑。

仿生學的典型工程化應用

瑞弗（W.E. Reif）等人觀察到鯊魚體表存在許多規則分布的盾鱗，鱗片上存在著沿順流方向排列的V形溝槽，這種結構有助于鯊魚在水中快速游動。根據這一發現，美國國家航空航天局（NASA）蘭利中心在1978年率先開展了鯊魚皮的仿生研究，將大量2.54mm×10.2mm的凸狀物粘貼分布在機身表面，使機身表面阻力減少了6%～8%。此外，空客公司在試驗中將A320試驗機約70%的表面貼上具有溝槽結構的薄膜，達到了節油1%～2%的效果，如圖1所示。

圖1  鯊魚皮體表溝槽形態和具有仿生表面貼膜的飛機

西日本鐵路公司在制造新一代新干線列車時，列車的運行速度超過320km/h，但當列車高速通過狹窄的車道時會產生聲爆效應，所產生的噪聲超過了環境保護標準。設計人員從翠鳥的流線型鳥嘴得到啟發，對子彈車頭進行重新改造，使其直徑逐漸增加，以便讓氣流順暢向后流動。實踐證明這種列車的車速比起原有設計提升了10%，電力消耗降低了15%，而噪聲水平也有了顯著下降，如圖2所示。

圖2  翠鳥嘴和500系列子彈列車

吉林大學根據穿山甲鱗片的磨粒磨損具有明顯方向性的特征，研制了仿生耐磨軋輥，如圖3所示，根據蚯蚓生物體表微觀耐磨通孔結構，研制了仿生耐磨活塞缸套，如圖4所示。

圖3  穿山甲背板形態及仿生耐磨軋輥

圖4  蚯蚓體表形態及仿生耐磨活塞缸套

仿生學在航空發動機領域的應用

沙丘駐渦火焰穩定器

仿生學在航空發動機上最典型的應用就是沙丘駐渦火焰穩定器，如圖5所示。1981年，北京航空學院（現北京航空航天大學）的高歌教授提出了新的燃燒室火焰穩定性準則，并成功研制了沙丘駐渦火焰穩定器，提高了燃燒效率與火焰穩定性，降低了流體阻力和振蕩損失，大幅度提高了航空發動機的合格率。而設計這種穩定器的靈感正是來源于沙漠中新月形沙丘——無論風力大小，這種沙丘依然保持其原有的月牙形狀。這種沙丘駐渦火焰穩定器既適用于航空發動機，又適用于工業鍋爐和船舶等。

圖5  新月形沙丘形態及沙丘駐渦火焰穩定器

仿生減阻降噪

減小阻力和降低氣動噪聲技術是流體機械設計的關鍵技術，可以為機翼、葉輪機、螺旋槳等的翼型設計開發提供理論和實踐依據。

美國賓夕法尼亞州西徹斯特大學的菲施（F. E.Fish）教授通過考察飛魚的鰭和身體尺寸，研究了形態參數的變化與空氣動力學性能的關系。基于仿生學原理，菲施提出一種具有高升力、低阻力特性的仿生翼型設計。此外，菲施模仿座頭鯨胸鰭的前緣鋸齒狀凸起，設計出前緣具有凹凸變化的葉片，可以提高葉片的升力，這種特殊結構也被用于風力發電機葉片和飛機機翼的設計，如圖6所示。

圖6  座頭鯨胸鰭及具有凹凸變化的渦輪葉片

吉林大學孫少明博士以生物耦合特征研究為基礎，應用逆向工程研究方法，量化了長耳鸮的鳥翼形態與構形耦合消聲降噪特征，重構了長耳鸮鳥翼三維實體模型，建立了長耳鸮鳥翼耦合降噪特征的主耦元及次主元仿生模型。并基于計算流體力學及聲學理論，進行了仿生模型氣動聲場有限元模擬分析，探討了長耳鸮鳥翼表面耦合消聲系統的降噪機理。研究結果發現：耦合仿生非光滑形態及特殊翼型構型能夠有效延緩翼型繞流場邊界層分離，并減弱翼型表面流體壓力脈動，進而減少聲能產生。根據生物耦合降噪特征，孫少明博士以標準翼型NACAOO15為基準，進行前緣非光滑改型設計，建立了耦合降噪仿生前緣非光滑形態翼型模型，如圖7所示。

圖7  基準翼型與仿生翼型設計

西安交通大學的劉小民等人也開展了流體仿生減阻降噪方面的研究。他們利用逆向工程方法提取蒼鷹尾緣非光滑形態的降噪特征元素，建立了仿生葉片結構模型，如圖8所示。采用基于馬格林斯基（Smagorinsky）亞格子應力模型的大渦模擬，結合基于LighthiⅡ理論的FW-H方程，分別對仿生尾緣鋸齒葉片和標準葉片的流道模型進行了三維流場及聲場的數值計算。結果表明：仿生尾緣鋸齒結構葉片的總A計權聲壓級比標準葉片降低了9.8dB；葉片尾緣鋸齒結構可以改變流場噪聲峰值的分布規律，從而降低了噪聲峰值，且大部分頻率范圍內的氣動噪聲均有所降低；仿生尾緣鋸齒結構可以改變各截面尾跡渦的脫落位置，從而增大了渦心之間的距離，抑制了脫落渦對尾跡流動的擾動，進而減小了葉片表面的非定常壓力脈動和尾跡渦引起的氣動噪聲。

圖8  蒼鷹翼形態與仿生葉片鋸齒形結構

仿生抗磨減摩

通過減小摩擦實現節能正成為摩擦學界面臨的越來越緊迫的任務，同時實現摩擦的主動控制也是摩擦學研究的終極目標。為此，研究人員在發展減摩技術方面做出了巨大的努力且有所突破，并在基礎研究中努力研究摩擦產生的機理，力圖為減少和控制摩擦提供理論基礎。近年來，利用仿生摩擦學提出的表面織構技術已成為摩擦學領域的一個研究熱點，并在活塞缸套、滑動軸承、密封圈、汽缸、導軌等機械零部件上得到了大量的應用（如圖9所示），起到改善表面潤滑狀態和提高抗磨減摩能力的作用。

圖9  仿生表面織構技術應用

早在20世紀60年代，漢密爾頓（Hamilton）等研究發現不規則微凸體能夠起到提高摩擦副表面潤滑膜承載能力的作用。各國學者己經證實，摩擦副表面并非越光滑越好，具有一定粗糙度能夠存儲潤滑劑，使摩擦副表面更容易形成持續的潤滑膜，從而減少摩擦副表面間的固相接觸，達到減小摩擦磨損的目的。通過仿生織構技術來優化摩擦副表面的微觀幾何形貌，可改善零件的摩擦特性、降低摩擦因數、提高承載能力。這些織構化的表面具有多重作用：表面微小織構可以作為蓄油池，保證在擠壓的情況下，輸運或釋放蓄含的潤滑液，使之仍然彌散在接觸區形成混合膜潤滑；表面微小織構可以吸附磨損下來的微粒，從而抑制磨損和犁溝摩擦；當微小織構設計合理、密度足夠時，還可以提高表面對潤滑液的潤濕性，有利于潤滑液膜的形成；在較高的摩擦速度、充足的潤滑液條件下，表面織構可以作為流體動力高壓囊，產生流體動力壓差，從而減小摩擦阻力。

例如，生活在新疆塔克拉瑪干沙漠的巴基斯坦沙漠蝎子能夠在流沙里自由穿梭，而體表不受到任何損傷。沙漠蝎子背板由幾丁質材料構成，且隨機分布著一些凸包顆粒，背板之間由節間膜連接，這些特征均能有效降低其體表的沖蝕磨損。研究人員根據沙漠蝎子特征，制備環狀、溝槽狀、微米團簇仿生微織構表面，如圖10所示，嵌填在微形貌中的固體潤滑劑，在摩擦過程中不斷釋放，形成均勻彌散、連續致密的自潤滑膜，實現表面承載、潤滑強化的有機統一，可有效改善抗高溫微動磨損性能。

圖10  沙漠蝎子背板及仿生微織構表面

目前，應用在摩擦磨損領域的仿生微織構表面大致可分為三種形式：一是單純微織構表面抗磨損，研究人員在摩擦副表面制備不同形狀的仿生非光滑表面形態，探討最優的微織構分布方式、織構加工距離和微織構深度，使得摩擦副潤滑性能最強；二是將固體潤滑與微織構表面相結合的織構表面自潤技術，將固體潤滑劑通過涂或鍍等方法在織構化表面制備固體潤滑膜，該技術不僅發揮了固體潤滑劑的良好潤滑性能，而且發揮了表面微凹坑的儲存潤滑劑和捕獲磨粒的功能，可以顯著改善摩擦副摩擦磨損性能；三是采用多種潤滑方式的微織構復合潤滑技術，在摩擦副表面采用固體潤滑和液體潤滑復合的新型潤滑技術，即雙重潤滑系統，對于某些要求日益增長的領域極具應用潛力。研究表明：相比單一的潤滑劑，將固體潤滑劑和液體潤滑劑相結合的抗摩擦性能得到顯著提高。

結束語

流體中的仿生表面減阻研究，主要以鯊魚等水生動物為主要仿生對象，以飛行動物為仿生對象的研究開展得很少。仿生降噪研究，主要展開的是以貓頭鷹等飛行動物為仿生對象的非光滑邊緣形態降噪和耦合仿生邊緣降噪，同時也進行了棱紋等仿生非光滑表面形態降噪。但在航空發動機領域，仿生表面減阻離實際的工程應用還有一段距離，還需要大量的基礎與應用研究。

仿生學減摩抗磨技術依然處在基礎研究階段，在航空發動機領域尚無應用。但根據前期的基礎研究成果可以看出，無論是采用單純微織構表面抗磨損技術，還是將固體潤滑與微織構表面相結合的織構表面自潤技術，抑或是采用多種潤滑方式的微織構復合潤滑技術，均可起到減摩抗磨的作用，若能應用在航空發動機發生高溫微動磨損的部位，如榫頭—榫槽、花鍵、軸承襯套等，必將起到重要的作用。

綜上，仿生學在航空發動機領域的應用尚處在起步階段，沙丘駐渦火焰穩定器是其最典型的應用之一，減阻降噪及減摩抗磨是具有廣闊應用前景的兩個方向，在工程應用方面有望取得突破。