游隼外形特点在工业设计中的应用

游隼外形特点在工业设计中的应用

翟佃森

齐鲁工业大学（山东省科学院） 济南市 250300

摘要：自人类诞生以来，就将生物的外形应用到了工业设计当中去，从最初鱼形的外观仿生，到现在将鲨鱼外形应用到汽车的外观设计当中的功能仿生。仿生学给产品的设计过程提供了众多思路。游隼是一种中型猛禽，流线型的身型降低了在飞行过程中做产生的空气阻力，本文通过将游隼的结构外形应用到无人机的设计过程当中，来详细的探讨游隼外形特点给设计师带来的灵感。

关键字：游隼 无人机 工业设计 仿生

仿生学作为一个古老的学科，从古代的鱼形花纹到现在的流线型车身，无数的生物的外形以及功能特点给人们在设计创造过程中提供了众多的思路^[1]，并产生了不断从外形以及功能上很经典的产品，比如：水滴型的潜艇外形^[2]；蝇眼透镜；甲壳虫汽车。从功能以及外形方面给人们带来了实用和美观。游隼作为一种生活中高山的中型猛禽看，是世界上俯冲速度最快的生物，最高的俯冲速度达到了300公里每小时，在这种高速度下，游隼进化出完美切合空气动力学的外形为其在高速俯冲过程中提供保护。无人机作为几年来新兴的产品，一开始作为一种玩具面向市场，近年来，越来越多的企业推出适用于不同工作场景的无人机，用来给人类的生活活动提供服务，比如消防无人机，植保无人机，运输无人机等。本文通过对于游隼外形结构的分析，得出对于游隼外形的仿生方法，进而应用到无人机的设计过程中，

一 仿生设计的研究现状

仿生学是科学家通过对于自然界中从其他生物的造型，运作原理等各个方面进行原理以及造型设计的学科，从一开始简单对生物形态进行模仿，到现在对于生物功能深层次科学原理的开发。如B1轰炸机利用了游隼的俯冲状态造型进行设计的飞机外观，可以有效的降低飞机在飞行过程中的空气阻力，在提升飞机的飞行速度的同时减低飞机的能源消耗，提高飞行里程。近年来，仿生学不断引申到产品设计等领域。对于产品设计的发展起到了很大的的推动作用。自然界中充满了很多设计灵感，为人类的设计提供众多的思路。在许多优美得造型中就是以生物造型为原型，通过产品设计得原理运用具化，或者抽象等设计方法进行设计。设计出很多经典得产品。例如：保尔.汉宁森以洋蓟为原型设得计PH灯具系列，雅各布森以天鹅得优美造型进行抽象化得处理，设计出得天鹅椅。这些产品在满足用户需求得同时，通过对于生物形态得仿生很好的赋予了产品优美得造型。

二 游隼外形的无人机设计

2.1游隼外形特点：

游隼作为世界上俯冲速度最快的鸟类^[3]，在俯冲过程中承受来自空气阻力以及地球的重力的强大的压力，身体外形曲线的一点曲线就会导致游隼身体的损伤。因此游隼进化出几近完美的身体轮廓。游隼的外观特点基本可以包括一下几点：首先是游隼体型比较小，最大程度上减少自身身体势能，减少空气阻力对身体的影响。其次在游隼俯冲阶段的时候，游隼的身体呈现一字形，头尾两端小，腹部宽度大， 在头与腹部与尾的不同宽度之间衔接柔顺。整体呈现出比较顺畅的曲线，再次，游隼在俯冲阶段的身体上下部的曲线也有所不同，上部的曲线平直，曲度较小，下部的曲线曲度较大，下部曲线的周长大于上部的曲线长度，因此根据空气动力学的原理，在俯冲飞行过程中，上下部不同的曲线长度赋予了游隼对于飞行动作赋予更高的可控性，在飞行过程中飞行的调整更加可控与高效。最后在游隼的身体披拂羽毛，羽毛之间密集紧密，光顺的体表极大的降低了在飞行过程中的空气阻力，节省游隼在飞行过程中的体能消耗。总结游隼外形的特点，有利于进一步对于无人机的设计过程中提供参考。

2.2无人机的优点

无人机作为近年来新兴的无人运输交通工具越来越多的应用到了工作当中，此次设计的无人机主要按照消防无人机以及医疗无人机的功能要求进行设计，需要符合工作恶劣的工作环境，应急救援需要较大的运输能力。同时工作场地的恶劣的操作环境要求无人机需要具备较高的可控性方便操作人员更好的控制无人机。因此在提高无人机运输能力的同时，需要提高无人机的可控性，因此本文通过对于游隼外观的特点应用到无人机的工业设计当中，提高无人机的可控性。同时通过对于游隼外形的仿生设计，借鉴与游隼给人的语义含义，赋予产品切合游隼语义的造型特征，满足用户对于无人机产品造型的审美需求。

2.3设计原理

此次设计的主题采用双旋翼结构的无人机，因此在外形设计过程中努力做到降低无人机的空气阻力问题。根据游隼上述的外形的几点特点，为无人机的设计提供参考。首先，无人机在飞行行列中体型较小，因此符合游隼体型小的特点，体型小就意味着较小的能耗损失，能够提高无人机在飞行过程中的能耗损失。其次是，通过仿生学知识，对于无人机的设计主题及控制室和运输部分的设计，采用针对游隼主干外形的仿生设计，通过计算机辅助设计软件，参考游隼的轮廓曲线，将曲线应用到产品的外形设计当中，。再次在无人机材料选择上，要选择表面光滑的材料，以期在材料方面降低无人机的空气阻力。最后通过对材料、外形特点、以及功能分区的综合考虑，最终得出无人机的最终设计方案。

2.4无人机的功能分区设计

无人机分为五大部分，第一是给人印象深刻的就是两个螺旋桨式的旋翼给无人机提供动力；第二是功能载体的就是仿游隼外形的机身负责连接控制室、后部运输仓悬挂装置以及旋翼，同时在机舱内部安装了提供电源的锂电池组。第三是在机身的前部的无人机的控制系统仓，主要负责控制信号的输入输出以及为控制着提供视频信号，因此前部控制仓采用了透明材质的材料；在控制仓的下部加装了照明设置，为无人机在黑夜执行任务时提供给照明，方面控制者的操作；第四是无人机尾部的运输仓吊舱，提供了无人机的运输能力，方便无人机携带更多的物资；第五是位于无人机下方的降落支架，采用在支架的外层包裹了软式橡胶，使得无人机在降落过程中更加的稳定。

2.5无人机色彩设计

作为一种应急救援无人机，其外观需要色彩鲜明的外观设计，便于等在救援的人们易于发现邻近的无人机，通过救援者和被救援者之间的沟通，指挥无人机的安全降落，因此摒弃了游隼灰色的色彩，因此选择了三套色彩的设计方案，采用明黄和黑色的搭配方案；以及采用红色与黑色；其次是绿色与深蓝的搭配方案，提高无人机的可识别度。同时根据不同的企业所要求的无人机的色彩的定制方案，可以根据不同公司的需求订制符合企业文化的色彩方案，但是前提必须满足提高无人机识别度的色彩方案。

结语

通过对于游隼外形进行仿生学分析，得出游隼的外形曲线应用到无人机的机身设计当中，降低了在飞行过程中的空气阻力，同时联系游隼的颜色特点应用到了产品外观当中，提高了产品的美观性。在使用过程中，增强了显著性，便于人们在等在救援时，更加容易的注意到临近的无人机。避免在复杂的光线环境下造成人们不能够及时注意到临近的无人机。同时对于游隼外形应用到无人机的案例，为后续的无人机设计提供参考。

参考文献：

[1]石婷婷. 渤海湾南岸湿地鸟类多样性及风电场对鸟类的影响[D].山东大学,2020.

[2]高蓉康. 基于鲨鱼鳍的水平轴潮流能水轮机仿生叶片研究[D].中国海洋大学,2014.

[3]刘明月. 仿生体阻力性能分析研究[D].华中科技大学,2012.

作者简介：翟佃森（1995.11.02）男，汉族，籍贯：山东滨州人，齐鲁工业大学（山东省科学院），18级全日制研究生，硕士学位，专业：工业设计工程，方向：工业设计