机械系统、结构布局、空间设计，这些听上去硬气十足的专有名词只能让人联想到满身的尘土和金属板手，难以想象会有女子参与其中。而上海理工大学机械工程学院有一位奇女子，她曾在国际上最先提出利用最先提出自然界生物分枝系统的最优性进行机械系统和结构优化设计的理论和方法；她设计的电子元器件结构散热性能卓越，还将应用于航天工业；她还能自己种树以进一步了解树状结构……她就是痴迷于大自然“鬼斧神工”的2013-2014年度“上海市三八红旗手”丁晓红教授。

大自然的“鬼斧神工”——仿生

  鸡的骨架为何长成这样？大树的根系为何如此分布？人体内的肺叶为何是这样的形状？破碎玻璃和干涸河床的裂缝为何呈现这样的布局？……在丁晓红教授眼中，大自然冥冥之中的这些“鬼斧神工”都是充满“高技术”的最优结构。对于大自然的“自适应”结构，丁晓红教授把它比作“鸡骨架”：“鸡骨架是任何工程师都设计不出来的作品，因为这种‘自然选择’的构造不仅具备足够的强度和刚度，而且是最轻的”对于像丁教授一样的机械设计者而言，大自然的这种“自适应”设计既有趣，又让人兴奋——如果在机械设计中引入仿生结构，就能实现机械结构的优化。

  丁晓红教授带领团队在国际上首先提出了利用自然界生物分枝系统的最优性进行机械系统和结构优化设计的理论和方法。“对于机械，我们往往都追求‘轻’，因为轻就意味着能耗少、材料少，因而能够达到‘节能减排’的目的。”丁教授说。

她在研究中得出了这样的结论：所有物质流和能量流的最优结构一定是树状结构。她向记者动画演示了给一块板布置的“加强筋”结构：将设计要求与载荷条件输入到她团队自创的软件里，系统就自动生成了一个树状的“加强筋”结构，记者看到，在需要高承重的部分，树状“加强筋”就密集一些，反之，则稀疏一些——如何布局、怎样分枝，用这种方法一算便知。

轻量化与机械性能两不误

  目前，丁教授的这一研究已广泛应用于实践。在经过丁晓红式的结构轻量化设计之后的汽车座椅，不仅实现了减重，而且机械性能也得到了提高。此外，随着电子产品体积越来越小，其散热问题成为一大瓶颈，比如手机如何在狭小空间里散掉大热流？丁教授就运用这一方法对电子产品内部散热通道进行了优化布局，与国际权威的散热通道结构相比，按照她的方法设计的散热通道具有更好的散热效果。同样，这一方法也能运用在航天器的结构设计上，帮助解决小空间的大热流散热问题。目前，不少航天企业也表达了与我们合作的意向。”

  据悉，丁晓红团队的机械结构优化设计方法并不仅仅限于在机械工程领域的应用，还可以广泛应用于社会科学中。比如用它设计供电、供暖管道的结构布局，甚至为某个区域内的便民服务点设在何处提出建议等。

亲自种树找寻生物分枝网规律

  要研究出基于生物分枝系统最优性的机械系统和结构优化设计方法，重点和难点在于摸清生物分枝网的规律，这个规律包括分枝规律和成长规律，即为了达到能量损失最少，把握在什么位置分枝、怎样分枝、分枝的速度多少等等。而丁教授并不是研究生物的专家，要找出这样的规律，无疑属于“高难度动作”，为此，她翻阅了大量有关生物学、医学、林学方面的文献，她甚至还亲自种树，通过给予它们不同的生长环境和条件，来观察它们怎么生长。

  用丁教授团队的方法设计出的机械结构因为都为“树状”，结构比较复杂，这无疑增加了制造的难度。“但这个问题现在完全可以解决，”丁教授说，“随着3D打印技术的兴起与进步，这样复杂的结构都可以用3D打印出来了。而我们也会把制造中的约束考虑到我们的算法中去，以解决制造难度大的问题。”

  目前，丁教授团队基于这一研究，已承担了多项国家自然科学基金项目、国家科技重大专项以及省部级重点科研项目，在国内外权威期刊上发表了多篇论文，获得国家发明专利10余项。在成果应用上，也与多个企业建立了产学研合作关系，取得了显著的社会经济效益。

按照丁晓红教授团队的方法设计的机械结构