甲虫生物材料的仿生研究进展

在经过长达百万年的进化过程中,甲虫类生物材料形成了具有优异力学性能的优化的结构设计,精巧而强韧的材料拓扑几何和满足多功能需求的表面结构,成为当今材料仿生学新的研究对象之一。本文中从仿生学的角度出发,对甲虫生物材料的微细结构、力学性能测试、功能形态学及材料几何构型拓扑等方面,回顾了近年来国内外对甲虫的脚爪、鞘翅及飞行翅等甲虫生物材料的研究状况和进展,并探讨了在各项研究中存在的问题及今后该领域的重点研究方向。

仿生吸能结构的设计及耐撞性研究

通过观察东方龙虱鞘翅结构特征,设计了一种仿甲虫鞘翅轻质吸能结构。为了降低吸能结构在碰撞过程中的峰值载荷,对吸能结构提出三种改进方案。利用显式有限元技术,以结构的总吸能、峰值载荷和屈曲变形形式为评价指标,对三种改进的吸能结构进行了对比分析,最终得出填加凹槽改进吸能结构缓冲吸能性最好。

基于壁虎干黏附的刚柔耦合捕获单元力学性能研究

针对空间碎片清除和非合作目标捕获等在轨作业中的空间动态捕获问题,设计了基于壁虎干黏附机制的刚柔耦合黏附捕获单元,实现冲击接触下稳定黏附附着目标面。分析了碰撞黏附过程的动态特性;搭建捕获性能测试装置并测定黏附单元碰撞/脱附力和速度等参数的关系,分析了黏附捕获—剥离的力学特性,并指导微重力环境下黏附捕获的参数设置;最终测试装置在失重飞机上完成了微重力环境下的自主黏附捕获。结果表明:基于干黏附的捕获单元能够满足空间捕获的应用需求。

仿生机器人的研究进展

在对仿生机器人进行分类的基础上介绍了一些已经投入应用的或正在研制中的仿生机器人.提出了仿生机器人研究的未来发展方向.

倾斜仿生刚毛的设计、制备及黏附性能研究

依据JKR理论,从几何仿生角度出发设计并制备了2种具有斜截面的倾斜人工刚毛.理论计算表明:刚毛支杆倾斜20°,斜截面为45°时,刚毛具有较为理想的黏附性能,且具有这种结构的刚毛可便利地调控吸附和脱附.利用微摩擦试验机测试了人工刚毛表面的黏附性能,结果表明:在无滑移的平面接触下,刚毛阵列的黏附力随法向载荷增加而增大,当法向载荷超过一定值后,黏附力增加缓慢并趋于饱和;法向载荷为30mN时,刚毛无滑移卸载所产生黏附强度约为2.4kPa,略高于逆向滑移后卸载所产生的黏附强度2.2kPa,而正向滑移后卸载所产生的最大黏附强度较逆向滑移后卸载有明显增加,达3.1kPa,增加了近41%;短距离的滑移可增加黏附力,但随着滑移距离加大,黏附力随之下降.

东方龙虱鞘翅微结构及力学性能研究

生物材料优化的几何拓扑和轻质高强的特点对航空航天结构和材料设计具有重要启示．用扫描电子显微镜、原子力显微镜和粗糙度仪观测东方龙虱鞘翅的表面形貌和截面微结构,结果表明其表面非常光滑,Ra0．725 μm,与磨削加工表面相当;鞘翅上有规律的分布着微米级的凹陷; 横截面可见交错的空腔和孔道结构,材料绕空腔或孔道成层状分布．用纳米压痕仪测试东方龙虱鞘翅的硬度和弹性模量分别为0．473 GPa和8．16 GPa,显著高于花金龟、巨锯秋甲、双叉犀金龟的值;鞘翅的机械性能有明显的分布特征,该结果为开展轻质结构的拓扑优化和复合材料设计提供了很好的启示．

几种刚毛的结构及其仿生学

动物体表的刚毛形态各异,功能多样,不仅参与感觉器官的构成,还是重要的运动器官。刚毛在运动中的功能因结构不同而异。文章主要介绍了蟑螂(Periplaneta americana)尾须的结构和仿生应用、强疏水性刚毛使得水黾(Gerris remigis)和捕鱼蛛(Dolomedes trition)在水面行走的机制、跳蛛(Evarcha arcuata)和壁虎(Gecko japoricus,Gekko gecko)脚底刚毛的粘附机制和仿生学研究,以及蜣螂(Copris ochus,Motschulsky)刚毛的减黏脱附功能及其仿生学应用。

离子聚合物金属复合材料电致动模型研究

离子聚合物金属复合材料(ionic polymer-metal composites,IPMC)是一种新型电致形变高分子材料,具有广阔应用前景。为了有效描述IPMC的形变规律,基于IPMC致动原理提出了一种电致动模型。建立了阶梯电压下IPMC膜内水合阳离子的力平衡方程,由水合阳离子的浓度分布及水分子的扩散计算得出水分子的浓度以及含水量分布,结合实验所确定的含水量和应变的关系从而确定IPMC沿厚度方向的应变分布。该计算方法适用于不同形状的IPMC致动器。以悬臂梁IPMC致动器为例,通过应变分布计算得到IPMC致动器在阶跃电压下的输出弯矩和相应的位移响应,模拟结果与实验结果的瞬时响应规律高度一致,证明该模型正确。该模型的建立为IPMC结构驱动一体化设计奠定了坚实的基础。

多组份硅橡胶基末端膨大二级结构粘附性能研究

本文在前期工作基础上,在仿生刚毛一级结构末端固化1层粘附层,制备出末端膨大二级结构,用UMT测试其粘附性能.结果表明:正向滑移单根阵列支杆产生的切向力为5.3 mN,5倍于一级结构的刚毛;末端膨大结构的粘附层因材料组份的不同,其粘附阵列产生的切向粘附力明显不同;倾斜的末端膨大二级结构具有各向异性的粘附特性,正向滑移产生的切向力是逆向滑移的切向力的3.5倍.

仿生黏附材料的黏附性能评价及初步应用探索

针对空间微重力条件下固体间稳定黏附的技术需求,基于范德华力黏附作用机制的仿生黏附材料有望在空间环境中展现稳定黏附性能。通过模板法和化学气相沉积法制备出具有仿壁虎刚毛纤维阵列结构的聚乙烯基硅氧烷(PVS)高分子聚合物及垂直定向排列碳纳米管阵列(VACNT)仿生黏附材料,再由扫描电子显微镜、黏附-脱附行为测试平台对仿生黏附材料的微观结构及黏附行为进行了测试,并对种子、粮食颗粒及常用零部件的黏附固定效果进行了初步考察。结果表明,仿生黏附材料具有微纳米级刚毛结构。PVS具有稳定的可重复黏附特性,其法向黏附性能优于切向黏附性能,与蘑菇状顶端在黏附中发挥主要作用有关。而VACNT具有稳定的切向可重复黏附特性,其切向黏附性能优于法向黏附性能,是由VACNT黏附主要依靠侧面接触决定。VACNT和PVS对不同品种的生菜种子和粮食颗粒均能产生有效黏附固定,PVS还能够对空间站常用到的零部件进行稳定固定。

仿甲虫鞘翅轻质结构的力学性能研究

在对鞘翅断面微结构观测的基础上,根据鞘翅轻质结构的特点,设计了三种仿鞘翅轻质结构模型。利用有限元法对三种结构进行压缩力学性能分析,得出三种结构的载荷-位移曲线,并比较了三种结构的比刚度、比强度值。同时制造出了结构模型进行了准静态压缩实验,将实验结果与有限元分析结果进行了比较,证明了有限元分析结果的有效性。

仿生轻质高强韧夹芯结构设计及其韧性性能分析

复合材料轻质夹芯结构因其优异的力学性能被广泛应用于航空航天领域。本文在对白星花金龟鞘翅断面形貌观测的基础上,根据鞘翅表皮层中纤维铺排方式以及微观结构特征设计了仿鞘翅轻质高韧夹芯结构。并利用有限元法对复合材料双螺旋铺层面板以及仿生鞘翅夹芯结构进行三点弯曲力学性能分析,对结构韧性进行分析和评价;进一步对夹芯结构进行承压性能分析。结果表明与传统蜂窝夹芯结构相比,所设计的仿鞘翅复合材料夹芯结构具有更优异的韧性,且与蜂窝夹芯结构承压能力相当。该研究对新型轻质高强高韧复合材料结构设计具有一定的参考和指导意义。

离子聚合物金属复合材料电学性能研究

建立了电流测试平台,并对不同IPMC进行电流测试分析,为IPMC材料的改性提供依据。选用TBC0.5A02电流传感器设计电路,采用NI PCI-6024E数据采集卡,通过LabVIEW程序编写采集程序,并对采集到的电流传感器的输出信号进行处理。将固定电压施加在一系列固定的电阻上,从而建立电流传感器输出值和输入值的关系,实现实时测量流经IPMC的电流。通过比较商业膜基体IPMC、自制膜基体IPMC以及TEOS改性膜基体IPMC在不同正弦电压信号下的电流值,证明该测试系统是可行的。

硼碳氮材料的研究进展

硼碳氮材料以其优异的机械、电学和光学性质,在工业领域、光电子领域等方面具有广阔的应用前景。对硼碳氮材料的研究进展作一综述,介绍了材料的结构特性、性质特点、制备方法、表征手段以及在器件方面潜在的应用。结合本实验研究小组的工作,阐述了硼碳氮材料的结构以及其高硬度特性。

壁虎脚趾运动调控的研究

本工作观测了支配壁虎前、后肢运动的外周神经,研究了神经对脚趾运动模式的调控关系,记录了摩擦脚底诱发的传入放电活动,依据神经与壁虎脚趾运动的调控关系和脚掌外翻-屈趾内收-扭动的运矾程序,进行计算机编程,连续对不同神经进行相应的时-空编码的程序刺激。CCD摄像头同步摄像的结果显示,计算机编程可制导壁虎脚掌产生外翻-屈趾内收-扭动一系列运动。壁虎脚趾运动调控的研究为仿生壁虎机器人控制系统的设计提供了生物学依据。

仿壁虎脚趾结构设计及粘附运动性能测试

壁虎具有在各种表面(如地面、墙面、天花板)上运动的超凡能力。根据大壁虎的脚趾结构及其粘附方式,模拟大壁虎脚趾,设计具有微小粘性褶皱和柔性悬臂结构的仿壁虎脚趾。用多用途摩擦粘附性能试验台,测定仿壁虎脚趾的粘附性能,即仿壁虎脚趾最大拉伸粘附力大小与粘附次数、拉伸角度、粘附轨迹等参数的关系。试验表明模拟壁虎脚趾研制的新型粘附脚趾具有和生物壁虎脚趾相近的粘附力学特性。将此脚趾用于仿壁虎机器人,成功地实现了仿壁虎机器人的90o爬壁。

四种甲虫鞘翅的力学参数测定及微结构观测

研究了4种甲虫(白星花金龟、东方龙虱、独角仙、毛黄鳃金龟)鞘翅的材料力学参数及其微结构。鞘翅截面微观结构观察表明,这4种甲虫鞘翅均由鞘翅背壁、中空夹芯层和鞘翅腹壁构成,背、腹壁之间由桥墩状几丁质纤维空心柱体结构连接,两鞘翅间以凹凸啮合结构联接。用纳米压痕仪测得这4种甲虫鞘翅背壁致密层的弹性模量均值分别为9.08、8.21、4.76、6.00 GPa,硬度分别为0.44、0.48、0.18、0.18 GPa。用多功能材料性能实验机测定白星花金龟、东方龙虱、独角仙鞘翅之间的联接强度分别为46.43、7.38、11.34 mN/mm。该研究为轻质结构的设计提供了仿生学基础。

仿壁虎机器人研究综述

首先,详细介绍和分析了国内外仿壁虎机器人的研究现状.然后,讨论比较了仿生壁虎机器人所涉及的关键技术的优缺点.最后,在前面分析比较基础上对未来的发展趋势进行了预测.

中医色诊图像采集系统的设计与实现及实验研究

研制中医色诊图像采集系统。整体制作为箱体式上下结构,系统选择色温5 500 K的氙灯模拟日光光源,反射率大于96%的聚四氟乙烯悬浮树脂涂层积分球漫射照明,分辨率为4 752像素×3 168像素的调谐数码相机采集图像。长时间光源稳定性和光线均匀性实验表明:图像采集系统光源稳定性大于99.1%、显色性大于95%,光线均匀性大于98.6%;不同照度下,图像色度偏差小于1.24%;40例中青年和60例老年人面部图像采集实验证明:面部图像采集系统可以用RGB和Lab颜色空间的数据准确定量人脸面部的特征色诊信息,采集的数据可为中医色诊信息的客观化研究提供参考。

TC21钛合金微动磨损特性的研究

采用SRV磨损试验机研究了TC21钛合金与0Cr13Ni8Mo2Al不锈钢配副件的微动磨损特性;用正交实验法设计实验,系统研究了微动频率、法向载荷、微动振幅对钛合金磨损量的影响,测试了不同实验条件下摩擦系数与循环次数的关系。结果表明:微动振幅对磨损量的影响高度显著,法向载荷的影响显著,微动频率有影响但不显著;在微动过程中摩擦系数呈现出阶段性变化,同时变化幅度随着微动频率的增加逐渐减小。TC21微动磨损发生的初期,其磨损机制主要以磨粒磨损为主,随着微动的进行剥落磨损和粘着磨损的作用逐渐明显。