Mechanical Characteristics of Typical Plant Leaves

Plant leaf is a natural composite biomaterial, and its strength is closely related to the microstructure. In this paper, themechanical characteristics of eight species of plant leaves were investigated and analyzed. The ultimate strength of leaves andthe hardness of leaf surfaces were measured by using universal testing machine and nanoindenter tester, respectively. The tensilestrength of the parallel microstructure was investigated based on its cross-sectional mechanical model. The results of tensiontests indicate that the ultimate strength of a leaf is related to the material composition and structure. The coriaceous leavesusually exhibit higher tensile strength. For example, the Phyllostachys pubescens leaf can achieve the maximum ultimatestrength of 5.9091 N·mm. It is concluded from the results of hardness tests that material components of leaf surface caninfluence the surface hardness evidently. The leaf surface composed of more lignin and cellulose materials shows a highersurface hardness than that composed of more carbohydrates materials.

防风仿生挖掘铲的设计与试验

针对河北一年生栽种防风采收过程中挖掘装置挖掘阻力大、碎土能力差等问题,设计了一种防风仿生挖掘铲。结合仿生学原理,采用高精度三维扫描技术对鼹鼠前爪最长的第3趾进行仿生数据采集,运用Imageware逆向设计软件对第3趾点云数据进行处理,以获取轮廓曲线点云数据,并经MatLab软件进行数据拟合得到仿生铲结构曲线。根据根茎类中药材挖掘铲设计原则及栽种防风农艺要求,确定仿生铲关键性能参数,并建立三维模型。利用EDEM离散元仿真分析软件从减阻性能、碎土性能两方面对仿生铲和普通铲的挖掘性能进行对比分析,结果表明:同一仿真条件下,仿生铲减阻率为12.50%,碎土率提升2.92%。通过土槽试验验证仿生铲的挖掘性能及离散元仿真模型的准确性,结果表明:仿生铲减阻率为13.42%,实测值与仿真值相对误差为6.86%,仿生铲具有较好的减阻和碎土性能,所构建离散元仿真模型准确程度较高。

智能固定翼植保无人机设计研究

以植保无人机为研究对象,探索利用智能化固定翼垂直升降结构提升植保无人机产品性能的设计方案,在于改进传统植保无人机的工作效率低、机械外观差、操作困难、功能单一等缺点。对现有植保无人机进行调研,分析产品痛点;通过用户研究挖掘产品创新性,对目标用户使用植保无人机的行为体验和心理特征进行分析评估,收集问卷数据,量化用户对产品的需求。通过用户研究解析用户需求结合植保无人机的设计原则和要素制订智能化固定翼植保无人机的方案设计。采用形态仿生方法设计一款智能化固定翼植保垂直升降结构的无人机,并对人机交互界面进行简化设计。在满足改进植保无人机功能使用的同时,通过形态仿生造型赋予产品一定的趣味性,与用户进行社会、文化、精神等多层面的情感沟通,从而赋予更深刻的艺术精神和内涵。

基于植物仿生的产品设计研究

探讨了基于植物仿生的陶瓷产品设计领域的方法,案例解析、展示了植物仿生设计的实际应用,以及植物仿生设计在促进环保和可持续发展方面的潜在价值。通过陶瓷产品的仿生设计分析,旨在提供利用自然界的智慧来解决当代设计问题的方法,让设计帮助陶瓷产品在市场竞争中脱颖而出。

植物叶片仿生伪装材料的设计与制备

设计和制备了一种新型的植物叶片仿生伪装材料,其由透明聚氯乙烯表层、叶绿素/聚乙烯醇薄膜、含水高阻隔袋和纸张四层组成。其中,透明聚氯乙烯表层提供防水性能,叶绿素封装于高隔氧材料聚乙烯醇中提高了其光稳定性,水封装于高隔水材料中降低了其蒸发散失速度,纸张提供了类植物叶片的疏松多孔结构。光谱测试结果表明,该仿生伪装材料在可见光、近红外和短波红外波段的反射光谱特征与植物叶片一致,相似度可达0.9983,室外日光照射三个月后仍能保持与植物叶片一致的反射光谱特征。该伪装材料与植物叶片光谱相似度高,耐候性好,有望可以有效对抗高光谱侦察。

植物结构仿生学在工业设计中的应用研究

植物结构仿生是在仿生学的基础上发展起来的,通过研究自然界植物系统的优异结构和功能特征,并有选择性的在设计过程中应用这些结构原理和特征进行设计.论文从肌理结构、负荷结构、疏水防粘结构、动力结构、抗性结构五个方面阐述植物结构仿生,并探讨了植物结构仿生设计的多重特点以及高分子材料仿生、智能信息控制等发展新亮点及其带给工业设计的启示,倡导工业设计师在师法自然的仿生设计哲学指导下,在设计中引入植物结构仿生学概念,以创造出符合现代需求的众多产品,并促进工业设计及其相关学科的进一步发展与完善.

植物非形态仿生在工业设计中的应用研究

确定植物非形态仿生的概念和范畴,从功能、结构、运动3个方面阐述工业设计中的植物非形态仿生,并探讨了其多重特点以及智能信息控制、高分子材料仿生等发展新亮点及其带给工业设计的启示,以期丰富工业设计的思路和方法,为工业设计的发展起到一定的推动作用。

基于鲟鱼头部曲线的植保分禾吊杆组合装置设计与试验

针对作物生长中后期进行植保作业时茎叶背面及植株中、下部雾滴沉积较差的问题,以鲟鱼头部曲线为仿生原型,进行了植保仿生分禾与吊杆组合施药装置设计与试验。基于仿生构建提取了鲟鱼头部轮廓曲线,实现分禾叶片结构仿生,并分析了茎叶减伤机理,通过理论分析建立茎秆弯曲和回弹数学模型,确定了分禾叶片宽度、喷头距分禾叶片尾端距离等关键结构参数。运用ADAMS仿真软件模拟分禾叶片与茎秆的接触全过程,检验仿生分禾叶片相对于原型圆弧分禾叶片的降阻减伤效果。通过正交旋转组合试验探讨结构及工作参数对行进阻力及雾滴沉积度的影响规律,采用蚁群算法对数学回归模型进行多目标优化,获得Pareto最优解集,确定最佳参数组合为行进速度7.0 km/h、倾斜角16°、距地高度155 mm,在此参数组合下行进阻力38.7 N,平均雾滴沉积度31.5个/cm^2。田间性能试验表明,试验结果与优化结果误差较小;与传统施药方式相比,仿生植保分禾与吊杆组合装置能够显著改善雾滴在植株中、下部的沉积情况,其变异系数为5.3%;与现有原型圆弧分禾装置相比,仿生分禾装置可使雾滴沉积度提高13.6%、前进阻力降低20.7%,行进阻力变化趋势与仿真结果误差较小。

植物叶表面非光滑形态及其疏水特性的研究

通过实验筛选出典型的几种具有疏水性、防粘性(以竹叶为代表)的植物叶片,用电子显微技术对叶表形态进行了SEM电镜扫描,并借助仪器对叶表面的水滴接触角进行测定,分析结果表明:植物叶片非光滑表面结构、表面附属物、表面材料的质地不同,对其疏水性、防粘性均有不同的影响。叶表面非光滑且附蜡粒的形态,其疏水性强,反之则弱。本研究将为工程仿生制造与设计提供宝贵的信息源。

仿生植物处理城市生活污水研究

选择成本相对低廉的3种不同材料构建仿生植物,研究不同材料构建的仿生植物对污染水体的净化效果,筛选出性价比较好的仿生植物材料,并分别进行原位挂膜培养和专有菌株挂膜培养。结果表明,原位培养的生物膜对COD去除效果较好,平均去除率为76.92%;专有菌株培养的生物膜对氨氮的去除效果较好,平均去除率达到了91.47%;2种挂膜方式对TP的去除率较为接近,平均去除率分别为73.04%和70.43%。

湖南珍稀濒危植物迁地仿生护存的初步研究

由于人为破坏和环境条件的恶化，许多植物资源处于濒危灭绝状况，一种植物的灭绝，又将导致10～30个生物种的消失．为了保护珍稀濒危植物，保护生态环境，根据迁地护存植物的生物学特性、生态学特性及其原产地的生态环境条件，应用植物引种原理，从1986年开始，在湖南省森林植物园，对湖南和邻近省的一些珍稀濒危植物进行了迁地仿生护存的初步研究．共迁地护存珍稀濒危植物124种，现保存118种，保存率95．16％．其中，湖南省分布的国家级珍稀濒危植物57种，邻近省的27种，省级保护植物34种．这些植物中，年均高生长60cm以上的有25种，30～60cm的有42种，小于30cm的有51种．

仿生水草强化生态塘技术改进研究

选取苏南河网地区典型纳污塘为研究对象,采用仿生植物强化生态塘进行处理,分析了不同生态塘的构型、有、无跌水造流以及不同季节温度变化对出水的COD,BOD,NH3-N,TN和TP的影响。结果显示,分区型阿科蔓-植物净化塘采用跌水造流循环的处理效果最好,COD,BOD,NH3-N,TN,TP的去除率在80.5%~93.5%之间,各项指标均满足IV类地表水标准,透明度达到0.55 m。季节变化从水质上看,夏季最优,冬季其次,春季较差。

植物叶表面防粘特性的研究

通过实验筛选出典型的几种疏水防粘植物叶片(主要以粽叶为主),用电子显微技术对叶表形态进行分析,并用水分接触角测量仪对其疏水特性进行测定。分析结果表明:植物表面非光滑结构、表面材料的质地及疏水性是影响防粘的主要因素。该研究将为工程仿生的表面设计提供重要的信息源。

典型植物叶片非光滑表面的纳米力学特性

利用纳米技术对几种典型植物叶片表面进行了纳米级硬度的测定。结果表明:不同质地、不同生存环境的植物叶表面形态、结构不同,从而使植物叶表面的硬度不同。其中革质鲜叶片(毛竹,紫丁香)表面硬度较大,蜡质叶片(水莲,美人蕉等)硬度较小;植物非光滑叶表形态中凸包处硬度较凹坑处的硬度大;同一叶片表层的硬度大于内层的硬度。本研究为工程仿生的表面耐磨涂层设计及其自然复合材料的选择提供有益参考。

智慧城市背景下植物仿生公共艺术设施的优势与发展

植物仿生公共艺术设施是在造型、机制、功能上模仿植物的新一代公共艺术设施,往往兼有发电、照明等市政设施的功能。在智能城市背景下,此类设施具有融合相应互联网接入,成为信息节点的巨大潜力。从阿联酋此类植物仿生公共艺术设施“智能棕榈树”案例分析入手,探讨了植物仿生公共艺术设施成为城市信息终端和信息交换枢纽的功能优势、形态优势和文化优势,从而为其与智慧城市协同发展提供理论支持。

不同环境因子作用下仿生植物附着微生物膜对氮素降解效能

通过野外挂膜和室内控制实验,研究pH（4-5、7-8、10-11）、DO（曝气、非曝气）、初始氨氮质量浓度（20、200、400 mg/L）等3种环境因素作用下仿生植物附着微生物膜对氮的降解效能。结果表明,实验系统中氨氮及NO3--N的含量变化受环境因素影响显著,DO含量的增加显著提高仿生植物附着微生物膜对氮素的去除效果,曝气组氨氮含量显著下降,去除率介于21.37%-55.86%,而非曝气组的氨氮最高去除率仅为5.4%;水体pH介于7-8时,水体初始氨氮的质量浓度为20mg/L左右时,仿生植物处理系统具有较高的氨氮去除效能。因此不同水体理化因子作用下仿生植物附着微生物膜对氮素降解效能有显著差异,因此,在运用该项技术实现重污染水体的原位修复时,亦要同时考虑水质理化指标的适宜范围。

利用仿生学进行软件种植生产的研究

长期以来人们模拟硬件的生产方式来组织软件开发,随着Internet应用平台、软件技术和软件应用需求的发展,寻找新的软件形态和开发技术成为软件产业的前沿和热点。从仿生学原理出发提出生物软件和种植生产模式。初步给出了软件种植生产的模式和实现种植生产的关键技术。

基于树木生长形态的仿生计算算法

对树木生长过程和形态结构进行描述与抽象,用动态生长的生长树进行模拟,提出一种新的仿生算法:生长树算法。树木在生长过程中,趋光性促使枝叶寻求占据相对更有利的空间位置,朝向能获取更多光照的位置生长,此过程体现寻优原则。借用遗传算法和蚁群算法的种群、个体评估等概念,借鉴信息素浓度机制,提出"光素浓度"衡量光照对生长树的叶枝节点的作用,叶枝节点个体不断探寻周围环境的光素浓度与外部环境进行信息交流,同时个体之间存在生长竞争关系,算法不断对个体进行评价、选择、生长,逐步个体的编码从而求得问题目标解。将算法应用于几个典型函数寻优,实验结果经与标准遗传算法进行对比,生长树算法具有迭代层数少、寻优速度快的优势。

植物仿生语言在服饰设计中的诠释与表达

主要介绍了植物仿生语言的内涵及特点,通过直接性模仿和间接性提炼两方面分析了其在服饰设计中的应用,并以自身创作的系列设计为实例对植物仿生语言做了充分的诠释。

广州天湖金线莲林下栽培技术研究

利用广州天湖的气候和地理特点,通过不同基质、不同种植密度以及2层种植方式仿野生栽培金线莲组培苗。结果表明,采用泥炭土和珍珠岩混合基质移栽金线莲组培苗成活率可达到93.33%;以800株/m^2为适宜的生产种植密度;双层种植时,单位面积鲜品产量是单层种植时的2.01倍,单位面积干品产量是单层时的2.09倍,可作为仿野生栽培金线莲的种植模式。仿野生栽培试验明确了该地区常绿阔叶林下种植金线莲的可行性,有利于天湖金线莲原生种的保护和开发利用,在维持原生态的同时可有效提高土地资源的利用率。