仿犰狳鳞片结构的躯干柔性防护装具抗穿甲燃烧弹侵彻性能

根据犰狳外骨皮盔甲的结构形态，设计了由SiC陶瓷和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）构成的双层结构的仿生复合鳞片和新型柔性防护装具.该柔性防护装具由上层鳞片层与下层垫层组成，其中鳞片层由周期性排列复合鳞片构成，垫层为UHMWPE纤维层.采用MTS C43电子式万能试验机对防护装具进行了柔性测试，并依据《军用防弹衣安全技术性能要求》（GJB 4300A―2012）标准Ⅲ级弹道防护性能要求对其进行了弹道测试.分析了复合鳞片的厚度比、垫层数量、穿甲燃烧弹侵彻区域等因素对防护装具防护性能的影响，以及防护装具在集中荷载作用下刚度的变化过程.结果表明：该新型柔性防护装具具备良好的防护性能，不同侵彻区域对破坏范围具有显著影响；在集中荷载作用下垫层限制了鳞片层的弯曲变形，降低了整体柔性.     

鱼鳞的结构及其仿生材料

鱼鳞作为鱼类的保护"盔甲",具有超薄、超轻等特点,并且具有很好的柔韧性.本研究主要介绍鱼鳞的结构,包括宏观、微观结构、成分组成、基本性能及其仿生材料的研究进展,并探索其结构或性能在未来发展中的应用,尤其是在仿生上的应用,以期望能为制备防护结构材料提供新思路.     

鱼形仿生柔性翼结构设计及优化

以锦鲤为生物原型,开展了鱼形仿生柔性翼结构设计及优化研究。通过循环水池实验,表征出锦鲤游动姿态;基于折纸结构,建立鱼形仿生柔性翼结构模型,研究其驱动载荷和振动幅值的特性。设计正交试验,分析鱼形仿生柔性翼结构设计的主要几何参数对其性能的影响规律,并通过周期性运动对其性能进一步分析。结果表明：结构外板厚度、结构内板厚度和隔板角度对驱动载荷和振动幅值的影响依次增大。仿生柔性翼外/内板厚度、隔板角度依次为0.7mm/0.3mm、75°,其摆动姿态和实际锦鲤摆动姿态的最大偏差是8.13%。且该结构的极限屈服幅度远大于试验的最大屈服幅度,回弹性能好。     

柔性仿生机器鱼的复合推进结构设计

针对目前柔性仿生机器鱼推进结构单一等问题，文章针对性地进行了柔性仿生机器鱼的复合推进结构的设计，主要包括鱼身驱动推进结构、鱼身摆动推进结构、胸鳍扑动结构以及胸鳍浮潜结构，以提高柔性仿生机器鱼的推进效率；以及通过对所设计齿轮的校核，设计一款安全可靠、用于水下监测、环境保护的柔性仿生机器鱼。     

四足机器人气动人工肌肉驱动的仿生柔性机体动力学分析

基于四足生物动态步行时其柔性机体辅助腿机构的运动机理,设计了一种由气动人工肌肉、仿生脊柱、前机体和后机体组成的四足机器人仿生柔性机体.采用几何法分析仿生柔性机体运动学,建立四足机器人转向时仿生柔性机体弯曲角与气动人工肌肉长度变化间的关系,通过控制气动人工肌肉长度以控制机体弯曲.基于浮动坐标法和动量矩定理进行仿生柔性机体刚柔耦合动力学建模,对比分析了不同机体刚度下机体弯曲所需气动人工肌肉驱动力.设计仿生柔性机体弯曲控制实验系统,采用PID控制算法进行机体弯曲实验分析.四足机器人的仿生柔性机体分析,为提高其非结构化环境机动性奠定了基础.     

柔性可穿戴应力传感器的研究进展

柔性可穿戴传感器由于其可拉伸、可弯曲、轻薄便携和优异的电学性能等特点被广泛应用于健康诊断、运动监测、康复医疗、娱乐等领域.近年来,柔性可穿戴应力传感器取得了显著的进步,多种可测量健康信息的柔性应力传感器已被应用于脉搏波、运动、呼吸和心电图(electrocardiogram,ECG)检测.然而,柔性传感器的发展仍然有诸多待解决的问题.对近年柔性应力传感器的发展进行了全面的归纳总结,从应力传感器的工作原理、结构设计展开,探讨了如何构建高性能柔性应力传感器,讨论了当前柔性传感器存在的问题,展望了未来柔性应力传感器的发展趋势.出色的柔韧性、良好生物兼容性、快速响应、高灵敏度、多功能集成的柔性可穿戴传感器展现出广阔的应用前景.     

结构化水凝胶的仿生润滑研究进展

关节系统优异的摩擦学性能源于软骨表面瓶刷状生物大分子的水化、软骨本身的层状/梯度化结构以及特殊的应力耗散机制,三者协同作用促成了低摩擦、高承载及长寿命的关节软骨体系.受天然关节软骨系统生物润滑机制的启发,科学家们开发了一系列摩擦学性能优异的结构化水凝胶材料.本文综述了结构化水凝胶的仿生润滑研究进展,剖析了其作为关节软骨替代材料的潜在应用价值.最后讨论了结构化水凝胶目前存在的问题以及未来的发展方向.     

逆向工程在结构仿生设计中的应用研究

针对现代仿生设计中需用模型来模拟生物结构及原理的问题,提出了将逆向工程与结构仿生设计相结合的思想。以螃蟹模型为例,详细阐述了反求过程中扫描模型的建立、实物数字化、数据处理、CAD模型的重建等技术,成功完成了螃蟹曲面结构的三维造型。为将逆向工程技术应用到结构仿生领域定量研究动物三维几何特征的发展提供了一定的基础。     

线驱动仿海豹尾部推进机构设计与运动学分析

仿生推进由于具有速度快、效率高、机动性好、噪声污染低等优势,在水下机器人领域备受青睐.基于对海豹尾部生物结构及运动特征的研究,提出并设计了一种基于线驱动原理并结合柔性铰链机构的仿海豹尾部摆动推进机构.该机构包括脊椎框架单元、骨盆单元、胫骨单元以及柔性尾鳍单元,其关节采用柔性铰链,并通过两侧弹性元件的对称布置,可实现由单一舵机驱动仿生推进机构实现周期性摆动动作.采用D-H参数法对推进机构进行运动学分析,确定了推进机构尾鳍末端点在世界坐标系中的坐标,研究了仿生推进机构等效连杆摆角参数(摆动角、摆动幅值、初始角)对推进机构摆动幅值的影响规律.根据运动学分析结果,采用序列二次规划法对设计的仿生推进机构等效连杆摆角参数进行了优化,获得了与海豹尾部摆动幅值一致的最佳运动参数;在与海豹相同的游动速度下,推进机构尾鳍末端点的摆动轨迹与生物海豹的摆动轨迹基本吻合,验证了优化分析的正确性.在空气中进行原理样机摆动实验,通过摄像机连续拍摄的运动序列图,获得了实验样机尾鳍的摆动轨迹拟合曲线,与优化后的理论曲线对比,进一步验证了仿海豹尾部推进机构设计与分析的正确性.     

仿生人工骨修复材料研究

骨缺损修复材料是临床需求量最大的生物医用材料之一.自体骨和异体骨移植的局限性使得研发优异的人工骨修复材料意义重大.通过模仿天然骨本身的成分、结构特性及生物矿化过程,对材料的组成、结构进行设计与调控,可以获得新型仿生人工骨修复材料,这已成为生物材料发展的主要趋势之一.文中概述了仿生人工骨修复材料的研究进展,重点介绍本课题组的相关研究,即类骨微纳米磷酸钙矿物的仿生合成、生物医用高分子仿生纳米纤维支架的制备和具有多级孔结构的自固化磷酸钙基骨修复材料的构建.