仿生软体吸附机器人:从生物到仿生

生物吸附是自然界中一种典型的运动模式,许多生物在进化中由于生存背景和物种的不同演变出各种各样的吸附系统,吸附系统是功能系统,其目的是让生物暂时或永久地附着在基体或另一个生物体上,防止脱落.生物系统的吸附机制可分为互锁、摩擦和黏结.黏结可进一步分为干吸附(范德华力)、湿吸附(毛细作用)、负压吸附、胶合(黏液),它们可独立或同时作用.基于自然界丰富的吸附方式,本文详细介绍了陆上/水下典型生物(壁虎、树蛙、章鱼、鮣鱼)的吸附机理,并对清道夫、海胆、蚍蜉幼虫、跳蛛、叶甲虫幼虫等生物的吸附机理进行简述.概述依据上述特定吸附机理而设计的仿生吸附装置,从仿生软体吸附机器人、仿生软体吸附设备、仿生吸附软材料结构等方面,对仿生吸附的研究成果进行列举,并提及部分性能研究和应用前景.以仿生鮣鱼吸盘为例,阐述了如何模拟生物系统制作仿生样机,并验证其性能,挖掘其潜在应用.对生物吸附方式分类归纳,总结被其带动的仿生吸附研究意义、发展现状和面临的问题,并指出仿生软体吸附机器人吸附机理细微化、结构刚柔耦合、仿生复合软材料应用、柔性驱动-传感-控制一体化、多学科交叉融合的发展方向.     

“刚-柔”共融型仿生机器鱼

智能软材料以其高柔顺度、多功能、多物理场效应等优良行为得到了研究者们的关注.作为一类典型的智能软材料,介电高弹体(DE)具有电驱动大变形、快速响应、质轻价廉、生物亲和性好等优点,具有广阔的应用前景.该材料尤其适合作为人工肌肉应用到仿生机器人中,实现其结构柔软与大变形驱动.本文以蝠鲼为仿生原型,基于材料的电压驱动控制大变形机制,设计优化了一类介电高弹体薄膜面内驱动变形转化为扑动-波动混合型推进的驱动机构.将该机构用于胸鳍驱动的机器鱼系统,通过电子器件-刚性结构-柔性材料的融合集成,成功设计了一种材料与结构"刚-柔"共融型仿生机器鱼,并开展了相应的性能测试和功能集成."刚-柔"共融型仿生机器鱼通过分别独立控制两个胸鳍机构,可实现良好的机动性能;并利用高分子材料特性,可实现结构柔软与全透明化等优异的环境适应性能.该研究结果和机构设计原理将有望为"刚-柔"共融型机器人和仿生机器人的研究与应用提供参考.     

大尺寸关节支架的3D打印及应用

人工关节假体的置换与长期植入后的失效问题将造成关节组织不可恢复的损失,小块可降解骨软骨关节支架具有恢复病变关节的力学环境和诱导新生组织生长的能力,为大尺寸关节病变缺损修复提供了新的治疗策略.大面积深层病变软骨关节病变位置的生理结构与力学环境的分析,以及多材料复合关节支架的仿生制造与手术方案是治疗方案开发的难点.本文提出一种新型多材料关节支架的仿生设计与制造技术和植入方法.以诱导组织生长为导向,选择聚乙二醇凝胶(polyethyleneglyco,PEG)、β-磷酸三钙陶瓷(β-tricalcium phosphate,β-TCP)、聚乳酸(polylactide,PLA)等生物材料开发新型支架;以羊膝关节为研究对象,通过反求工程、有限元分析和3D打印技术,利用有限的影像学数据信息,建立膝关节模型和易病变软骨区域;基于支架生理结构特征与关节缺损区机械承载能力的映射关系,建立大块仿生骨软骨支架的结构与稳定性固定结构.实验证明该支架在置换初期较好地恢复了缺损关节的力学环境.所提出的方法和支架有望为大面积骨软骨缺损的修复提供一种新的治疗方案.     

微穿孔板吸声体混合结构的声学性能研究

为解决单层微穿孔板吸声体中高频吸声效果较差、多层微穿孔板尺度较厚且高频吸声效果较差的问题,通过在单层微穿孔板前侧增加多孔材料构建了混合吸声结构。继而在单层微穿孔板等价多孔材料模型的基础上,提出了微穿孔板混合结构的吸声系数计算方法,利用VA One软件的Foam模块建立了混合结构的模型,模拟计算混响室中的扩散场吸声系数。仿真结果表明,该结构可显著提高低、中、高三个频段的吸声系数,在不增加额外厚度的基础上实现全频段高吸收(吸声系数接近1)的效果,所采用的仿真计算方法简单高效。提出的混合结构及其计算方法对指导设计宽频吸声结构具有参考意义。     

超灵敏、宽频域新型柔性仿生振动传感器

信息化社会对电子产品的柔性化、便携性(轻薄、可折叠、可穿戴)的需求日益增加,最近的研究表明,利用碳纳米管优异的电学、力学特性和纳米尺度效应而设计出的柔性纳米传感器表现出更高的灵敏度、更快速的响应-恢复时间等优异的特性.本文基于多壁碳纳米管(multiwalled carbon nanotube,MWNT)复合材料,采用一种简单喷涂成膜的方法制备了具有空腔结构的柔性仿生振动传感器,该柔性仿生振动传感器时间分辨短(22.7μs),信噪比高(55 dB),检测范围宽(20~22000 Hz),可以高质量地实时检测并记录声音信息,在声音检测以及构筑电子耳膜来治疗耳膜损伤导致的耳聋等方面提供了新的可能性方案.     

多目标机器学习钢的四种力学性能

预报钢材的力学性能对其研发和应用都具有重要作用.本文对360条源自日本国立材料研究所(NIMS)数据库的钢材数据,使用正则化线性回归、随机森林和人工神经网络三种机器学习方法对钢材的疲劳强度、拉伸强度、断裂强度和硬度四种力学性能进行多目标机器学习,即使用一组特征变量来描述这四种目标函数,并使用MultiTaskLasso、特征重要性和复相关系数三种方法对特征变量的重要程度进行了排序,也用"面积法"来平衡模型复杂度(特征个数)与预测精度,且通过线性回归给出了基于化学成分、制备工艺参数、夹杂物参数的解析表达式,对四种力学性能具有较好的预测能力.作为对比,本文还使用原子半径、价电子数和鲍林电负性等9种原子尺度特征替代9种元素特征后进行多目标机器学习建模和预测,计算结果显示原子尺度特征同样具备较好的预测能力.     

仿Morpho蝴蝶鳞翅微纳结构的光学特性研究

Morpho 蝴蝶鳞翅上的微纳结构对光产生干涉、衍射等效应, 形成典型的结构色现象. 本文针对仿 Morpho 蝴蝶鳞翅微纳结构进行二维建模, 结合严格耦合波理论进行光学特性仿真分析, 研究了模型结构参数、环境折射率等对光学特性的影响及反射光谱曲线的变化规律. 增大二维模型纵向周期高度, 反射光谱峰值反射率增加, 且峰值波长向较大方向偏移; 减小纵向周期数, 峰值显著下降, 波峰变宽, 峰值波长也向较大一侧偏移; 增大横向周期宽度, 峰值略有下降, 峰值波长也向波长较大一侧偏移, 但整体变化不大; 改变环境氛围, 即增大环境折射率, 峰值亦大幅下降, 峰值波长向波长较大一侧明显偏移. 上述结论揭示了Morpho 蝴蝶所特有的结构色本质, 对于具有环境气氛检测功能的仿生微纳结构的设计优化和制造、应用具有重要意义.     

静动态力学条件下多孔金属的材料/结构多级优化设计研究

将微结构胞元内部构型设计、胞元排布设计和宏、细观跨尺度计算相结合,建立了基于同一微结构的材料/结构多目标拓扑优化的静动力学设计模型.分别给出了材料设计、结构设计和材料/结构一体化设计的灵敏度有限元列式,在此基础上以简支梁和悬臂梁为例进行了数值计算.结合多孔金属材料具有功能性特点,基于数值算例的结果,在结构承载方面讨论了多孔金属材料/结构静动力学优化设计中的材料设计、结构设计和一体化设计的异同和各自的适用范围.指出材料设计侧重于功能性,结构设计侧重于结构效率,而材料/结构一体化设计由于兼顾了功能性和结构效率特点,较好地实现了集成化设计;为多孔金属设计选取合适的设计方式提供依据.     

改善复杂形状的热成形先进高强钢汽车结构件成形性的工艺开发和机理分析

针对具有形状要求的先进高强钢(AHSS)汽车结构件热成形时经常发生破裂现象,从其各处分布的不同应力方式对样件微观结构、厚度分布和力学性能影响作用存在差异的角度分析,首次利用高速加热炉、急冷处理室和带有冷却水道模具的一体化实验设备,通过在冲压前设计急冷处理新方法,即由现有工艺的奥氏体化后直接冲压成形,转变成先经急冷处理,然后到700°C左右成形,其目的是:使得样件上以拉应力为主的加载区,因具有较好硬化指数n值而获得较好成形性;以压应力为主的某些抑制马氏体相变区域,因提前的急冷处理而在微观奥氏体母相中增加马氏体新相形核的几率,获得致密的组织结构,以改善强韧性.实验证明,通过冲压前的急冷处理,样件更为完整,未出现开裂现象;微观具有明显细化的马氏体排列形态;宏观硬度分布均匀,且都在460 Hv以上,能够满足高强度、高韧性的性能要求.从而,验证了该急冷方法的科学有效,并突破了国内现有热成形AHSS易开裂的瓶颈问题,为建立我国自有知识产权、复杂形状的热成形AHSS结构件生产工艺路线提供了依据.     

功能驱动的超材料结构数字化设计与3D打印

本文提出了一种以功能驱动的超材料结构数字化设计新方法,以实现电磁波传播方向90°偏折的伊顿(Eaton)透镜为典型应用目标,研究了其介电常数理论分布模型的数字化离散方法,获得了三维90°伊顿透镜介电常数离散化分布工程模型;通过理论计算建立起超材料单胞结构几何参数(木堆单胞结构柱宽ω与单胞尺寸a)与其等效介电常数之间的映射关系,从而实现三维90°伊顿透镜的工程模型向结构模型的转化;以光固化树脂(介电常数为3)、混合液体介质(介电常数从2.2到40)为原材料,采用光固化3D打印工艺,实现了液固耦合的三维90°伊顿透镜宏/微结构一体化制造;通过仿真和实验测试表明,所实现的三维伊顿透镜能够调控入射电磁波的传播方向,实现入射电磁波的90°偏折,且在12～18 GHz频段范围内具有宽频特性.本文所提出的数字化设计方法与3D打印工艺相结合,为实现面向电磁波传播调控的新型电磁波器件提供了一种途径.     

高速铁路用水泥乳化沥青浆体的物理结构

基于硬化硅酸盐水泥浆体的Powers理论和水泥乳化沥青浆体的配合比,通过理论计算和X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线谱仪(EDAX)等相分析方法,分析了硬化水泥乳化沥青浆体的物相组成与微结构.结果表明,硬化水泥乳化沥青浆体的物相组成与微结构取决于沥灰比和水灰比.提出了表征硬化水泥乳化沥青浆体物理结构的两种结构模型,以沥青为连续相、水泥相为分散相的有机-无机复合胶凝体结构模型—I型模型;以水泥相为基体、沥青嵌入其中的无机-有机复合胶凝体结构模型—II型模型.为深入分析高速铁路板式无砟轨道结构中水泥乳化沥青砂浆的微结构参数和力学性能及其衰变规律奠定了基础.     

Science China Technological Sciences 2023年66卷第2期中文摘要

<正>新型可持续耐久型梁柱节点在低周往复和冲击荷载作用下力学性能研究郝洪, Tuan T. Ngo, Thong M. Pham, Huawei Li本文对一种新型的装配式梁柱节点在地震和冲击荷载作用下的力学性能进行研究,该梁柱节点采用耐腐蚀纤维增强聚合物(FRP)螺栓和加强筋、纤维增强混凝土(FRC)和地聚物混凝土(GPC)等新型建筑材料加工组成,从而实现可持续性和耐用性的目的.为分析该梁柱节点的韧性、耐用性、可持续性和抗多灾害的能力,通过低周往复加载和摆锤冲击加载方式开展试验研究.试验结果表明：该文提出的新型装配式梁柱节点在低周往复和冲击荷载下具有与传统现浇混凝土节点相当甚至更优的力学性能.另外该文还采用有限元分析软件ABAQUS开展数值分析,优化并确定装配式节点的混凝土端板(CEP)的合理厚度,分析和量化了节点的应力分布、能量吸收性能和应力状态等力学性能.此外,讨论了不同荷载工况下,不同参数对节点力学性能的影响.     

考虑二维水平地震作用的钢框架厂房减震设计

针对具有楼板不连续和各层抗侧移刚度变化不均匀等特点的厂房,建立针对性的结构有限元模型。通过模态分析发现,该结构前三阶自振周期数值接近且后两阶阵型具有扭转特征;通过模拟地震时程分析,找出结构位移响应规律,从而有针对性地布置消能支撑,并分析了该方案的减震效果。     

含氧有机物结构与毒性(log1/C)关系研究

为探寻含氧有机物结构与毒性(logl/C)的关系,应用分子顶点及顶点相互作用值对部分含氧有机物进行了结构表征.采用多元线性回归及逐步回归建立了2个定量结构-毒性关系模型.经过比较,发现模型(M2)具有最佳模拟结果,此时模型的复相关系数(R)为0.952,标准偏差(SD)为0.325.采用Jackknife法对模型进行了稳健性检验,结果表明,回归模型具有可接受的总体稳健性及良好的预测能力;另外,采用留一法(leave-one-out)对模型进行交互检验,复相关系数(RCV)为0.927,标准偏差(SDCV)为0.396,这也说明所建模型的稳定性与预测能力均较为理想.     

利用 CFD技术对管壳式换热器壳程结构的模拟分析

以某公司所制造的水源热泵为基础,针对制冷量 Q0=180kW 的蒸发器的内部结构,利用 CFD技术对其壳程侧做了流场与热场的模拟分析,得到了具有一定价值的分析结果:1)原设计中不仅单弓形折流板的数量较多而且折流板较厚,占用了一定有效换热面积,势必影响了壳程水侧的换热效果和造成了较大压降;2)由于进水管侧的水温与制冷剂的蒸发温度之间存在较大的温差,会在管板上产生较大的热应力,有造成管板与换热管的接触破坏的可能;3)通过对原设计的速度矢量分析,可以较为清楚地看到,原设计存在较多的流动死区,这些流动死区,会影响水侧换热.根据这些分析结果,提出了相应地解决方案,并建立了改进后的蒸发器模型     

单向连续板式楔横轧机

本文作者的前期研究 (见: 中国科学E辑：技术科学, 2009, 39(10): 1631—1634)是将辊式楔横轧机刚度好、占地面积小和板式楔横轧机模具加工简单、成形精度高的优点综合于一体, 同时摒弃了辊式楔横轧机模具加工复杂、成形精度差和板式楔横轧机刚度差、占地面积大的缺点, 设计了辊压板式复合楔横轧精成形机. 由于该机在轧制时上下轧板往复相对滑动, 因此必须克服惯性, 能量损耗大, 当轧制大型工件时, 占地面积也大. 为了解决上述问题, 本文提出了单向连续板式楔横轧机. 该机的轧板无需往复滑动, 因此其能量利用率和生产效率高, 而且具有自动清除氧化皮的优点, 特别是它解决了大型轴类件轧制成形的技术难题.     

微观结构与生物降解性能可控的热塑性聚酯弹性体

应用富马酸、癸二酸、丁二酸、丙二醇和丁二醇等为原料,采用熔融缩聚和扩链方法合成具有可生物降解性能的热塑性聚酯弹性体(BTPE),红外谱图(FTIR)、核磁共振氢谱(1H-NMR)等实验结果表明,BTPE大分子由结晶性的硬段聚酯结构和非结晶性的软段聚酯结构嵌段而成,原子力显微镜(AFM)照片显示了BTPE中硬段相区与软段相区的微观形貌.BTPE具有良好的机械性能,拉伸强度可达13 MPa,断裂伸长率在800%以上;差示扫描量热(DSC)和热重分析(TGA)的结果表明,BTPE具有良好的热性能,热分解温度高于300℃,熔点(Tm)超过100℃;在脂肪酶溶液中,BTPE的降解性能随分子结构中的软段聚酯含量增加而增大.     

三维有序多孔SiC陶瓷的制备及表征

采用三维有序氧化硅凝胶小球为模板, 以聚甲基硅烷(PMS)为先驱体, 经过先驱体的渗入、陶瓷转化和模板的去除, 制备了长程三维有序球形孔多孔SiC陶瓷. 研究结果表明: 所制备的多孔陶瓷中球形孔的孔径(84~658 nm)、BET比表面积(299.44~584.64 m²/g)和微孔体积(0.25~0.64 cm³/g)受氧化硅凝胶小球的粒径(112~700 nm)控制, 且该多孔陶瓷体系中存在3种孔, 即球形孔、“窗口”和小孔(2~5 nm). 其中球形孔以hcp结构有序排列、“窗口”使球形孔三维贯通、小孔的存在使该多孔陶瓷体系具有极高的BET比表面积和微孔体积.     

超高压合成NaNbO3陶瓷粉料及其结构变化

在0~6 GPa压力下研究NaNbO₃材料的合成及结构随压力变化的规律.通过施加压力, 在相对较低的温度(300℃)下可以合成纯度高的NaNbO₃陶瓷粉料, 极大地降低了Na元素的挥发. 随着压力的增加, 合成的NaNbO₃陶瓷材料具有从对称低的晶格体结构向对称高的晶格体结构转化的趋势.     

取代联苯类化合物单一和联合毒性的定量构效关系研究

对18个取代联苯类化合物的单一毒性进行了定量结构活性相关(QSAR)分析,建立了最优模型及正辛醇/水分配系数(lgK_(ow))模型。分析表明,量子化学参数模型能很好地预测取代联苯的单一毒性,-lgEC_(50)=0.575 lgK_(ow)-40.827 RE_(max,C-H)-3.84010~(-6)-DIP+449.109(R~2=0.930,S~2=0.074,F=76.477,p0.001)。研究了混合物的联合毒性,根据浓度相加效应预测了混合物半数效应浓度(EC_(50mix)),在排除混合化合物的反应效应后,预测值与实验值较吻合。R~2=0.943。实验结果证明,QSAR模型对于单一化合物及混合化合物的毒性预测具有重要价值。