仿生低阻力医用缝合针设计与刺穿过程的数值模拟

针对医用缝合针缝合过程产生的刺穿阻力会对软组织造成损伤且刺穿阻力越大损伤程度越高的问题，提出了低阻力医用缝合针仿生模型。以鼠李科植物酸枣树（Ziziphus jujube）钩刺为仿生原型设计针尖锥度/半径、针体曲率等，并在针体表面设置竖条纹凹槽，形成仿生低阻力医用缝合针；采用LS-DYNA软件与库伦摩擦模型进行仿生低阻力医用缝合针刺穿皮肤软组织过程的数值模拟。结果显示，竖条纹凹槽针体可使仿刺尖锥度/半径与刺体曲率的低阻力医用缝合针的刺穿阻力降低34.24%~58.48%，仿刺尖锥度/半径的低阻力医用缝合针的刺穿阻力降低30.26%~49.86%；采用数控精细加工技术制备仿生低阻力医用缝合针并进行功效测试，其刺穿带皮猪肉过程的刺穿阻力可降低43.02%。研究结果明确了医用缝合针形貌结构特征对刺穿阻力的影响规律，为低阻力医用缝合针仿生设计提供了理论参考。     

仿生原型毫-微牛级二维力测试系统研制

为满足机械仿生学研究对测试仿生原型产生的毫-微牛级力的需要,构建了二维力测试系统。系统硬件部分主要包括自行研制的平行双簧片悬臂梁及其匹配的电涡流位移传感器、实现测试功能及测试样本简便更换的附属机构、测力传感器输出信号调理模块与能够完成A/D转换的数据采集卡,基于虚拟仪器技术LabVIEW编写了数据处理与界面显示程序。为检验系统的功能,进行了系统的运行调试并测试了仿生原型产生的摩擦力、法向力、刺穿阻力。结果表明,系统能够准确采集仿生原型的毫-微牛级力,并能在界面窗口实时、直观地显示,实现了毫-微牛级力的数据信息保存,测试精度可达50μN,量程可达800 mN。因此,所设计系统能够精确测试仿生原型产生的毫-微牛级二维力,为机械仿生学研究提供了所需的测力技术与方法。     

蚊子口针刺入皮肤的刺入力分析

 蚊子能够依靠一个大长径比的高弹性、高强度的天然“微针”——口针无痛地刺入人体皮肤并吸食血液,且刺入过程中从未发生过任何强度问题。本文设计1套高精度微力测量系统对蚊子口针刺入皮肤的刺入力进行在体测量。测量结果表明,蚊子口针刺破皮肤时的刺入力仅约16μN,而且蚊子在进一步的刺入皮肤过程中,口针作用力还将进一步减小并保持在一个极小的值(甚至接近零)附近上下波动,而采用同样实验方案测量的特制人造针头(尖端曲率半径仅约1μm)的刺入力可达165mN,且随着刺入深度的增加人造针头作用力还将继续增加。通过对蚊子口针的刺入机制分析,发现蚊子口针的微纳观结构及特殊的刺入方式是使其刺入皮肤超级省力的根本原因。该研究结果可为微针给药系统及微针的优化设计提供一定的帮助。     

离心式昆虫微力测试系统设计

基于猪笼草叶笼滑移区表面特殊结构与良好滑移功能仿生研制致灾农业昆虫捕集滑板过程中,需要测试昆虫在仿生原型及制备滑板表面的附着力、摩擦力等毫牛尺度微力。为满足毫牛尺度微力的测试需求,依据离心力原理设计研制了一种离心式昆虫微力测试系统。该系统主要包括测试平台及附属机构、调速电机及转速控制器、视频监控系统和能够实现各部件固定安装的机座等4部分。调试运行结果表明设计研制的离心式昆虫微力测试系统能够准确采集蚂蚁、甲虫、飞蛾等体型较小昆虫附着系统产生的毫牛尺度微力,精度可达0.1mN,能够满足致灾农业昆虫捕集滑板仿生研制过程中对昆虫微力准确测试的需求。     

超疏水表面仿生原型制备技术研究分析

超疏水表面(superhydrophobic surface)是指水滴静态接触角>150°且滚动角<10°的材料表面,广泛应用于自清洁、防腐蚀、疏水抑冰与船舰减阻等诸多工程领域。基于仿生工程学原理,人们对典型超疏水仿生原型进行广泛研究,以期获取超疏水表面研制的理论基础。从呈现超疏水润湿现象的典型动植物体表入手,综述其表面微形貌结构特征对超疏水润湿特性的影响机制,介绍材料表面超疏水润湿行为量化表征的数学模型;重点关注仿生超疏水表面制备技术的最新研究进展,包括传统制备方法与3D打印制备技术,以及超疏水表面制备样件的功效表征;分析指出仿生超疏水表面的低成本、大面积、功效持久性是该领域未来发展的重要方向。研究成果可加深学者对超疏水润湿特性的认知,推动超疏水表面仿生研制新思路、新方法、新技术的发展。     

水黾仿生特性与工程应用研究进展

水黾是一种在湖泊、池塘、湿地中常见的小型昆虫,凭借其腿部具有微纳复合结构而呈现的超疏水特性可稳定站立在水面,受到普遍关注并逐步成为研究热点。已有学者对水黾运动特性开展研究,以期获取设计灵感用以研制功能优异的超疏水表面与功能完善的仿生水黾机器人。从水黾运动特性入手,综述了运动支撑力的测试方法,重点关注以水黾为仿生原型在工程仿生领域中超疏水表面制备、水上行走机器人和跳跃机器人研制的发展现状。超疏水表面的制备应从微形貌特征、制备工艺和生产成本等方面深入研究,仿生水黾机器人的研制需进一步考虑运动、驱动方式和支撑特性。基于水黾腿部微形貌结构特征研制超疏水功效显著且持久的超疏水表面,以及性能优异、功能完备、运动特性高度相似的仿生水黾机器人将是未来发展的主要趋势。     

科学家聚焦仿生学

仿生学(bionics)是模仿生物的科学，即研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等特征，并将它们应用于技术系统，以改善现有的技术工程设备，创造新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等的科学，是应用生物学的分支，是生物学、数学、工程技术学之间的交叉学科。仿生学的任务是研究生物系统的优异能力及产生原理，将其模式化。再运用于新技术设备的设计与制造，或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征。仿生学的研究内容十分广泛，小至微观世界的分子仿生，大至宏观世界的宇宙仿生，主要包括：(1)电子仿生。模仿动物的脑和神经系统、感觉器官、细胞内和细胞间通信、动物间通信等，研制多种人工神经元电子模型和神经网络、高级智能机器人、电子蛙眼、鸽眼雷达系统以及模仿苍蝇嗅觉系统的高灵敏小型气体分析仪等；(2)控制仿生。模仿动物体内稳态调控、肢体运动控制、定向与导航等，研制蝙蝠和海豚动物的超声波回声定位系统、蜜蜂的“天然罗盘”、鸟类和海龟等动物的星象导航、地磁导航和重力场导航系统等；(3)机械仿生。模仿动物的走、跑、飞、游等运动，运用机械结构和力学原理，研制昆虫步行机等机械装置，寻求车辆、舰船、飞行器的最佳设计原理；(4)化学仿生。模仿光合作用、生物合成、生物发电、生物发光等；(5)医学仿生。包括人工脏器的研制、生物医学图像识别以及医学信号的分析处理等。此外，还在研究建筑仿生、农业仿生等。     

仿生原型毫-微牛级力测试技术研究进展

许多动物依靠自然进化形成能够展现优异功能的身体结构,以其作为仿生原型,可为工程领域存在的复杂问题提供有效解决途径.仿生原型毫-微牛级力测试技术可为揭示仿生原型运动力学机制提供必要的测试手段.从呈现优异功能特性的典型仿生原型入手,综述了用于仿生原型运动功能与材料物理特性定量表征的毫-微牛级力测试技术研究进展,重点分析了传...     

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.     

仿生叠层复合材料的研究现状与发展

一些天然的生物材料在结构和性能上具有优异的匹配性,这些结构特征为人工合成复合材料提供了一些有益的启示。文中在分析某些天然生物材料的强韧化机理的基础上,系统地介绍了仿生复合材料尤其是叠层复合材料的仿生设计原理、制备方法、主要研究内容和现状。指出考虑工艺参数的影响,制备出材料并建立相关条件下的仿生模型,对材料在应用领域的发展具有积极意义。     

基于仿生学的未来食品工业展望

生命体经过漫长的进化,已经形成了一整套极其完善的利用食材制造其所需营养素的技术,许多生命活动与现有食品加工的单元操作有着异曲同工的效果。利用仿生学原理,向生命体学习,进行食品加工的理论与技术创新,正逐渐得到国内外食品加工技术研究领域的广泛关注。分析了人们受人体感官、食物消化、养分吸收、生物合成、生物材料、生物机构、生物成型的启示,进行食品加工技术创新的研究案例。从3个方面概括了未来食品工业仿生化发展的主要任务:1)重新认识生命活动。突破长期以来基于健康和生产(生长)的需要进行生命科学研究的局限性,建议从生命体制造其正常生长所需营养素的角度,重新研究生命活动,重新认识生命现象。2)深化已启动的仿生研究工作。根据对生命活动重新研究的结果,进一步对已经启动的仿生技术进行深入研究,挖掘新的创意。3)开拓新的仿生技术方法。通过比对,寻找动物、植物和微生物中与食品加工技术有对应关系的生命活动,开拓从未触及的仿生研究领域,推动食品领域的原始创新。着重强调了“食品工程仿生学”学科建设的重要意义。     

胰岛素粉末无针注射的给药效率和皮肤刺激性评价

研究目的：胰岛素在临床上广泛用于糖尿病的治疗,但需要注射方式给药,给患者带来不便。本文报道了一种胰岛素粉末无针注射给药的新方法,并对其给药效率和皮肤刺激性进行评价。创新要点：首次报道了胰岛素粉末无针注射给药方法,有望为糖尿病患者长期自我给药提供便捷。研究方法：自主设计便携式自动无针粉末注射给药装置,采用计算机辅助方法计算给药装置的主要空气动力学参数;采用家兔评价无针粉末注射对皮肤的刺激性,并分析与空气动力学参数的相关性;采用四氧嘧啶诱导家兔糖尿病模型,评价不同无机盐载药的胰岛素粉末的无针注射给药降糖效果。重要结论：采用自主设计便携式自动无针粉末注射给药装置,递送以无机盐为载体的胰岛素粉末具有显著的降血糖作用,而递送胰岛素原料药粉末无降血糖作用,说明无机盐载体对胰岛素粉末无针注射给药效果具有重要作用。皮肤刺激性实验表明,储气室气压、容积以及喷管与皮肤的间距三个参数显著影响无针粉末注射装置的皮肤损伤程度,优化后的注射条件对皮肤几乎没有损伤。优化给药条件下以磷酸盐载体的胰岛素粉末无针注射给药,相对给药效率为72.25%。研究结果表明无针粉末注射技术用于胰岛素或其它生物制品的无针给药具有良好应用前景。     

Progress in bionic information processing techniques for an electronic nose based on olfactory models

As a novel bionic analytical technique, an electronic nose, inspired by the mechanism of the biological olfactory system and integrated with modern sensing technology, electronic technology and pattern recognition technology, has been widely used in many areas. Moreover, recent basic research findings in biological olfaction combined with computational neuroscience promote its development both in methodology and application. In this review, the basic information processing principle of biological olfaction and artificial olfaction are summarized and compared, and four olfactory models and their applications to electronic noses are presented. Finally, a chaotic olfactory neural network is detailed and the utilization of several biologically oriented learning rules and its spatiotemporal dynamic propties for electronic noses are discussed. The integration of various phenomena and their mechanisms for biological olfaction into an electronic nose context for information processing will not only make them more bionic, but also perform better than conventional methods. However, many problems still remain, which should be solved by further cooperation between theorists and engineers. Supported by the National Creative Research Groups Science Foundation of China (Grant No. 60421002) and National Basic Research Programme of China (Grant No. 2004CB720302)     

Comparative Study of Wear Resistance of Sewing Needles

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＩｎｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｎｅｅｄｌｅｓｅｒｖｉｃｅ ,ｔｈｅｒｅａｒｅｔｈｒｅｅｐａｉｒｓｏｆｆｒｉｃ ｔｉｏｎ,ｗｈｉｃｈａｒｅｍａｄｅｂｅｔｗｅｅｎｎｅｅｄｌｅａｎｄｆａｂｒｉｃ ,ｔｏｎｇｕｅａｎｄｇｒｏｏｖｅ,ｆｏｏｔａｎｄｔｒｉａｎｇｌｅ Ｔｈｅｍａｉｎｆａｉｌｕｒｅｆｏｒｓｅｗｉｎｇｎｅｅｄｌｅｓｉｓａｂｒａｓｉｖｅ Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ,ｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｉｍｐｏｒｔａｎｔｆａｃｔｏｒｓｆｏｒｓｅｗｉｎｇｎｅｅｄｌｅｓｔｏｉｎｆ…     

仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述

介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物,阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律,针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述,提出了沟槽扩展类型,并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。分析表明:微结构类型对减阻效果有较大影响,减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点,仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率,在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。     

钛镍记忆合金线连续拉拢缝合在骨科小面积皮肤缺损中的临床应用

目的探讨钛镍记忆合金线连续拉拢缝合在骨科小面积皮肤缺损中的应用价值.方法收集37例因创伤及压疮造成皮肤小面积缺损患者,均采用钛镍记忆合金线连续拉拢缝合皮肤及皮下组织全层.结果 36例患者达到Ⅰ期愈合,无需植皮或皮瓣覆盖,1例患者因术后切口感染行2次手术清创,再次应用该方法达到临床愈合,Ⅰ期愈合率为97.2%.结论钛镍记忆合金缝合线是一种良好的骨科新型缝合材料,采用连续拉拢缝合法,并结合皮肤的伸展特性,可解决骨科小面积皮肤缺损,避免了创伤相对较大的皮肤移植术或皮瓣覆盖术,缩短了愈合时间,减少了住院费用,疗效可靠.     

柑橘果园机器人仿生眼的目标跟踪与定位系统

针对传统柑橘园林机器人云台视野范围小、定位精度低等问题,在仿生眼平台上,提出一种基于连续自适应均值偏移(CAM shift)算法和变结构PID控制器相结合的目标跟踪方法。具体包括效仿人类眼颈的结构特点,设计一个4自由度的仿生眼视觉平台;建立仿生眼的成像模型,提出一种相机外参数自适应标定方法,以解决仿生眼平台外参数会随着相机位姿改变而不断变化的问题;提出基于CAM shift的仿生眼目标跟踪算法,成功实现了对于目标的持续跟踪;为提高仿生眼系统在饱和非线性特性下的动态响应性能,提出采用基于抗饱和(Anti-windup)的变结构自适应PID控制器来设计仿生眼控制系统。以柑橘为研究对象,在设计的仿生眼平台上开展试验。结果表明,本文方法左眼平均中心位置像素误差(CPE)为7.2,右眼CPE6.1,均小于设计所要求的CPE10,且每帧图像处理过程小于0.1s。系统能满足实际应用,具有较高的鲁棒性和准确性。     

Analysis on pivot turning of quadruped robot with bionic flexible body driven by the PAMs

The pivot turning function of quadruped bionic robots can improve their mobility in unstructured environment.A kind of bionic flexible body mechanism for quadruped robot was proposed in this paper,which is composed of one bionic spine and four pneumatic artificial muscles （PAMs）.The coordinated movement of the bionic flexible body and the leg mechanism can achieve pivot turning gait.First,the pivot turning gait planning of quadruped robot was analyzed,and the coordinated movement sequence chart of pivot turning was presented.Then the kinematics modeling of leg side swing and body bending for pivot turning was derived,which should meet the condition of the coordinated movement between bionic flexible body and leg mechanism.The PAM experiment was conducted to analyze its contraction characteristic.The study on pivot turning of the quadruped robot will lay a theoretical foundation for the further research on dynamic walking stability of the quadruped robot in unstructured environment.