生物耦合功能特性及其实现模式

生物在大自然优胜劣汰的法则下, 进化出与自身生长和生存环境高度适应的功能特性. 生物通过两个或两个以上不同部分的协同作用或不同因素的耦合作用有效地实现生物的各种功能, 充分展现其对生境的最佳适应性. 本文从仿生学角度, 分析了生物耦合功能、特性及其类别, 初步揭示了生物耦合功能实现的机制与模式, 最后, 展望了生物耦合功能仿生实现的工程技术前景     

地面机械脱附减阻仿生研究进展

机械仿生的理论研究具有重要的科学意义，仿生机械的研发在工程技术领域中有重要的应用价值。自然界的生物，在优胜劣汰的进化过程中，为了生存，必须造就适应环境、延续生命的本领。本文从地面机械脱附减阻的研究现状着手，结合吉林大学多年来在这一领域系列性的研究成果，介绍了土壤动物脱附减阻的基本原理，进而阐述了形态仿生、柔性仿生、电渗仿生、构形仿生，以及多元耦合（协同）仿生的原理与技术。最后介绍了工程仿生的应用研究，并指出这些理论具有广阔的发展前景。     

蜻蜓翅膀功能特性及其仿生研究进展

蜻蜓是自然界最优秀的飞行者之一,其通过翅膀的形态、构形、结构、材料等多个因素的相互耦合协同作用,展现出优异的功能特性,为航空航天飞行器和仿生微扑翼飞行器等的设计、研制和开发提供了天然的生物蓝本.近年来,国内外学者在蜻蜓翅翼的几何结构、材料特性、飞行机理及翅翼飞行时的控制方式等方面的研究取得了一定进展,有力助推了蜻蜓翅翼不同层面的仿生应用.本文简述了蜻蜓翅膀的飞行、自清洁、抗疲劳、消振降噪等功能特性,阐释了蜻蜓翅膀的形态、构形、结构、材料等与其功能特性之间的内在关系,分析了蜻蜓翅膀功能特性仿生研究的态势并展望了其应用前景.     

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.     

鲨鱼皮复制工艺研究

对动物体表形貌进行直接复制以成形出形貌比较接近生物原型的仿生表面,是生物约束成形向动物形体扩展的新尝试．以鲨鱼皮为生物复制样本,以微压印和微塑铸为材料成形手段,对鲨鱼皮外端形貌进行了微复制．复制精度分析结果表明,生物约束成形工艺能以较高精度复制出鲨鱼微鳞片的外端形貌,证实了生物约束成形技术可以应用于表皮坚硬的动物体表形貌复制．     

从环状网络到链状网络同步能力的变化

通过理论分析发现，单向耦合结构与双向耦合结构的环状网络，在断开一条边从环状变为链状时，网络同步能力所发生的变化是完全不同的．从双向环状耦合结构到双向链状结构时同步能力是减弱的，在Ⅳ很大时同步能力约为原来的1／4；而从单向环状耦合结构到单向链状结构时同步能力却明显增强，在N很大时增强约N^2／（2π^2）倍．数值仿真也定性地验证了这一结论．还发现在单向耦合与双向耦合两种不同的环状网络上添加一条不同长度的边对同步能力的影响是不同的，对于单向环来说添加一条边对同步能力影响具有一定的规律性．同步问题是一个基本的物理问题，文中的结果对于一些现实世界的网络，比如生物生态系统、电路设计等的应用具有一定的参考意义．     

高韧温敏复合水凝胶仿生变色鱼

韧性水凝胶具有超大弹性变形、高韧性、高透光性、良好的生物相容性等优势,在生物医疗、柔性电子、驱动传感、软机器等领域具有广泛应用前景.本文针对海洋生物的变色功能进行仿生模拟,合成了PAAMAlginate韧性水凝胶和PNIPAM温敏水凝胶,采用3D打印技术制作了仿生结构模具,通过倒模制备了高韧温敏复合水凝胶仿生鱼.制备的仿生鱼在常温下能与水体环境良好融合,在外界温度升高时可改变自身透明度和颜色,模拟海洋生物受外界刺激后的伪装行为.另外,该仿生鱼具有高韧性,在受到弯曲、扭转、冲击及印压作用后仍能恢复初始形状,无明显损伤.本文设计的高韧温敏复合水凝胶在软体仿生领域极具潜力,可为未来共融机器人的研发提供新思路.     

带翠凤蝶翅面结构光变色机理的试验研究

动物体表彩色是在长期生物进化过程中为了逃避天敌、捕捉猎物或展示自身艳丽而自然形成的, 研究其结构光机理是仿生学的一个重要方面. 根据用酒精溶液填充到绿带翠凤蝶翅面蓝色鳞片区域的瞬时改变颜色成绿色, 最后又还原成蓝色这一现象, 应用体视显微镜、扫描电镜、透射电镜和紫外可见分光光度计, 通过分析翅面鳞片的微观结构和光学特性与变色效应关系, 发现中国东北地区的绿带翠凤蝶蓝色鳞片可以变色, 其原因在于可见光经过鳞片的凹坑状多层薄膜反射结构与填充介质时, 由于介质的折射率不同, 引起了一定波长的光波发生干涉, 形成相应波长的颜色, 这对于视频隐身材料的仿生设计具有重要的学术参考价值.     

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.     

电子装备机电耦合研究的现状与发展

高精度电子装备被广泛应用于陆、海、空、天等各个领域.针对高性能、高精度电子装备中普遍存在的机电耦合问题,本文系统地介绍了国内外电子装备研制的机电分离、机电综合与机电耦合三个阶段的情况,重点讨论了机电耦合的概念、理论与方法,进而阐述了机电耦合研究的现状与内涵、主要进展、研究内容、研究热点及发展趋势.     

输出-阈值耦合神经网络及基于此的最短路问题求解

通过建立神经元输出和与其相邻神经元阈值之间的相互耦合, 提出了一种输出-阈值耦合神经网络, 实现了对在通常脉冲耦合神经网络中所存在的自动波现象的模拟, 并基于它的自动波现象, 提出了一种用输出-阈值耦合神经网络求解最短路问题的方法, 该方法具有所需神经元数目少、神经元和网络的结构简单、大规模并行计算等特点, 可用于求解非对称赋权图单起点多终点的最短路问题, 其所需的计算量(迭代次数)仅正比于最短路的长度, 而与图的复杂程度、所存在的通路总数等无关. 最后给出了最短路求解的例子.     

港口非线性波浪三维耦合计算模型研究

建立了外域用差分求解高阶Boussinesq方程、内域用有限元求解Laplace方程的三维非线性波浪对船作用的时域计算耦合模型.研究了该类三维耦合模型的匹配条件,耦合求解过程和内域、外域公共区域长度的确定,探讨了内域有限元网格的剖分方法.把该耦合模型的计算结果与实验结果、内域用Euler方程的耦合模型计算结果进行了对比,结果表明该耦合模型具有满意的精度,适用于模拟较大区域内波浪对三维船等固定物体的作用,为今后近海岸大区域非线性波浪对三维非规则物体作用的时域计算和三维分区计算提供了参考.     

考虑尺度效应的微平板声振耦合特性研究

长宽厚均处于微米级的微平板结构广泛存在于微机电系统(MEMS)中,开展其声振耦合特性研究对于MEMS在声激励下的稳定性研究以及微型声传感器的性能研究具有重要意义.针对声压激励下的四边简支微平板结构,基于Cosserat理论与Hamilton变分原理建立了考虑尺度效应的结构声振耦合理论模型,并结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程.基于理论模型开展数值计算,系统研究了尺度效应对微平板结构声振耦合性能的影响,具体讨论了不同尺度效应下板厚度、板长宽等关键系统参数对微平板声振耦合特性的影响,为MEMS中微平板结构的工程优化设计提供了理论参考.     

高强度双网络高分子水凝胶：性能、进展及展望

作为一种虽然含有90wt%的水,但力学强度高达数十兆帕的高分子水凝胶材料,双网络（double network,DN）设计思路对大幅度提高水凝胶力学性能以及推动其在生物材料中应用研究意义重大.近年来高强度DN凝胶研究不断取得令人注目的进展,在DN凝胶概念的基础上,设计合成了天然和仿生DN凝胶、低摩擦和低磨损DN凝胶以及细胞亲和性高强度水凝胶,并研究了DN凝胶的生物相容性和诱导关节软骨再生等生物材料性能.高强度、多功能DN凝胶在生物材料中的研究极大地扩展了高分子水凝胶材料的应用范围.本文综述了DN凝胶的设计思路,分析了影响其性能的因素,并对其未来发展进行了展望.     

用周期Green函数方法全面提取耦合模式模型参量

结合谐波导纳和周期Green函数概念, 采用Chebyshev多项式拟合电荷分布以便有效表征其指边缘的奇异性, 对周期Green函数作了奇异性分解和渐近近似处理, 从而实现了对周期栅格电极阵下表面波传播的精确、快速求解. 尤其是利用禁带边缘处的驻波场特性获得了耦合反射系数的相位. 由此快速、准确、全面地提取了材料的耦合模式参数.     

浅论绿色无锡建设中的绿化仿生问题

本文分析了城市绿化建设中存在的共性问题及可采取的对策,从生态系统生物生产、物质循环、能量流动、信息传递以及构建和谐种群关系5个方面论述了城市绿化应以模拟自然生态系统结构与功能为途径,并指出提高城市绿化仿生水平是实现绿色无锡建设目标的关键.     

核主泵机械密封的流固强耦合模型

核主泵机械密封的机理和性能研究对压水堆核电站安全可靠运行具有重要意义.本文提出了一种适用于流体静压型核主泵机械密封的流固强耦合模型.根据核主泵机械密封的结构特点和工作特性,在圆环变形理论的基础上发展了密封装置机械变形的解析计算方法.结合密封端面机械变形和密封间隙流场的分析,将流体域、固体域和耦合作用构造在同一组控制方程中并同时求解所有变量,得到了流体静压型核主泵机械密封的解析式流固强耦合模型.此模型得到了相关实验结果的验证.将本文提出的解析式流固耦合模型应用于核主泵机械密封的参数研究,分别在一般情况和泄漏率固定条件下,得到了夹紧环螺钉参数和密封端面几何参数对于密封性能的影响规律.相关研究结果为此类机械密封的性能分析、设计及装配等提供了一定的理论依据.相对于全数值方法,本文模型具有高效、便捷、易于施加约束条件等独特优越性.     

交流线路对邻近并行直流线路的电磁干扰

简述了交流线路对邻近并行直流线路的电磁干扰的原理,总结了国内外的研究近况 计算了在交流线路正常运行和单相接地故障情况下,通过感性耦合和容性耦合,在直流线路上产生的感应电压和电流 提供了拟建的满城县、定兴县、固安县、天津市境内神保线、浑霸线、津南~津北线、津北~盘山线500kV交流线路对邻近并行直流线路电磁干扰的计算结果.     

甲虫前翅仿生应用基础研究二十年:内部结构、模型及其一体化蜂窝板

回顾了笔者从事甲虫前翅仿生研究20年的历程:前期(1997~2007年)主要指出了甲虫前翅具有以小柱为中空层的轻质变截面边框结构,由此可获得所需的抗弯模量和转动惯量;独角仙前翅为非等角的叠层结构、具有异方性的拉伸强度;首次获得了整个前翅小柱的分布状态;实施了前翅的剥离实验,实证了小柱根部具有将剥离破坏转换成纤维拉伸断裂的作用,从而具有很强的抗剥离力学性能;同时提出了以蛋白质为芯的小柱模型和(空心)小柱-蜂窝三维结构模型,阐明了雌雄独角仙和锹形虫前翅结构的不同设计手法及其生物学意义.中期(2008~2015年)主要开发了一体化蜂窝板的制备技术;提出了完全一体化蜂窝板的概念与模型;定性地考察了多体成型、短切增强纤维长度、工艺小孔及其小柱对仿生样品力学性能的影响规律;初步证实了仿生一体化蜂窝板的优越性.最后在指出了前期研究成果对同行的影响、中期研究中存在问题的同时,简介了最新(2015~2017年)的研究进展.不仅全面验证了笔者最初对甲虫前翅具有轻质高强结构的推理,而且也充分显示了仿生学的价值和意义所在.     

倾转旋翼机前飞时机翼/短舱/旋翼耦合系统气弹稳定性分析

倾转旋翼机是一种具有普通直升机垂直起降与空中悬停能力,又兼备螺旋桨式固定翼飞机高速远程巡航能力的新型飞行器.由于旋翼与机翼之间复杂的动力学耦合关系,在前飞状态下系统的动力学稳定性随着前飞速度的提高而降低,从而限制了倾转旋翼机飞行速度的提高.针对机翼具有弹性弯扭耦合特性的倾转旋翼机系统,建立了其前飞时机翼/短舱/旋翼耦合系统的气弹稳定性分析模型.利用Boeing试验模型的参数对倾转旋翼机前飞状态下的气弹稳定性进行计算,分析了机翼弹性弯扭耦合特性对气弹稳定性的影响.结果表明,机翼向上弯曲引起前缘低头的弹性弯扭耦合特性可以显著提高机翼垂向模态的失稳速度,而机翼向前弯曲引起前缘低头的弹性弯扭耦合特性则对提升机翼弦向模态的失稳速度非常有利.