基於沙漠蠍子振動感知機理的仿生超微感測構件的研究

《基於沙漠蠍子振動感知機理的仿生超微感測構件的研究》是依託吉林大學，由張俊秋擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於沙漠蠍子振動感知機理的仿生超微感測構件的研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張俊秋
• 依託單位：吉林大學

項目摘要

以蠍子感受器官為對象進行仿生感測技術研究，採用白光干涉與光學儀器相結合，超薄切片和電子顯微鏡觀察相結合，機械刺激與電生理化學反應試驗相結合的方法，揭示蠍子感受器對化學成分、氣流和聲波的感知機理，提出仿生超微感測構件的設計原則和設計方法，製備仿蠍子感受器官的仿生超微感測構件，為解決傳統振動測試儀器抗干擾能力差、靈敏度低、頻率範圍狹窄、穩定性差等問題提供仿生學新方法。研究內容包括：巴基斯坦沙漠蠍子（Hottentotta Birula）感知微觀結構（剛毛和櫛器）特徵參數測試及分析；仿蠍子感知微觀結構的結構最佳化與可視化；蠍子剛毛和櫛器的感知機理分析；基於蠍子剛毛和櫛器微觀結構的仿生超微感測構件樣品製備與性能評價。擬解決三項關鍵科學問題：巴基斯坦沙漠蠍子體表感受器的感知機理；巴基斯坦沙漠蠍子體表感受器的感知機理與剛毛和櫛器微結構之間的內在關係；巴基斯坦沙漠蠍子體表感受器的結構最佳化。

結題摘要

現代科學技術的發展對測試與控制裝置提出了新的挑戰。提高測試裝置的測量精度、靈敏度、抗干擾性、可靠性等性能，成為國際學術界和工程領域的前沿和熱點問題，研製出滿足工業、國防、航空航天、醫學、生物等領域套用的新型測試裝置十分迫切。 以活體蠍子體表三種感受器為研究對象，從機械工程學、動物行為學、功能形態學、感知的解剖基礎、生物化學等角度，進行了仿生感測技術研究。採用了紫外光源與高速攝像相結合，超薄切片和顯微鏡觀察相結合，數字圖像處理與流量感知試驗相結合，機械刺激、化學物質刺激與電生理試驗相結合，掩膜印刷與光刻、化學沉積、刻蝕相結合等方法，對蠍子感知微觀結構特徵參數進行了測試及分析，深入探究了蠍子縫感受器對振動信號的感知機理，提出了基於蠍子縫感受器振動感知機理的仿生超微感測構件的設計原理，製造了仿生超微感測構件，對其性能進行了評價；並對蠍子蠱（剛）毛流量的感知機理、櫛器對化學氣味的感知行為進行了探索性研究。 對沙漠蠍和雨林蠍縫感受器進行了形態學表征，縫的長度為150-300μm，寬度為2-10μm，深度約為40μm，其受激勵後縫感受器發生拉伸或擠壓變形，該感受器能探測到振幅在10nm以下的振動。研發了縫感受器微振動感知測試系統，獲得蠍子受恆定強度微振動刺激時所生成的生物電信號幅頻特性曲線。發現在微振動刺激時，蠍子利用縫感受器所產生的集中應力放大微弱振動信號，從而通過微米尺度結構來感知納米級振幅的振動；蠍子縫感受器在感知特定頻段的振動時，通過共振效應使得縫感受器的集中應力高於其他頻段。採用掩膜印刷的方法製造了仿生超微感測構件。通過測量其變形前後電阻的變化，實現對形變/力矩的表征。經測定，製造的仿生感測構件靈敏係數為2800左右，單個製造成本低於0.5元。在此基礎上，發現蠍子蠱毛為高縱深比結構，基部為彈性組織，運動狀態為剛性擺動，且運動狀態與不倒翁運動狀態相似，提出了類不倒翁理論，基於此設計了彈性模量、重心、磁三種偏心式超靈敏仿生微流量感測器。設計了塗蠟等距擴散感知試驗，驗證了蠍子櫛器具有化學感知功能。採用掃描電鏡和微CT技術相結合等方法表征了蠍子櫛器的微觀結構。研究結果對於深入探索蠍子或其他蛛形綱生物體表感受器的感知機理及其在精密測量、環境保護、航空航天、地質勘探、安全救生等領域的套用，具有重要的科學探索價值和廣闊工程套用前景。