蜻蜓翅膀的宏微觀結構及其功能分析

《蜻蜓翅膀的宏微觀結構及其功能分析》是依託同濟大學，由趙紅曉擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：蜻蜓翅膀的宏微觀結構及其功能分析
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：趙紅曉
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

本項目主要觀察和研究蜻蜓翅膀的宏微觀結構，系統分析蜻蜓翅膀的宏微觀結構及其機械性能。首先，利用光學顯微鏡觀察蜻蜓翅膀的翅脈排列規律，分析具有褶皺狀和三維網狀結構的特徵，探索蜻蜓翅膀獨特的巨觀結構，揭示巨觀結構與功能之間的關係；其次，利用場發射掃描電鏡，系統地觀察蜻蜓翅脈表面、橫截面和縱截面的微觀結構，分析微觀結構與翅脈機械性能之間的關係；再者，探索蜻蜓翅膀的防顫振機理，澄清蜻蜓翅脈上獨特的中空結構（包括：中空的尖銳纖突、中空的縱脈和橫脈以及中空的翅痣）在調控顫振中的作用，研究這些中空結構內部的緻密化區域對翅膀的質量分布和剛度分布的影響，分析中空結構內組織液狀態（包括全充滿狀態、半充滿狀態、全空狀態）和組織液流動對翅膀動力學性能的影響。這項研究，將為理解蜻蜓卓越的飛行能力提供啟示，為蜻蜓翅膀的仿生力學提供參考。

結題摘要

本項目通過實驗觀察、理論分析和力學測試相結合，系統地研究蜻蜓翅膀的宏微觀結構特徵及其功能。本研究的主要成果：1. 利用場發射掃描電鏡對蜻蜓翅膀的橫縱截面、纖突、翅膜表面和翅痣進行了實驗觀察。研究結果表明：蜻蜓翅膀是一個多層次、多尺度和多功能的蜻蜓翅脈微納米結構。蜻蜓翅膀採用了光滑過渡模式和整體封裝模式的組裝模式。2、根據蜻蜓翅膀形狀特徵，建立了一組褶皺振幅漸變的翼型。採用數值模擬計算得到翼型的升力係數與阻力係數。計算結果表明，在蜻蜓飛行的雷諾數條件下（500-12000），褶皺翼型可以獲得較為理想的升阻比和定常流場。3、我們將蜻蜓翅膀的血液循環與其微納米結構相結合，藉助翅脈、翅痣、纖突的中空構造，通過啟動或者中止血液循環，蜻蜓巧妙地調控了翅膀的動力學性質，從而使其質量可輕可重，轉動慣量可大可小，固有頻率可高可低。正是多重最佳化調控機制，造就了蜻蜓卓越的飛行能力和動力學控制能力。從生物學和力學結合的角度出發，研究蜻蜓翅脈內部的血液循環與翅膀振動力學性質的關係。這些結果，為理解翅膀的功能和仿生製造提供了啟示。4、在血液對翅膀的動力影響基礎上，通過設計仿生實驗，研究翅膀的拍動對翅脈中的血液流動的影響。證實了翅膀的拍動可以為翅脈中的血液循環提供動力，觀察到了毛細管內部的Plateau-Rayleigh不穩定性現象，並揭示了一種簡單方便的測量毛細管內部初始液膜厚度的方法。5、考慮翅膀內部血液的循環流動，並與翅膀的撲翼運動和褶皺機構相結合，提出了一種控制翅膀扭轉變形的新機制。該扭矩在撲動過程中是隨時間變化的，可以有效的控制翅膀的扭轉變形。