基本介紹
- 中文名：鮣魚仿生遊動吸附機理與實驗研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：文力
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鮣魚可以在遊動中完成對鯊魚、海豚、海龜等不同生物表面的吸附，其形態學與生物力學的研究已成為國際仿生界最新的熱門話題，而其頭部的吸盤被生物學家稱作”脊椎動物解剖學上最奇妙的結構之一”。本課題將通過生物測量、微納與3D列印製造、機器模型實驗、流體力學等關鍵技術手段揭示鮣魚“遊動吸附”的科學機理。本課題的主要目標是構建一個集控制仿生、運動與機構仿生、微納結構仿生於一體的新的科學樣機：可自由吸附多種生物表面的仿生水下機器人，並基於該樣機與相應的實驗裝置回答兩個關鍵的科學問題：鮣魚頭部吸盤的形態學與生物力學機制是什麼? 鮣魚是如何通過協調控制身體、鰭與吸盤實現在遊動時吸附/脫落自然界多種不同尺度的生物或仿生表面？本課題將通過以上研究，為具有實用價值的高效長航程水下航行器提供新的思路與理論技術基礎。
結題摘要
生物吸附是自然界中一種典型的運動模式。依靠頭部特殊的吸盤結構，鮣魚能夠吸附到諸如鯊魚、海豚、船體等表面做“免費搭乘”，以節省遊動能量。鮣魚吸盤的特殊性在於：它不僅有周邊的柔軟唇圈提供吸附，在其唇圈內部還有成排的軟組織包裹骨骼的鰭片狀結構，在每排鰭片的頂部有2-3排向後生長的微米級別的硬質小刺結構。前人的研究表明，鮣魚吸盤內部的特殊結構可能對其吸附有著至關重要的作用。受制於生物行為的不可控性，無法直接對鮣魚吸盤進行研究。因此，通過仿生學設計製作出完全仿生的鮣魚吸盤、再對該仿生吸盤進行力學探索從而獲取生物吸附規律是一個十分合理的方案。本項目利用各種先進觀測、分析手段獲取生物鮣魚的各部分關鍵巨觀和微觀尺寸，再通過工程化仿生設計與製作完成仿生吸盤樣機，針對該樣機進行系統的力學實驗，從而探索生物鮣魚的吸附機理。同時，項目中還設計出一個仿生水下航行器，能夠利用仿生吸盤完成吸附、維持、脫附、巡遊等動作，這為未來新概念水下航行器的設計提供了新的思路。主要研究工作有：（1）利用Micro-CT、ESEM和光學顯微鏡等獲取鮣魚吸盤的微納形態學數據和關鍵部分材料特性；（2）利用多台高速相機同步追蹤獲得鮣魚吸附-維持-脫附過程中的吸盤運動，通過視頻分析和數據整理獲取鮣魚吸盤內部鰭片主動運動的依據；（3）基於已經獲取的生物形態學和運動學數據設計仿生吸盤樣機，並利用多材料3D列印、軟材料澆注和微雷射切割實現仿生樣機的製作；（4）搭建力學測試平台並製作多種不同粗糙度的吸附表面，通過系統的力學實驗探究仿生吸盤的吸附機理；（7）通過鰭片接觸可視化實驗和墨水實驗對得出的生物機理進行驗證；（6）結合已有的仿生吸盤樣機和小型水下航行器，製作出一個能夠進行水下吸附的新概念航行器。同時，將仿生樣機安裝在多自由度機械臂的末端做工業套用展示。
