發(fā)布時(shí)間：2020-04-06 19:15

【摘要】：傳感器是信息獲取的源頭,也是“中國(guó)制造2025”整個(gè)鏈條需求總量最大和最基礎(chǔ)的環(huán)節(jié)。在眾多類型的傳感器當(dāng)中,機(jī)械量傳感器是一類能夠?qū)�機(jī)械量信號(hào)(聲音,壓力,振動(dòng),流速,加速度等)按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)的傳感器。由于制造的過(guò)程以及被檢測(cè)對(duì)象運(yùn)行的過(guò)程是一個(gè)機(jī)械量信號(hào)不斷產(chǎn)生的過(guò)程,而機(jī)械量信號(hào)中又包含運(yùn)行設(shè)備及生命體的眾多特征參數(shù),因此機(jī)械量傳感器是“中國(guó)制造2025”指出的國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的十大技術(shù)領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的一類傳感器。目前,為滿足中國(guó)制造不斷升級(jí)的需求,機(jī)械量傳感器急需實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)型向全新型的轉(zhuǎn)變。因此,具有優(yōu)異綜合性能的新型機(jī)械量傳感器的研發(fā)成為了各重點(diǎn)領(lǐng)域的關(guān)鍵共性技術(shù)難題。自然界中的生物為了在殘酷的自然環(huán)境中繁衍、生存,在其體表進(jìn)化出了超靈敏的機(jī)械量感受器,能夠從復(fù)雜的自然環(huán)境中排除噪音干擾,并極為精準(zhǔn)的辨別、定位微弱的空氣/水流擾動(dòng)及地表微振動(dòng)等機(jī)械量信號(hào)。這些機(jī)械量感受器完美地綜合了微尺度、高精度、高穩(wěn)定、低功耗、抗干擾等優(yōu)異性能,其優(yōu)異的綜合性能是人類現(xiàn)有機(jī)械量傳感器所遠(yuǎn)不能極的也是迫切需求的。因此,典型生物體表的機(jī)械量感受器為研發(fā)具有優(yōu)異綜合性能的新型機(jī)械量傳感器提供了天然的藍(lán)本。在眾多類型的機(jī)械量感受器當(dāng)種,蝎子體表的微振動(dòng)感受器是較為典型的一種,它不僅能在高衰減因子的土壤表面,精準(zhǔn)地感知、定位到周?chē)?0 cm范圍內(nèi)的一個(gè)沙粒的微小擾動(dòng),也能感知到其周?chē)?0 cm處地下洞穴內(nèi)昆蟲(chóng)活動(dòng)引發(fā)的微小振動(dòng)。因此,針對(duì)蝎子體表微振動(dòng)感受器的超敏感知機(jī)理開(kāi)展深入的研究,并在此基礎(chǔ)上開(kāi)展高性能機(jī)械量傳感器的仿生設(shè)計(jì)、制造,必將為國(guó)家重點(diǎn)領(lǐng)域所需的新型機(jī)械量傳感器的研發(fā)帶來(lái)曙光。本文對(duì)不同生境(沙漠、戈壁、草原、森林、潮間帶等)蝎子及其微振動(dòng)感受器進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,選取有利于開(kāi)展試驗(yàn)研究的彼得異蝎(Heteroremtrus petersii)作為仿生模本。對(duì)其微振動(dòng)感受器的分布位置、形態(tài)特征及形變規(guī)律進(jìn)行了分析。上述試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微振動(dòng)感受器由長(zhǎng)度不同(35μm—240μm)縫單元組成,縫單元寬度為3—5μm,無(wú)論在蝎子行走還是感知的過(guò)程,縫感知單元都會(huì)在跗骨對(duì)跖骨的擠壓作用下發(fā)生相應(yīng)的擠壓變形。上述研究證明了微振動(dòng)感受器通過(guò)引起縫感知單元的擠壓變形實(shí)現(xiàn)了微振動(dòng)信號(hào)高效感知。對(duì)感受器結(jié)構(gòu)特征、材料組成、組織力學(xué)性能等感知功能要素進(jìn)行了分析。首先,結(jié)合顯微CT與組織固定切片技術(shù),對(duì)不同生理狀態(tài)下微振動(dòng)感受器內(nèi)部多尺度結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了分析,從結(jié)構(gòu)角度進(jìn)一步證明了微振動(dòng)感受器由長(zhǎng)度不同的縫感知單元組成,并準(zhǔn)確測(cè)定了感受器的多尺度結(jié)構(gòu)特征參數(shù);接著,借助多種材料表征手段,從不同角度分析了微振動(dòng)感受器的物相組成,發(fā)現(xiàn)了微振動(dòng)感受器除含有α-幾丁質(zhì)外,還含有具有耐疲勞特性的節(jié)肢彈性蛋白,并對(duì)節(jié)肢彈性蛋白的具體分布位置進(jìn)行了分析;進(jìn)一步,結(jié)合原子力顯微鏡與納米壓痕儀,對(duì)不同生理狀態(tài)下微振動(dòng)感受器的組織力學(xué)性能進(jìn)行了定性、定量分析,發(fā)現(xiàn)了覆蓋縫尾部的表皮膜和上表皮組織存在顯著的力學(xué)性能差異,兩者的彈性模量分別為5.57 GPa和0.59 GPa。結(jié)合微觀形貌觀察與免疫組織化學(xué)分析方法,對(duì)感知神經(jīng)元與縫感知結(jié)構(gòu)的耦合位點(diǎn)進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)了感知神經(jīng)元納米尺度信號(hào)接受域與縫尖端應(yīng)力場(chǎng)重合。通過(guò)斷裂力學(xué)理論對(duì)縫感知單元的力學(xué)特性進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析表明:蝎子借助縫尖端應(yīng)力場(chǎng)的能量集中效應(yīng)將微弱分散的振動(dòng)信號(hào)高效的聚集在納米尺度的信號(hào)接受域內(nèi)并轉(zhuǎn)化成為生物電信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)了微弱機(jī)械量信號(hào)的超敏感知。搭建了微振動(dòng)感受器生物電響應(yīng)測(cè)試裝置,對(duì)微振動(dòng)感受器產(chǎn)生的生物電信號(hào)的頻率響應(yīng)特性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)微振動(dòng)感受器產(chǎn)生的生物電信號(hào)存在顯著的頻率選擇性,對(duì)55Hz的振動(dòng)信號(hào)極為敏感。進(jìn)一步結(jié)合微振動(dòng)感受器的分布位置以及受力特點(diǎn)分析發(fā)現(xiàn),生物電信號(hào)峰值的出現(xiàn)是由于微振動(dòng)感受器在55Hz處發(fā)生共振而產(chǎn)生較大擠壓形變導(dǎo)致的。由此揭示微振動(dòng)感受器巧妙借助“共振效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜噪音環(huán)境中生物振動(dòng)信號(hào)的高效篩選。對(duì)微振動(dòng)感受器的結(jié)構(gòu)安全性進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)微振動(dòng)感受器主體由抗斷裂的多尺度分層結(jié)構(gòu)以及耐疲勞的節(jié)肢彈性蛋白組成,這種材料與結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用,賦予感受器主體優(yōu)異的抗疲勞斷裂性能。進(jìn)一步,基于上表皮和覆蓋縫的表皮膜的活性組織力學(xué)性能以及感受器的微觀結(jié)構(gòu)參數(shù),建立了縫感知單元周?chē)�組織復(fù)合彈性模量與外部施加載荷之間的函數(shù)映射關(guān)系。理論分析表明,覆蓋縫尾部的表皮膜憑借其合理的彈性模量配置,有效的防止了縫尖端處能量集中效應(yīng)過(guò)強(qiáng)而導(dǎo)致的新裂紋從尖端處的萌生。進(jìn)一步,建立了表皮膜周?chē)�組織復(fù)合彈性模量與縫隙寬度之間函數(shù)映射關(guān)系,分析了縫感受器感知靈敏性與結(jié)構(gòu)安全性的兼顧機(jī)制。理論分析表明,當(dāng)被感知信號(hào)強(qiáng)度小于結(jié)構(gòu)安全值時(shí),保護(hù)機(jī)制休眠,此時(shí)縫尖端處的應(yīng)力集中效應(yīng)并未受任何影響,縫感知單元借助其尖端的能量集中效應(yīng)實(shí)現(xiàn)微弱機(jī)械量信號(hào)的超敏感知;當(dāng)被感知信號(hào)強(qiáng)度高于安全值時(shí),保護(hù)機(jī)制啟動(dòng),縫尖端的能量集中強(qiáng)度被限制在安全值范圍之內(nèi),起到很好的保護(hù)作用。最后,從“形似仿生設(shè)計(jì)”和“神似仿生設(shè)計(jì)”角度出發(fā),分別建立基于縫感知單元形態(tài)、形變特征啟發(fā)和基于縫感知單元功能機(jī)理啟發(fā)的機(jī)械量傳感元件仿生設(shè)計(jì)模型,并在上述模型建立的基礎(chǔ)上分別開(kāi)展了仿生機(jī)械量傳感元件的設(shè)計(jì)、制造和性能測(cè)試試驗(yàn)�；�于“形似”的電阻式仿生傳感元件靈敏度系數(shù)(GF)高達(dá)712,相較于無(wú)裂紋的傳感元件(GF=42),靈敏度顯著提高。而基于“神似”的仿生傳感元件,證明了縫感知單元功能機(jī)理仿生再現(xiàn)的可行性。
【圖文】：

圖 1.1 生物功能結(jié)構(gòu)及其仿生制品（a）仿座頭鯨風(fēng)力渦輪葉片[51];（b）仿雀尾螳螂蝦輕質(zhì)高韌材料[54]；（c）仿土壤動(dòng)物體表形態(tài)脫附減阻產(chǎn)品[55, 59]1.3 典型生物體表感受器仿生研究進(jìn)展從信息控制系統(tǒng)的角度分析，自然界中的生命體都是由感知（激勵(lì)）—控制（決策）—反應(yīng)（運(yùn)動(dòng)、執(zhí)行）三部分組成的生命自動(dòng)控制系統(tǒng)[18]。其中，感知是生命系統(tǒng)信息獲取的基礎(chǔ)，是機(jī)體對(duì)外部和內(nèi)部刺激做出精確分析和應(yīng)激響應(yīng)的先決條件，由生物感受器執(zhí)行完成。根據(jù)分布部位和接受刺激的來(lái)源不同，生物感受器又被分為內(nèi)感受器、本體感受器和外感受器。其中，外感受器是分布在人和動(dòng)物的皮膚和體表的一類感受器，因此，也被稱為生物體表感受器。它能夠高效感知外部機(jī)械量、光、熱、化學(xué)等刺激信號(hào)，并將其高效轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的動(dòng)作

圖 1.2 生物體表光感受器及其仿生制品（a）昆蟲(chóng)復(fù)眼[63]；（b）仿生復(fù)眼成像系統(tǒng)[67]；（c）螳螂蝦光感受器;（d）仿生偏振成像傳感器[68, 71]；（e）鷹眼;（f）仿生視覺(jué)成像裝置[61, 72]；（g）貓眼;（h）微光夜視儀1.3.2 化學(xué)感受器仿生研究動(dòng)物體表化學(xué)感受器是能夠?qū)ν獠炕瘜W(xué)刺激產(chǎn)生應(yīng)答響應(yīng)，并將化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化為生物電脈沖信號(hào)的一類感受器，例如，人類的味覺(jué)、嗅覺(jué)感受器均屬于化學(xué)感受器的范疇。動(dòng)物的捕食、求偶、避害、選擇棲境等生命活動(dòng)都離不開(kāi)化學(xué)感受器的參與。因此，化學(xué)感受器在動(dòng)物適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的過(guò)程中同樣扮演重要的角色，例如，，爬行動(dòng)物（壁虎、蜥蜴等）和昆蟲(chóng)（蜜蜂等）能夠在復(fù)雜的自然環(huán)境中借助超靈敏的化學(xué)感受器判斷周?chē)�環(huán)境是否安全，以及是否存在獵物[74-76]。類
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP212

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 陳德明,張人驥,程會(huì)文,柳丹霞,張?jiān)手?極化電流對(duì)蜚蠊尾須毛形振動(dòng)感受器傳入信息的影響[J];北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1980年03期

2 陳德明,張人驥,林文娜,朱麗霞,黃炳南,肖悅梅,羅林兒,李立谷;蜚蠊尾須毛形振動(dòng)感受器的反應(yīng)性[J];北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1980年03期

3 陳德明,張人驥,程會(huì)文,吳文燦;蜚蠊尾須毛形振動(dòng)感受器的離心調(diào)節(jié)[J];北京大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1980年03期

4 鄭國(guó)璋;;動(dòng)物的振動(dòng)感受器[J];生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展;1978年06期

5 史慧超;樊尚春;;基于昆蟲(chóng)振動(dòng)感受器的諧振式硅微機(jī)械壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J];計(jì)測(cè)技術(shù);2012年S1期

6 蔣錦昌 ,陳筱楓;哺乳動(dòng)物的“振動(dòng)感受器”[J];地震;1981年01期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 王可軍;蝎子體表超敏微振動(dòng)感受器感知機(jī)理與仿生研究[D];吉林大學(xué);2019年

本文編號(hào)：2616916