蛙类足掌粘附结构的仿生研究及力学测试系统

论文摘要

树蛙足掌的趾、指端均带有椭圆形的吸盘,依靠吸盘所产生的吸附力,树蛙攀爬行走在竖直的墙面上,研究树蛙足掌吸盘对粘附机构的设计具有重要意义。本文以中国大树蛙为研究对象,利用各类显微镜(如生物显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜)对大树蛙足掌吸盘表面组织的微观形貌进行了观测。研究结果表明,吸盘表面存在大量的六边形凸起结构和少数零散的小孔。从吸盘剖面来看,吸盘表面结构分为三个部分:凸起表皮组织、带状皮下组织、结缔组织,只有吸盘的正面才具有凸起表皮组织。对中国大树蛙吸盘进行了各类力学测试实验。实验发现,吸盘施加的正压力越大,其法向吸附力也越大;在同一接触表面,足掌滑动速度越大或者接触面积越大,其足掌摩擦力也越大;竖直爬行时接触表面的表面形貌对大树蛙的吸附能力有影响;通过实验和理论分析,证明大树蛙足掌的粘附机理是在毛细作用下吸盘表面湿粘附和机械互锁的共同作用。利用高速摄像机拍摄大树蛙的竖直爬行过程,发现大树蛙利用足掌的多级关节,以滚轮的形式实现了足掌吸盘的动态的粘附和脱附。设计三维力学测试系统,包括三维力传感器、调理电路和采集程序,为深入了解大树蛙在爬行过程中的粘附机制和运动规律,提供了测试工具。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 生物粘附功能研究
• 1.1.1 刚毛型粘附
• 1.1.2 表皮垫型粘附
• 1.2 仿生学的研究范围和意义
• 1.3 粘附结构仿生的研究进展
• 1.4 生物力学测试系统的研究现状
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 大树蛙吸盘的微观结构
• 2.1 实验研究对象
• 2.2 实验设备
• 2.3 样本的制备
• 2.3.1 一般样本
• 2.3.2 扫描电镜样本
• 2.3.3 切片样本
• 2.4 吸盘微观结构的观测与分析
• 2.4.1 肉眼观察
• 2.4.2 光学显微镜的观测
• 2.4.3 扫描电子显微镜的观察结果和分析
• 2.4.4 原子力显微镜
• 2.4.5 表面形貌仪的观测
• 2.5 观察结论
• 第三章 大树蛙的接触力学测试
• 3.1 法向力的力学测试
• 3.1.1 实验对象及目的
• 3.1.2 实验设备
• 3.1.3 实验过程
• 3.1.4 实验数据处理
• 3.1.5 实验结果及分析
• 3.2 摩擦力的力学测试
• 3.2.1 实验对象及目的
• 3.2.2 实验设备
• 3.2.3 实验过程
• 3.2.4 实验结果及分析
• 3.3 二维接触力的力学测试
• 3.3.1 实验对象及目的
• 3.3.2 实验设备
• 3.3.3 实验过程
• 3.3.4 实验结果及分析
• 3.4 三维接触力的爬行同步跟踪测试
• 3.4.1 实验对象及目的
• 3.4.2 实验设备
• 3.4.3 实验过程
• 3.4.4 力学实验结果及分析
• 3.4.5 竖直时大树蛙足掌与接触力的关系
• 3.5 测试结果总结
• 第四章 大树蛙吸盘的粘附机理
• 4.1 微尺度下的粘着力的接触力学
• 4.1.1 接触力学概述
• 4.1.2 Hertz 接触理论
• 4.1.3 固体间的表面力
• 4.1.4 考虑表面力作用的接触理论
• 4.2 毛细作用
• 4.2.1 毛细作用下的粘着力模型
• 4.2.2 拉普拉斯压力
• 4.3 摩擦力
• 4.4 足掌吸盘作用机理分析
• 4.4.1 粘附机理
• 4.4.2 粘附和脱附过程
• 第五章 三维力学测试系统的设计
• 5.1 系统介绍
• 5.2 数据采集卡
• 5.3 系统软件
• 5.3.1 LabVIEW 的介绍
• 5.3.2 软件结构
• 5.3.3 数据连续采集过程
• 5.3.4 程序设计
• 5.4 信号调理模块的设计
• 5.4.1 放大电路
• 5.4.2 低通滤波电路
• 5.4.3 信号调理电路及实物图
• 5.5 三维力传感器的设计
• 5.5.1 电阻应变式传感器的工作原理
• 5.5.2 三维力传感器结构的设计
• 5.5.3 弹性体结构的有限元分析
• 5.5.4 三维力传感器的加工制作
• 5.5.5 传感器的标定
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果