發(fā)布時間：2020-04-06 19:15

【摘要】：傳感器是信息獲取的源頭,也是“中國制造2025”整個鏈條需求總量最大和最基礎的環(huán)節(jié)。在眾多類型的傳感器當中,機械量傳感器是一類能夠將機械量信號(聲音,壓力,振動,流速,加速度等)按一定規(guī)律變換成為電信號的傳感器。由于制造的過程以及被檢測對象運行的過程是一個機械量信號不斷產生的過程,而機械量信號中又包含運行設備及生命體的眾多特征參數(shù),因此機械量傳感器是“中國制造2025”指出的國家重點發(fā)展的十大技術領域中應用最為廣泛的一類傳感器。目前,為滿足中國制造不斷升級的需求,機械量傳感器急需實現(xiàn)從傳統(tǒng)型向全新型的轉變。因此,具有優(yōu)異綜合性能的新型機械量傳感器的研發(fā)成為了各重點領域的關鍵共性技術難題。自然界中的生物為了在殘酷的自然環(huán)境中繁衍、生存,在其體表進化出了超靈敏的機械量感受器,能夠從復雜的自然環(huán)境中排除噪音干擾,并極為精準的辨別、定位微弱的空氣/水流擾動及地表微振動等機械量信號。這些機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)有機械量傳感器所遠不能極的也是迫切需求的。因此,典型生物體表的機械量感受器為研發(fā)具有優(yōu)異綜合性能的新型機械量傳感器提供了天然的藍本。在眾多類型的機械量感受器當種,蝎子體表的微振動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,精準地感知、定位到周圍20 cm范圍內的一個沙粒的微小擾動,也能感知到其周圍50 cm處地下洞穴內昆蟲活動引發(fā)的微小振動。因此,針對蝎子體表微振動感受器的超敏感知機理開展深入的研究,并在此基礎上開展高性能機械量傳感器的仿生設計、制造,必將為國家重點領域所需的新型機械量傳感器的研發(fā)帶來曙光。本文對不同生境(沙漠、戈壁、草原、森林、潮間帶等)蝎子及其微振動感受器進行了統(tǒng)計分析,選取有利于開展試驗研究的彼得異蝎(Heteroremtrus petersii)作為仿生模本。對其微振動感受器的分布位置、形態(tài)特征及形變規(guī)律進行了分析。上述試驗發(fā)現(xiàn)微振動感受器由長度不同(35μm—240μm)縫單元組成,縫單元寬度為3—5μm,無論在蝎子行走還是感知的過程,縫感知單元都會在跗骨對跖骨的擠壓作用下發(fā)生相應的擠壓變形。上述研究證明了微振動感受器通過引起縫感知單元的擠壓變形實現(xiàn)了微振動信號高效感知。對感受器結構特征、材料組成、組織力學性能等感知功能要素進行了分析。首先,結合顯微CT與組織固定切片技術,對不同生理狀態(tài)下微振動感受器內部多尺度結構特征進行了分析,從結構角度進一步證明了微振動感受器由長度不同的縫感知單元組成,并準確測定了感受器的多尺度結構特征參數(shù);接著,借助多種材料表征手段,從不同角度分析了微振動感受器的物相組成,發(fā)現(xiàn)了微振動感受器除含有α-幾丁質外,還含有具有耐疲勞特性的節(jié)肢彈性蛋白,并對節(jié)肢彈性蛋白的具體分布位置進行了分析;進一步,結合原子力顯微鏡與納米壓痕儀,對不同生理狀態(tài)下微振動感受器的組織力學性能進行了定性、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性能差異,兩者的彈性模量分別為5.57 GPa和0.59 GPa。結合微觀形貌觀察與免疫組織化學分析方法,對感知神經(jīng)元與縫感知結構的耦合位點進行了分析,發(fā)現(xiàn)了感知神經(jīng)元納米尺度信號接受域與縫尖端應力場重合。通過斷裂力學理論對縫感知單元的力學特性進行了分析。實驗結果與理論分析表明:蝎子借助縫尖端應力場的能量集中效應將微弱分散的振動信號高效的聚集在納米尺度的信號接受域內并轉化成為生物電信號,從而實現(xiàn)了微弱機械量信號的超敏感知。搭建了微振動感受器生物電響應測試裝置,對微振動感受器產生的生物電信號的頻率響應特性進行了分析,發(fā)現(xiàn)微振動感受器產生的生物電信號存在顯著的頻率選擇性,對55Hz的振動信號極為敏感。進一步結合微振動感受器的分布位置以及受力特點分析發(fā)現(xiàn),生物電信號峰值的出現(xiàn)是由于微振動感受器在55Hz處發(fā)生共振而產生較大擠壓形變導致的。由此揭示微振動感受器巧妙借助“共振效應”實現(xiàn)了復雜噪音環(huán)境中生物振動信號的高效篩選。對微振動感受器的結構安全性進行了分析,發(fā)現(xiàn)微振動感受器主體由抗斷裂的多尺度分層結構以及耐疲勞的節(jié)肢彈性蛋白組成,這種材料與結構的協(xié)同作用,賦予感受器主體優(yōu)異的抗疲勞斷裂性能。進一步,基于上表皮和覆蓋縫的表皮膜的活性組織力學性能以及感受器的微觀結構參數(shù),建立了縫感知單元周圍組織復合彈性模量與外部施加載荷之間的函數(shù)映射關系。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過強而導致的新裂紋從尖端處的萌生。進一步,建立了表皮膜周圍組織復合彈性模量與縫隙寬度之間函數(shù)映射關系,分析了縫感受器感知靈敏性與結構安全性的兼顧機制。理論分析表明,當被感知信號強度小于結構安全值時,保護機制休眠,此時縫尖端處的應力集中效應并未受任何影響,縫感知單元借助其尖端的能量集中效應實現(xiàn)微弱機械量信號的超敏感知;當被感知信號強度高于安全值時,保護機制啟動,縫尖端的能量集中強度被限制在安全值范圍之內,起到很好的保護作用。最后,從“形似仿生設計”和“神似仿生設計”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理啟發(fā)的機械量傳感元件仿生設計模型,并在上述模型建立的基礎上分別開展了仿生機械量傳感元件的設計、制造和性能測試試驗�；�于“形似”的電阻式仿生傳感元件靈敏度系數(shù)(GF)高達712,相較于無裂紋的傳感元件(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理仿生再現(xiàn)的可行性。
【圖文】：

圖 1.1 生物功能結構及其仿生制品（a）仿座頭鯨風力渦輪葉片[51];（b）仿雀尾螳螂蝦輕質高韌材料[54]；（c）仿土壤動物體表形態(tài)脫附減阻產品[55, 59]1.3 典型生物體表感受器仿生研究進展從信息控制系統(tǒng)的角度分析，自然界中的生命體都是由感知（激勵）—控制（決策）—反應（運動、執(zhí)行）三部分組成的生命自動控制系統(tǒng)[18]。其中，感知是生命系統(tǒng)信息獲取的基礎，是機體對外部和內部刺激做出精確分析和應激響應的先決條件，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源不同，生物感受器又被分為內感受器、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械量、光、熱、化學等刺激信號，并將其高效轉化為相應的動作

圖 1.2 生物體表光感受器及其仿生制品（a）昆蟲復眼[63]；（b）仿生復眼成像系統(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）仿生視覺成像裝置[61, 72]；（g）貓眼;（h）微光夜視儀1.3.2 化學感受器仿生研究動物體表化學感受器是能夠對外部化學刺激產生應答響應，并將化學信號轉化為生物電脈沖信號的一類感受器，例如，人類的味覺、嗅覺感受器均屬于化學感受器的范疇。動物的捕食、求偶、避害、選擇棲境等生命活動都離不開化學感受器的參與。因此，化學感受器在動物適應復雜環(huán)境的過程中同樣扮演重要的角色，例如，，爬行動物（壁虎、蜥蜴等）和昆蟲（蜜蜂等）能夠在復雜的自然環(huán)境中借助超靈敏的化學感受器判斷周圍環(huán)境是否安全，以及是否存在獵物[74-76]。類
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP212

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本文編號：2616916