蝎子体表超敏微振动感受器感知机理与仿生研究

发布时间：2020-04-06 19:15

【摘要】：传感器是信息获取的源头,也是“中国制造2025”整个链条需求总量最大和最基础的环节。在众多类型的传感器当中,机械量传感器是一类能够将机械量信号(声音,压力,振动,流速,加速度等)按一定规律变换成为电信号的传感器。由于制造的过程以及被检测对象运行的过程是一个机械量信号不断产生的过程,而机械量信号中又包含运行设备及生命体的众多特征参数,因此机械量传感器是“中国制造2025”指出的国家重点发展的十大技术领域中应用最为广泛的一类传感器。目前,为满足中国制造不断升级的需求,机械量传感器急需实现从传统型向全新型的转变。因此,具有优异综合性能的新型机械量传感器的研发成为了各重点领域的关键共性技术难题。自然界中的生物为了在残酷的自然环境中繁衍、生存,在其体表进化出了超灵敏的机械量感受器,能够从复杂的自然环境中排除噪音干扰,并极为精准的辨别、定位微弱的空气/水流扰动及地表微振动等机械量信号。这些机械量感受器完美地综合了微尺度、高精度、高稳定、低功耗、抗干扰等优异性能,其优异的综合性能是人类现有机械量传感器所远不能极的也是迫切需求的。因此,典型生物体表的机械量感受器为研发具有优异综合性能的新型机械量传感器提供了天然的蓝本。在众多类型的机械量感受器当种,蝎子体表的微振动感受器是较为典型的一种,它不仅能在高衰减因子的土壤表面,精准地感知、定位到周围20 cm范围内的一个沙粒的微小扰动,也能感知到其周围50 cm处地下洞穴内昆虫活动引发的微小振动。因此,针对蝎子体表微振动感受器的超敏感知机理开展深入的研究,并在此基础上开展高性能机械量传感器的仿生设计、制造,必将为国家重点领域所需的新型机械量传感器的研发带来曙光。本文对不同生境(沙漠、戈壁、草原、森林、潮间带等)蝎子及其微振动感受器进行了统计分析,选取有利于开展试验研究的彼得异蝎(Heteroremtrus petersii)作为仿生模本。对其微振动感受器的分布位置、形态特征及形变规律进行了分析。上述试验发现微振动感受器由长度不同(35μm—240μm)缝单元组成,缝单元宽度为3—5μm,无论在蝎子行走还是感知的过程,缝感知单元都会在跗骨对跖骨的挤压作用下发生相应的挤压变形。上述研究证明了微振动感受器通过引起缝感知单元的挤压变形实现了微振动信号高效感知。对感受器结构特征、材料组成、组织力学性能等感知功能要素进行了分析。首先,结合显微CT与组织固定切片技术,对不同生理状态下微振动感受器内部多尺度结构特征进行了分析,从结构角度进一步证明了微振动感受器由长度不同的缝感知单元组成,并准确测定了感受器的多尺度结构特征参数;接着,借助多种材料表征手段,从不同角度分析了微振动感受器的物相组成,发现了微振动感受器除含有α-几丁质外,还含有具有耐疲劳特性的节肢弹性蛋白,并对节肢弹性蛋白的具体分布位置进行了分析;进一步,结合原子力显微镜与纳米压痕仪,对不同生理状态下微振动感受器的组织力学性能进行了定性、定量分析,发现了覆盖缝尾部的表皮膜和上表皮组织存在显著的力学性能差异,两者的弹性模量分别为5.57 GPa和0.59 GPa。结合微观形貌观察与免疫组织化学分析方法,对感知神经元与缝感知结构的耦合位点进行了分析,发现了感知神经元纳米尺度信号接受域与缝尖端应力场重合。通过断裂力学理论对缝感知单元的力学特性进行了分析。实验结果与理论分析表明:蝎子借助缝尖端应力场的能量集中效应将微弱分散的振动信号高效的聚集在纳米尺度的信号接受域内并转化成为生物电信号,从而实现了微弱机械量信号的超敏感知。搭建了微振动感受器生物电响应测试装置,对微振动感受器产生的生物电信号的频率响应特性进行了分析,发现微振动感受器产生的生物电信号存在显著的频率选择性,对55Hz的振动信号极为敏感。进一步结合微振动感受器的分布位置以及受力特点分析发现,生物电信号峰值的出现是由于微振动感受器在55Hz处发生共振而产生较大挤压形变导致的。由此揭示微振动感受器巧妙借助“共振效应”实现了复杂噪音环境中生物振动信号的高效筛选。对微振动感受器的结构安全性进行了分析,发现微振动感受器主体由抗断裂的多尺度分层结构以及耐疲劳的节肢弹性蛋白组成,这种材料与结构的协同作用,赋予感受器主体优异的抗疲劳断裂性能。进一步,基于上表皮和覆盖缝的表皮膜的活性组织力学性能以及感受器的微观结构参数,建立了缝感知单元周围组织复合弹性模量与外部施加载荷之间的函数映射关系。理论分析表明,覆盖缝尾部的表皮膜凭借其合理的弹性模量配置,有效的防止了缝尖端处能量集中效应过强而导致的新裂纹从尖端处的萌生。进一步,建立了表皮膜周围组织复合弹性模量与缝隙宽度之间函数映射关系,分析了缝感受器感知灵敏性与结构安全性的兼顾机制。理论分析表明,当被感知信号强度小于结构安全值时,保护机制休眠,此时缝尖端处的应力集中效应并未受任何影响,缝感知单元借助其尖端的能量集中效应实现微弱机械量信号的超敏感知;当被感知信号强度高于安全值时,保护机制启动,缝尖端的能量集中强度被限制在安全值范围之内,起到很好的保护作用。最后,从“形似仿生设计”和“神似仿生设计”角度出发,分别建立基于缝感知单元形态、形变特征启发和基于缝感知单元功能机理启发的机械量传感元件仿生设计模型,并在上述模型建立的基础上分别开展了仿生机械量传感元件的设计、制造和性能测试试验。基于“形似”的电阻式仿生传感元件灵敏度系数(GF)高达712,相较于无裂纹的传感元件(GF=42),灵敏度显著提高。而基于“神似”的仿生传感元件,证明了缝感知单元功能机理仿生再现的可行性。
【图文】：

生物功能,制品,感受器,生物体表

图 1.1 生物功能结构及其仿生制品（a）仿座头鲸风力涡轮叶片[51];（b）仿雀尾螳螂虾轻质高韧材料[54]；（c）仿土壤动物体表形态脱附减阻产品[55, 59]1.3 典型生物体表感受器仿生研究进展从信息控制系统的角度分析，自然界中的生命体都是由感知（激励）—控制（决策）—反应（运动、执行）三部分组成的生命自动控制系统[18]。其中，感知是生命系统信息获取的基础，是机体对外部和内部刺激做出精确分析和应激响应的先决条件，由生物感受器执行完成。根据分布部位和接受刺激的来源不同，生物感受器又被分为内感受器、本体感受器和外感受器。其中，外感受器是分布在人和动物的皮肤和体表的一类感受器，因此，也被称为生物体表感受器。它能够高效感知外部机械量、光、热、化学等刺激信号，并将其高效转化为相应的动作

生物体表,光感受器,制品,化学感受器

图 1.2 生物体表光感受器及其仿生制品（a）昆虫复眼[63]；（b）仿生复眼成像系统[67]；（c）螳螂虾光感受器;（d）仿生偏振成像传感器[68, 71]；（e）鹰眼;（f）仿生视觉成像装置[61, 72]；（g）猫眼;（h）微光夜视仪1.3.2 化学感受器仿生研究动物体表化学感受器是能够对外部化学刺激产生应答响应，并将化学信号转化为生物电脉冲信号的一类感受器，例如，人类的味觉、嗅觉感受器均属于化学感受器的范畴。动物的捕食、求偶、避害、选择栖境等生命活动都离不开化学感受器的参与。因此，化学感受器在动物适应复杂环境的过程中同样扮演重要的角色，例如，，爬行动物（壁虎、蜥蜴等）和昆虫（蜜蜂等）能够在复杂的自然环境中借助超灵敏的化学感受器判断周围环境是否安全，以及是否存在猎物[74-76]。类
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP212

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