螺类呼吸管运动机理及其能量消耗研究
发布时间：2021-11-23 10:23
软体机器人技术是基于仿生学及多学科诞生的新型研究领域。近年来,对各类水生软体动物的仿生研究已启发研究人员设计出众多软体机器人结构。螺类的呼吸管是由其身体一部分延伸出而形成的软体器官,具有很强的伸缩、弯曲能力。其结构及运动机理可能为软体机器人的设计和优化提供新的设计思路。由于其伸缩能力和特殊的柔性结构,螺类的呼吸管早在上世纪60年代就受到相关学者的关注。本文在前人研究基础上,进一步研究了螺类呼吸管的微观结构、运动机理、能量消耗模型及其表面变形规律和模式等问题。利用冷冻切片技术及显微镜观察了呼吸管的微观结构。呼吸管整体为由软体组织卷曲而成的管状结构,其内外表面分布有环状褶皱,总体类似波纹管结构。呼吸管运动机制与象鼻类似,通过由环向、纵向和横向等多个方向肌肉组成的“肌肉性静水骨骼”生理结构驱动呼吸管进行伸缩弯曲等运动。而其弹性表面由于褶皱结构的存在可以适应呼吸管的大幅度变形运动。螺类使用呼吸管伸出体外的过程涉及到呼吸管表面的屈曲变形及其带来的能量消耗的研究。建立呼吸管能量消耗模型,基于该模型分析了呼吸管表面褶皱分布规律对能量消耗的影响。并测量了福寿螺、菲律宾帘蛤和太平洋潜泥蛤的呼吸管褶皱分布...
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
软体机器人(a)跳跃机器人(Tolleyetal.,2014)；(b)仿人手机器人(Chengetal.,2012)
绪论4物种活动的影响(ZwartsandWanink,1989,Zwartsetal.,1994,Zwarts,1986)。随着观察手段的更新和进步，借助扫描电子显微镜，研究者进一步发现了呼吸管上分布的各类感受器管。Fishelson等观察并比较了多种双壳纲物种呼吸管的表面微观结构(Fishelson,2000)。软体动物呼吸管独特的柔性结构和运动能力也引起了研究者的注意，Kier和Smith等发现头足纲软体动物、象鼻等部位具有独特的“肌肉性静水骨骼”生理构造，可在无刚性骨骼支撑下进行伸长、缩短、弯曲和扭曲动作(KierandSmith,2010)。如图1-2为部分双壳纲物种呼吸管微观结构。图1-2部分双壳纲物种呼吸管微观结构(Fishelson,2000)（a）双壳纲物种(Tapesdecussatus)呼吸管表面触角；（b）双壳纲物种(Brachidontespharaonic)呼吸管；（c）呼吸管触角。1.2.2福寿螺呼吸管研究现状本文主要研究对象为福寿螺（Pomaceacanaliculata）。福寿螺在分类学上属软体动物门(Mollusc)，腹足纲(Gastropoda)，前鳃亚纲(Prosobranchia)，中腹足目(Mesogastropoda)，瓶螺科(Ampullariidae)，瓶螺属(Pomacea)。有黑色福寿螺和黄色福寿螺两类，不同颜色为一对相对性状(徐建荣etal.,2008)。福寿螺由于分布广泛、生活周期短、体型较大便于获取和饲养，且其呼吸管较为发达，便于观察，可作为主要研究对象。福寿螺所在的瓶螺科虽然不属于肺螺亚纲，但瓶螺科物种的呼吸系统较为特殊，同时具有鳃和肺，可营水陆两栖生活。图1-3为福寿螺的结构示意图，解剖结果显示其具有肺囊和腮，表明其在水中氧气充足时使用腮呼吸，水氧不足时
中国地质大学（北京）硕士学位论文5则使用肺呼吸(胡自强and胡运瑾,1991)。使用肺呼吸时空气通过呼吸管吸入或排出。图1-3福寿螺结构示意图1.3呼吸管结构能量消耗研究现状螺类呼吸管表面分布的环状褶皱结构既通过表面折叠实现了呼吸管的伸缩，也使呼吸管的整体弯曲刚度得到降低。呼吸管也可以看作一种弹性波纹管结构。在呼吸管运动过程中表面褶皱的不断弯曲变形伴随着能量的吸收和释放。因此，呼吸管表面褶皱结构的弹性变形是影响呼吸管结构能量消耗和运动效率的主要因素。而对褶皱结构的能量消耗分析涉及到褶皱现象的研究和褶皱屈曲模式的研究。结合其他研究领域对褶皱和屈曲模式的研究成果，有助于对呼吸管结构的理解和研究。1.3.1褶皱现象研究现状褶皱现象在自然界中广泛存在，是指在薄弹性物质上的折叠现象，科学家通常使用方程描述褶皱(Cerdaetal.,2002)。不仅在软体动物的呼吸管上，褶皱现象广泛的存在于自然界的各种动物器官上。褶皱通常会被认为是衰老的表现，但近年来的一些研究发现褶皱在一些动物器官的生理活动中起到了重要作用(Vellaetal.,2010)。例如有研究发现象鼻上的褶皱可以提高象鼻的灵活性，并帮助大象减少水分和热量的流失。此外褶皱中的泥土也能保护皮肤免受叮咬(FowlerandMikota,2008)。以及蜻蜓前翼上的褶皱结构能使其固有频率更加合理(Wangetal.,
【参考文献】：
期刊论文
[1]薄壁正弦波纹管在轴向载荷作用下的理论研究[J]. 郝文乾,谢佳苗,赵翔,王峰会. 振动与冲击. 2018(07)
[2]基于竹结构的薄壁吸能管仿生优化研究[J]. 宋家锋,王会霞,盖宏健,刘国敏,邹猛. 载人航天. 2017(04)
[3]预折纹吸能管的多样性可竞争优化设计[J]. 周昳鸣,周才华,王博. 振动与冲击. 2016(19)
[4]不同品系福寿螺壳色性状的遗传规律分析[J]. 徐建荣,沈辉,李旭光,李小娓. 江苏农业科学. 2008(04)
[5]福寿螺的形态构造[J]. 胡自强,胡运瑾. 动物学杂志. 1991(05)
博士论文
[1]折纹管的能量吸收机理研究[D]. 周才华.大连理工大学 2017
硕士论文
[1]轴向冲击载荷下薄壁折纹管和波纹管的屈曲与能量吸收[D]. 郝文乾.太原理工大学 2014
本文编号：3513686
【文章来源】：中国地质大学(北京)北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：63 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
软体机器人(a)跳跃机器人(Tolleyetal.,2014)；(b)仿人手机器人(Chengetal.,2012)
绪论4物种活动的影响(ZwartsandWanink,1989,Zwartsetal.,1994,Zwarts,1986)。随着观察手段的更新和进步，借助扫描电子显微镜，研究者进一步发现了呼吸管上分布的各类感受器管。Fishelson等观察并比较了多种双壳纲物种呼吸管的表面微观结构(Fishelson,2000)。软体动物呼吸管独特的柔性结构和运动能力也引起了研究者的注意，Kier和Smith等发现头足纲软体动物、象鼻等部位具有独特的“肌肉性静水骨骼”生理构造，可在无刚性骨骼支撑下进行伸长、缩短、弯曲和扭曲动作(KierandSmith,2010)。如图1-2为部分双壳纲物种呼吸管微观结构。图1-2部分双壳纲物种呼吸管微观结构(Fishelson,2000)（a）双壳纲物种(Tapesdecussatus)呼吸管表面触角；（b）双壳纲物种(Brachidontespharaonic)呼吸管；（c）呼吸管触角。1.2.2福寿螺呼吸管研究现状本文主要研究对象为福寿螺（Pomaceacanaliculata）。福寿螺在分类学上属软体动物门(Mollusc)，腹足纲(Gastropoda)，前鳃亚纲(Prosobranchia)，中腹足目(Mesogastropoda)，瓶螺科(Ampullariidae)，瓶螺属(Pomacea)。有黑色福寿螺和黄色福寿螺两类，不同颜色为一对相对性状(徐建荣etal.,2008)。福寿螺由于分布广泛、生活周期短、体型较大便于获取和饲养，且其呼吸管较为发达，便于观察，可作为主要研究对象。福寿螺所在的瓶螺科虽然不属于肺螺亚纲，但瓶螺科物种的呼吸系统较为特殊，同时具有鳃和肺，可营水陆两栖生活。图1-3为福寿螺的结构示意图，解剖结果显示其具有肺囊和腮，表明其在水中氧气充足时使用腮呼吸，水氧不足时
中国地质大学（北京）硕士学位论文5则使用肺呼吸(胡自强and胡运瑾,1991)。使用肺呼吸时空气通过呼吸管吸入或排出。图1-3福寿螺结构示意图1.3呼吸管结构能量消耗研究现状螺类呼吸管表面分布的环状褶皱结构既通过表面折叠实现了呼吸管的伸缩，也使呼吸管的整体弯曲刚度得到降低。呼吸管也可以看作一种弹性波纹管结构。在呼吸管运动过程中表面褶皱的不断弯曲变形伴随着能量的吸收和释放。因此，呼吸管表面褶皱结构的弹性变形是影响呼吸管结构能量消耗和运动效率的主要因素。而对褶皱结构的能量消耗分析涉及到褶皱现象的研究和褶皱屈曲模式的研究。结合其他研究领域对褶皱和屈曲模式的研究成果，有助于对呼吸管结构的理解和研究。1.3.1褶皱现象研究现状褶皱现象在自然界中广泛存在，是指在薄弹性物质上的折叠现象，科学家通常使用方程描述褶皱(Cerdaetal.,2002)。不仅在软体动物的呼吸管上，褶皱现象广泛的存在于自然界的各种动物器官上。褶皱通常会被认为是衰老的表现，但近年来的一些研究发现褶皱在一些动物器官的生理活动中起到了重要作用(Vellaetal.,2010)。例如有研究发现象鼻上的褶皱可以提高象鼻的灵活性，并帮助大象减少水分和热量的流失。此外褶皱中的泥土也能保护皮肤免受叮咬(FowlerandMikota,2008)。以及蜻蜓前翼上的褶皱结构能使其固有频率更加合理(Wangetal.,
【参考文献】：
期刊论文
[1]薄壁正弦波纹管在轴向载荷作用下的理论研究[J]. 郝文乾,谢佳苗,赵翔,王峰会. 振动与冲击. 2018(07)
[2]基于竹结构的薄壁吸能管仿生优化研究[J]. 宋家锋,王会霞,盖宏健,刘国敏,邹猛. 载人航天. 2017(04)
[3]预折纹吸能管的多样性可竞争优化设计[J]. 周昳鸣,周才华,王博. 振动与冲击. 2016(19)
[4]不同品系福寿螺壳色性状的遗传规律分析[J]. 徐建荣,沈辉,李旭光,李小娓. 江苏农业科学. 2008(04)
[5]福寿螺的形态构造[J]. 胡自强,胡运瑾. 动物学杂志. 1991(05)
博士论文
[1]折纹管的能量吸收机理研究[D]. 周才华.大连理工大学 2017
硕士论文
[1]轴向冲击载荷下薄壁折纹管和波纹管的屈曲与能量吸收[D]. 郝文乾.太原理工大学 2014
本文编号：3513686
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