本文格式为Word版，下载可任意编辑蜜蜂中唇舌刚毛及分节结构变形工程机理研究 第 1 章 绪论1.1 研究背景及意义在过去的几十年中，显微加工技术的进展使得微/纳米级机械零件的加工与制造成为现实，这对大量学科的进展都产生了重要的影响，例如生物学，医学，航空领域及机电工程领域等（Ho and Tai，1998；Sparreboom et al.，2022）通过显微加工这一新兴技术手段，可制造出微小的制动器和传感器，进而实现小尺度流体的操纵和检测，使得我们进入了一个受外观效应抉择现象的全新领域微流体操纵技术微流体操纵技术，即使用科学的仪器和方法操作操纵尺度小于1mm 的流体滚动，其中尺度小于 100 nm 的为纳流体操纵技术（Stone et al.，2022）大量研究已经将微流体操纵技术的应用从微流控芯片系统扩展到微机械分析系统（Huynh et al.，2022）、材料制备（郭松等，2022）、微流体燃料电池（张雁玲等，2022）、微流体开关（李凌麟等，2022）等领域基于这些年微流体技术的应用与进展，对于新型微流体驱动与操纵技术的需求越来越明显仿生学作为 20 世纪一门新兴的学科，仿活力器人和仿活力构的研究都取得了大量进展，可为微流体操纵供给新的研究思路（沈惠平，2022；im et al.，2022）。
在自然界中，植物养料的传输，动物血液的滚动，包括动物的饮水和觅食，都为人类供给了可学习的对象（ensen et al.，2022）在最近几年，学者对于动物饮水（例如大象、狗、猫等）或饮蜜（例如蜜蜂、蝴蝶、蜂鸟等）的研究不断增加和深入，主要包括对动物的口器布局、吸食方式和能耗等方面的研究（Rico-Guevara et al.，2022；Harper et al.，2022）在自然进化的历程中，食蜜昆虫的口器趋于高度专业化，使其能够适用于特定条件下的食蜜需求蜜蜂作为具嚼吸式口器昆虫的代表，其口器既能用来吸食花蜜，又能用于咀嚼花粉，早在上个世纪就受到了学者的关注（Snodgrass et al.，1956）但是由于仪器精度和试验方法的局限，未能完整地透露蜜蜂饮蜜的机理在试验仪器及试验方法不断进步的前提下，更加深入地研究蜜蜂饮蜜的机理成为可能，该研究既能丰富蜜蜂行为研究，又能应用于微流体传输技术中去1.2 膜翅目昆虫饮蜜研究现状在自然界中，液体运输存在着各种不同的形式，例如降雨，河水滚动，血液输送等，动物饮水也是液体运动和输送的重要方式表 1-1 给出了动物常见的 4种饮水方式（吸水，舀水，舔水和蘸水）及各方式饮水特点。
昆虫由于口器布局较小，通常采用吸水和蘸水的方式获取水分而且食蜜昆虫在饮食花蜜时，既获得能量，又得到水分昆虫口器像昆虫其他外貌特征一样具有显著差异，并适用于不同的饮食方式一般由上唇、下唇、舌、上颚、下颚等片面组成（高吭，2022）上唇在昆虫口器的顶部，贯穿在唇基前缘，盖在上颚前面的一个双层薄片，可以前后活动和左右活动，可以将食物拉入口中，在咀嚼型口器昆虫中极为兴隆下唇在昆虫口器的底部，经常被认为是其次个下颚;，由于它是从类似下颚骨的布局进化而来，可以前后活动并且有一对分段的须，它被用来关闭口器上颚是昆虫的第一对颌骨，在使用时左右活动，其布局差异较大，与它的使用功能环境有很大关系，用来撕裂和咀嚼食物，同时被用来搬运物品或者搏斗下颚是昆虫的其次对颌骨，在上颚的后面，用来搬运食物，运动和上颚好像，而且它也有一对分节的须，布局比上颚繁杂由于昆虫的口器布局与其饮食对象和饮食方式有很大关系，各类昆虫口器的形状和构造也有很大区别，常见的口器类型有咀嚼式口器、刺吸式口器、虹吸式口器、锉吸式口器、捕吸式口器和刺舐式口器等（颜忠诚，2022）表 1-2 给出了常见昆虫口器类型的特征第 2 章 蜜蜂中唇舌微观布局查看2.1 中唇舌布局查看试验材料与方法中国已知蜜蜂约 1000 种，本文采用的蜜蜂试验品种为意大利蜜蜂（Apismellifera ligustica）。
意大利蜜蜂属于动物界节肢动物门昆虫纲膜翅目蜜蜂科蜜蜂属西方蜜蜂种，是我国饲养的主要蜜蜂品种，在全国各地均有饲养本文的蜜蜂样本从香山（40.00N，116.33E）蜂农处添置，并饲养于饲养箱中（图 2-1）饲养箱上部为标准蜂箱，四周都封闭，只在底面通孔使其与玻璃柜连通，蜜蜂主要活动在玻璃柜中饲养箱配有加湿器、电风扇、加热片和白炽灯，维持玻璃柜内温度 25C，湿度 50%，昼夜时间 12 h﹕12 h蜜蜂用 35%（wt./wt.）的蔗糖溶液喂食，在蔗糖溶液中添加适量的蜂蜜和花粉以补充蜜蜂生活所需的其他养分昆虫外观形貌和布局的查看方法较多，常见的有电子显微镜（ElectronMicroscope，简称 EM）、体视显微镜（Stereoscopic Microscope）、扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，简称 SEM）、透射电子显微镜（TransmissionElectron Microscope ，简称 TEM ），微电子计算机断层扫（ Micro ComputedTomography）描等本文主要采用电子显微镜、体视显微镜和透射电子显微镜查看中唇舌及口器的外观形貌及微观布局，通过显微切片方法和透射电子显微镜查看中唇舌解剖布局。
蜜蜂中唇舌布局查看样品打定过程中用到的工具和仪器如表2-1 所示，用到的试验试剂如表 2-2 所示2.2 中唇舌布局查看结果与分析意大利蜜蜂口器各布局中较突出的为外颚叶、下唇须和中唇舌（图 2-2）两片外颚叶在最外部，较宽且坚硬，能够养护内部布局；两根下唇须和一根中唇舌生成在前颏上，下唇须在外侧，共有 4 节，基部两节相对较长；中唇舌在两个下唇须中间，较为修长图 2-3 为显微镜查看结果，中间为中唇舌，上下两个布局为外颚叶中唇舌基部为靠近头部一侧，端部为远离头部一侧意大利蜜蜂中唇舌呈多节的修长条状，最端部有勺状的中舌瓣，长度约 6 mm，基部宽约 100 m，端部有确定锥度，锥度角约 10整个中唇舌外观都覆有刚毛，刚毛呈明显的环形布置，朝端部方向生成，且基部刚毛较短，从有锥度部位开头刚毛明显变长图 2-4 给出了环境扫描电子显微镜拍摄结果为了便于分析，将中唇舌从有锥度部位开头分为 1、2、3 三片面（图 2-4a）刚毛测量得到 1 区（图 2-4b）、2区（图 2-4c）和 3 区（图 2-4d）刚毛的平均长度分别为 109.478.96 m、110.575.97m 和 126.6113.73 m。
刚毛从节间褶位置生长，两节间褶之间的片面为一节，每一节长~23 m，越往端片面节越短，每一节上约莫有 16~20 根刚毛，刚毛分布的密度为~2500 /mm2意大利蜜蜂的口器布局与小蜜蜂（Apis florea）极为好像，只是意大利蜜蜂的中唇舌相比下唇须更长（umar and umar，2022）第 3 章 蜜蜂饮蜜过程中中唇舌运动查看........233.1 饮蜜过程查看........ 233.1.1 侧视查看......... 233.1.2 俯视查看......... 243.1.3 中唇舌拉伸..... 253.2 中唇舌运动结果与分析...... 263.3 本章小结......... 32第 4 章 蜜蜂饮蜜机理分析....334.1 饮蜜速率分析........ 334.1.1 泄漏率计算..... 334.1.2 饮蜜速率计算........ 354.2 中唇舌变形机理分析.......... 394.3 本章小结......... 46第 5 章 仿蜜蜂中唇舌柔顺机构设计.........475.1 仿蜜蜂中唇舌柔顺机构模型..... 475.2 仿蜜蜂中唇舌柔顺机构设计..... 525.3 本章小结......... 60第 5 章 仿蜜蜂中唇舌柔顺机构设计5.1 仿蜜蜂中唇舌柔顺机构模型柔顺机构与传统机构相比，能利用布局自身柔性完成运动、力的传递和能量的转移，具有易装配、无摩擦磨损、无需润滑等优势，在微机电系统中具有巨大的潜力（张英，2022）。
其设计方法主要有两大类：一是基于伪刚度模型，将柔顺机构设计转换成较为成熟的刚性布局设计；另一种是基于有限元和拓扑优化，通过布局的几何拓扑优化举行设计（谢先海，2022）上一章建立了中唇舌柔顺布局的根本模型，并从运动学和能量角度举行了简要分析，表明了中唇舌布局柔性对于其外观运动和变形的作用本章将对这类布局进一步分析并采用伪刚体模型方法给出相应的设计方法下面将该机构运动分为两种处境举行分析，一是只有柔性杆 1 发生变形，二是两根柔性杆都发生变形柔顺机构自由度与刚体自由度计算不同，将柔顺机构中全体单元看出刚性构件时计算得到的机构自由度为其刚性自由度，将机构采用伪刚体模型等效后的机构自由度为其柔性自由度（陈贵敏，2022）假设柔顺机构的刚体自由度为 0，而且其原动件数目小于柔性自由度，那么该机构具有确定的运动规律（陈贵敏，2022）本文两柔性杆机构刚体自由度为 0，第 1 种处境下柔性自由度为 1，第 2 种处境下柔性自由度为 2，而该机构的原动件数目都为 1，所以两种处境下机构都具有确定的运动规律 .........结论昆虫口器仿生布局在微流体运输设备中具有良好前景，蜜蜂作为膜翅目及嚼吸式口器昆虫代表，其口器布局及饮蜜行为研究具有重要意义。
本文通过一系列的微观表征试验观测了中唇舌布局，采用高速摄像系统拍摄了蜜蜂饮蜜过程中中唇舌及其外观的运动及变化规律，察觉了刚毛异步直竖规律和刚毛直竖与分节伸长同步规律从饮蜜效率启程，建立了饮蜜速率模型，分析了饮蜜过程中刚毛直竖对饮蜜效率增益；从运动学角度启程，建立分节布局模型分析了刚毛直竖及中唇舌伸长机理结果采用伪刚体模型方法对仿中唇舌柔顺机构举行了分析并提出了设计流程论文的主要结论如下：（1）蜜蜂外外观为布满刚毛的多分节锥形柔性杆布局，刚毛着生在节间褶上，环形的节间褶使中唇舌外部成分节外形中唇舌主要由外部鞘和内部柔杆组成，鞘外观为多层的弹性几丁质布局，在节间褶处鞘外观较柔嫩中唇舌横截面并不是封闭的圆形或椭圆形，而是由鞘围成一个凹槽外形，柔杆在中间位置中唇舌内部无肌肉贯穿至中舌瓣上，只是在柔杆的基部附着两条收缩肌2）蜜蜂在饮蜜时，中唇舌往复式地伸缩，将溶液带入口中在饮蜜开头时，中唇舌外观的刚毛依附于中唇舌外观，当中唇舌伸出至接近最长长度时，刚毛开头直竖；刚毛直竖后中唇舌缩回，将刚毛中间的溶液带入口中后，由咽部的食窦泵将溶液吸入体内刚毛在直竖时，位于中唇舌基部的刚毛首先直竖，然后是中部，结果是端部，且背侧刚毛直竖角度要比腹侧刚毛直竖角度小。
在刚毛直竖的同时，中唇舌会伸长，且这两个过程是同步举行的中唇舌饮蜜平均周期为206 ms，刚毛最大平均直竖角度为 38，刚毛达成最大值时，中唇舌伸长 12%3）蜜蜂饮蜜过程中，中唇舌的泄漏率小于 5%，说明中唇舌刚毛直竖后能推动夹在中间的液体滚动刚毛直竖能明显提高中唇舌带水效率，刚毛直竖后提升饮蜜速率~60 倍刚毛直竖的理由是节间褶处能够储存弹性势能刚毛张开为一个自然状态，由于柔杆基部肌肉拉紧，使刚毛平坦与中唇舌外观，当肌肉的拉力消散之后，中唇舌刚毛由于弹性势能的释放张开，同时中唇舌伸长— 8 —。