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1、 “吉林大学2014年研究生创新研究计划”项目申请书项目名称：沙漠蝎子体表感受器的感知机理及仿生研究 申 请 人： 陈道兵 所在单位： 吉林大学生物与农业工程学院 申报学科（领域）： 装备制造 吉林大学研究生创新中心制二一四年四月申 请 表 填 写 说 明一、请严格按照表中要求填写各项。二、所申请项目的起止年限是指项目被批准立项之日起，至项目结题之日止，期限1年，必须在负责人毕业之前结题。三、项目资助额度按照“关于申报吉林大学2014年研究生创新研究计划项目的通知”中所列的资助额度填写。四、对于“项目申报基础信息表”中的选择栏目，采用在所选项空格内打方式确定。五、申请表文本中外文名词第一次出现
2、时，要写清全称和缩写，再出现同一词时可以使用缩写；“主题词”栏中的中、英文主题词数量均为3个，主题词之间用“/”分隔。六、申请表文本采用标准A4幅面纸双面打印，于左侧装订成册。文字一律采用小四号宋体，1.5倍行距打印，对于篇幅不够的栏目可自行加页。一、项目申报基础信息表项目名称沙漠蝎子体表感受器的感知机理及仿生研究经费预算总额 2 万元，其中研究生创新研究计划项目资助 1 万元起止年限 2014年5月 2015 年5月申报人基本情况姓 名陈道兵学 号2013452040性 别男在读学位硕士 博士培养方式全日制 在职培养单位吉林大学生物与农业工程学院专 业仿生科学与工程联系方式181430935
3、68E-导师姓名韩志武联系方式13944859640E-项目组成员姓 名学 号所在学院专 业联系电话E-mail陈道兵2013452040生物与农业工程学院仿生科学与工程孙楚平2013452046生物与农业工程仿生科学与工程李杨2013452013生物与农业工程农机申报意义与研究内容（包括项目研究意义、创新性或交叉点等，200字以内）微流量及微振动检测在对先进制造、航空航天、军事领域有着巨大影响。沙蝎体表感受器的优异性能为我们仿生研究能够满足日新月异的工业、国防、航空航天、生物等领域应用要求的微流量及微振动检测装置提供了优秀的蓝本。本项目的主要研究内容为沙蝎体表感受器的感知机理以及仿生应用，其
4、创新点在于从深层机理上解释沙蝎体表感受器的作用机制并且使其具有良好的仿生再现应用能力，能够为微流量及微振动的检测传感装置提供新思路。主题词沙蝎/振动感知/仿生 Sand Scorpion/Vibration Sensory/Bionic二、立项依据与研究内容1、项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述期应用前景。附主要参考文献目录）1.1、研究目的与意义现代科学技术的发展对测试与控制装置提出了新的挑战。微振动测量不但可广泛应用于材料的探伤、机械系统的故障诊断，结构件的动态特性分析以及
5、振动的有限元计算结果验证，而且在环境振动和噪声的分析和隔离中发挥着重要的作用。两个典型例子：1）在许多应用领域，必须要考虑到装置的结构稳定性问题。在光纤陀螺和微电子机械系统(MEMS)中，结构振动是主要的误差来源之一，直接影响其使用精度。2）在航空、航天工业及精密仪器制造等领域，微振动的实时检测具有十分重要的意义。例如航空仪器零部件在工作中的微振动控制需要具备实时性反馈，若测量时间过长则不能反映出实际的振动特性。因此，提高微振动测试装置的测量精度、抗干扰性以及灵敏度等性能，成为国际学术界和工程领域的前沿和热点问题，研究新的、更有效的微振动测试装置，及时、尽早发现微振动，解决微振动控制问题势在必
6、行。同时，气体流量的测量是工业生产过程、科学实验计量的重要参数，是能源计量的重要组成部分。它对于保证产品质量、提高生产效率、节约能源，促进科技的发展都有很重要的作用。通过对气体流量的测量，人们可以了解掌握流动过程从而对生产进行自动控制，实行能源有效管理。而流量检测装置的精度高低、稳定性好坏、适应工作环境能力的大小、智能化水平和性能价格比高低等指标极大地影响着社会各行业的发展。四个典型例子：1）随着真空校准技术的发展，需要测量气体微流量，研制气体微流量计，进而建立气体微流量标准，用于真空漏孔和正压漏孔的校准，这已成为真空计量研究的重要内容。2）长期在空间飞行的载人飞船保持舱内恒定的压力尤为重要，
7、为保持舱内的压力恒定、需要对舱体进行检漏、检漏时不但要找到漏孔位置、还要精确测量微小的漏率。3）火箭燃料是易燃、易爆、有毒的气体或液体，微小的泄漏具有很大的危险性，因此，要对火箭燃料的加注过程和发射阵地进行安全检测。4）在电子工业中的半导体元件、集成电路、计算机芯片的生产工艺中，精确控制气体微流量的注入，对保证工艺质量和产品性能的稳定至关重要。因此，研制出满足工业、国防、航空航天、生物等领域应用的流量测试装置十分迫切。1.2、国内外研究现状分析与评价1.2.1基于昆虫和鱼类体表刚毛的仿生传感技术研究现状昆虫体表的刚毛的形状有多种，有的是作为运动器官，还有的是作为感觉器官，但不论作为哪一种，它们
8、的功能都是多种多样的。例如，大多数昆虫的听觉感受器都是由刚毛构成的，然而这些刚毛不仅可以作为听觉器官，来感受低频率的声波和气流所产生的压力；还能作为触觉器官，来感受外界的机械刺激1。对于昆虫体表刚毛的仿生微纳传感器设计这一领域，国内外也有相关的研究。例如，通过模仿蟋蟀的听觉刚毛2，研制了多种压电式、压阻式和电容式的仿生刚毛传感器。在荷兰Twente大学，Gijs Krijnen等人通过对蟋蟀听觉刚毛的研究，发现其对声音的振动感知机理，应用微机电系统（MEMS）加工技术设计了一种电容式的仿生微声流量传感器阵列，并将其用于对声音的振动感知，结果表明：该仿生微声流量传感器阵列，它的量程为0.1-1.
9、0m/s，20-100Hz，如图1所示2。美国伊利诺伊州立大学的Chang Liu等人深入研究了鱼类侧线器官的流量感知机理，并模仿它设计了仿生压阻式微流量传感器阵列，将它用于水中测试，试验结果表明：其灵敏度可达0.1 m/s，如图2所示3-4。近年来，在国内，中北大学的张文栋教授研究鱼类侧线器官，并模仿它的感知机理设计了相似的纤毛式仿生微机电系统水声传感器，提高了水声传感器的灵敏度5。图1仿蟋蟀听觉刚毛的阵列式仿生微声流量传感器阵列2图2仿鱼类侧线器官的纤毛式MEMS微流量传感器阵列31.2.2 基于蜘蛛机械感知机理的仿生传感技术研究现状由于环境的恶劣变化，蜘蛛不得不面对自然选择，经过长期的进
10、化，蜘蛛体表进化出了敏锐的感觉器官。蜘蛛体表的机械感受器对机械信号十分敏感：对于织网型蜘蛛，当猎物在蛛网上挣扎时会产生振动，这种蜘蛛便通过蛛网收集到这些信号从而锁定猎物。而陆地游走型蜘蛛则是收集地表传递来的振动信号从而区分猎物和天敌，并将信号传给神经中枢，进而采取相应的措施。研究结果表明，蜘蛛体表的机械感受器主要有两种6-8：第一种是基于蜘蛛体表刚毛的流量触觉感知；第二种是基于蜘蛛缝感受器的力与振动感知。1.2.2.1 基于蜘蛛体表刚毛的流量触觉感知及仿生传感研究在过去的30年中，经过大量研究，结果表明，直翅类昆虫，例如蝎子、蟋蟀、蜘蛛等，它们的体表刚毛可用来对流量和触碰进行感知1, 6-8。
11、奥地利Vienna大学Barth等人的研究表明，蜘蛛腿部刚毛依据分布位置和功能的不同，可以分别对流量和触碰进行感知，如图3所示8-9。其中，感知流量的刚毛处于趾骨的远端，可等效地看作柱状直杆，其长度约为100m -2500m，直径约为为1m-10m；而感知触觉的刚毛主要处于蜘蛛腿部的趾节上，其长度较短，约为几微米至几十微米，刚毛末端的直径是中部的1/20，只有200nm10。此外，Barth等人对蜘蛛基于体表刚毛的流量感知和触碰感知机理进行了研究，并进行了理论的计算8。奥地利Vienna工业大学H.-E Dechant等人运用力学建模与仿真分析的方法，对蜘蛛基于触碰感知的刚毛进行了试验与仿真分
12、析，结果表明：为引发神经冲动，这种刚毛所需要传递的最小机械能为4x10-21 w10-12。图3蜘蛛腿部刚毛结构及其流量触觉感知示意图8在仿生蜘蛛刚毛的传感器设计方面：美国Virginia大学J.A.C Humphrey等人也运用力学建模的方法，对蜘蛛基于流量感知的刚毛进行了分析，并应用微机械加工技术成功研制了2x2的阵列式仿生微流量计，如图4所示13。图4仿生蜘蛛刚毛流量感知的微流量计131.2.2.2 基于蜘蛛缝感受器的振动感知机理研究日本Kyoto大学Takeshi Watanable研究了猎物引起蛛网振动后，振动信号在蜘蛛网上传递的原理14。近年来，也有研究表明蜘蛛能通过感知不同频率的
13、振动来分辨振动的来源，这种来源可以是虫子挣扎时的动作频率，也可以是风吹动的频率，虫子挣扎的振动频率是几十到几百赫兹，而风引起的振动频率则只有几赫兹，另外，猎物发出的振动频率与蜘蛛天敌发出的扰动频率也是不同的，如图5所示6。图5蜘蛛网感知不同频率振动信号6蜘蛛体表的缝感受器大概有3300条，缝感受器的长度约为10m-100m，宽度约为1m-10m8，根据缝感受器排列组合方式的不同，可以分成三类：第一种是单缝感受器，它们在蜘蛛的体表随机分布；第二种是混合感受器，由多条单缝感受器无规则地排列而组成；第三种是琴形器，由2-30条左右的并行排列的缝感受器组成，由于形状像里拉琴而被译为琴形器，如图6所示1
14、5。图6蜘蛛的三种缝感受器的排列方式15德国Ulli Hoger等人对蜘蛛的琴形器进行了生理解剖试验研究，如图7所示16。从图中可以看出，构成琴形器的单个狭缝是裂缝状的凹槽，在它们的表面覆盖着薄膜的，每条狭缝下面都连接着双极神经元细胞发出的神经纤维。两个神经元紧挨着，细胞体的长轴长度超过100m，树突的长度可达270m，两神经元的树突长度也是不同的，长树突终止于表皮的外膜，短树突终止于内膜17。另外，电化学生理试验发现，蜘蛛的琴形器可以对不同方向的，或者说多维的振动激励做出反应。其中，蜘蛛对来自纵向的激励最为敏感，其位移阈值比横向、侧向激励低l0-20dB 18。奥地利Vienna工业大学B. Ho1等人运用力学建模与有限元仿真分析的方法，对蜘蛛琴形器感知外界力与振动产生的刺激信号的过程进行了分析15, 19-20，系统地研究了琴形器中狭缝的不同排列组合方式、条数、间距等参数对检测外界力与振动产生的刺激信号的影响，如图8所示19-20。美国的Michael E. McConney等人对蜘蛛角质层的粘弹性纳米特性进行研究，解释了蜘蛛震动感受器为何有高通过性21。奥地利和德国的Clemens F. Schaber等人用
