軟體機(jī)器人技術(shù)是基于仿生學(xué)及多學(xué)科誕生的新型研究領(lǐng)域。近年來,對各類水生軟體動物的仿生研究已啟發(fā)研究人員設(shè)計(jì)出眾多軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)。螺類的呼吸管是由其身體一部分延伸出而形成的軟體器官,具有很強(qiáng)的伸縮、彎曲能力。其結(jié)構(gòu)及運(yùn)動機(jī)理可能為軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供新的設(shè)計(jì)思路。由于其伸縮能力和特殊的柔性結(jié)構(gòu),螺類的呼吸管早在上世紀(jì)60年代就受到相關(guān)學(xué)者的關(guān)注。本文在前人研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究了螺類呼吸管的微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動機(jī)理、能量消耗模型及其表面變形規(guī)律和模式等問題。利用冷凍切片技術(shù)及顯微鏡觀察了呼吸管的微觀結(jié)構(gòu)。呼吸管整體為由軟體組織卷曲而成的管狀結(jié)構(gòu),其內(nèi)外表面分布有環(huán)狀褶皺,總體類似波紋管結(jié)構(gòu)。呼吸管運(yùn)動機(jī)制與象鼻類似,通過由環(huán)向、縱向和橫向等多個方向肌肉組成的“肌肉性靜水骨骼”生理結(jié)構(gòu)驅(qū)動呼吸管進(jìn)行伸縮彎曲等運(yùn)動。而其彈性表面由于褶皺結(jié)構(gòu)的存在可以適應(yīng)呼吸管的大幅度變形運(yùn)動。螺類使用呼吸管伸出體外的過程涉及到呼吸管表面的屈曲變形及其帶來的能量消耗的研究。建立呼吸管能量消耗模型,基于該模型分析了呼吸管表面褶皺分布規(guī)律對能量消耗的影響。并測量了福壽螺、菲律賓簾蛤和太平洋潛泥蛤的呼吸管褶皺分布... 

【文章來源】：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)北京市 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：63 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

軟體機(jī)器人(a)跳躍機(jī)器人(Tolleyetal.,2014)；(b)仿人手機(jī)器人(Chengetal.,2012)

緒論4物種活動的影響(ZwartsandWanink,1989,Zwartsetal.,1994,Zwarts,1986)。隨著觀察手段的更新和進(jìn)步，借助掃描電子顯微鏡，研究者進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了呼吸管上分布的各類感受器管。Fishelson等觀察并比較了多種雙殼綱物種呼吸管的表面微觀結(jié)構(gòu)(Fishelson,2000)。軟體動物呼吸管獨(dú)特的柔性結(jié)構(gòu)和運(yùn)動能力也引起了研究者的注意，Kier和Smith等發(fā)現(xiàn)頭足綱軟體動物、象鼻等部位具有獨(dú)特的“肌肉性靜水骨骼”生理構(gòu)造，可在無剛性骨骼支撐下進(jìn)行伸長、縮短、彎曲和扭曲動作(KierandSmith,2010)。如圖1-2為部分雙殼綱物種呼吸管微觀結(jié)構(gòu)。圖1-2部分雙殼綱物種呼吸管微觀結(jié)構(gòu)(Fishelson,2000)（a）雙殼綱物種(Tapesdecussatus)呼吸管表面觸角；（b）雙殼綱物種(Brachidontespharaonic)呼吸管；（c）呼吸管觸角。1.2.2福壽螺呼吸管研究現(xiàn)狀本文主要研究對象為福壽螺（Pomaceacanaliculata）。福壽螺在分類學(xué)上屬軟體動物門(Mollusc)，腹足綱(Gastropoda)，前鰓亞綱(Prosobranchia)，中腹足目(Mesogastropoda)，瓶螺科(Ampullariidae)，瓶螺屬(Pomacea)。有黑色福壽螺和黃色福壽螺兩類，不同顏色為一對相對性狀(徐建榮etal.,2008)。福壽螺由于分布廣泛、生活周期短、體型較大便于獲取和飼養(yǎng)，且其呼吸管較為發(fā)達(dá)，便于觀察，可作為主要研究對象。福壽螺所在的瓶螺科雖然不屬于肺螺亞綱，但瓶螺科物種的呼吸系統(tǒng)較為特殊，同時(shí)具有鰓和肺，可營水陸兩棲生活。圖1-3為福壽螺的結(jié)構(gòu)示意圖，解剖結(jié)果顯示其具有肺囊和腮，表明其在水中氧氣充足時(shí)使用腮呼吸，水氧不足時(shí)

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文5則使用肺呼吸(胡自強(qiáng)and胡運(yùn)瑾,1991)。使用肺呼吸時(shí)空氣通過呼吸管吸入或排出。圖1-3福壽螺結(jié)構(gòu)示意圖1.3呼吸管結(jié)構(gòu)能量消耗研究現(xiàn)狀螺類呼吸管表面分布的環(huán)狀褶皺結(jié)構(gòu)既通過表面折疊實(shí)現(xiàn)了呼吸管的伸縮，也使呼吸管的整體彎曲剛度得到降低。呼吸管也可以看作一種彈性波紋管結(jié)構(gòu)。在呼吸管運(yùn)動過程中表面褶皺的不斷彎曲變形伴隨著能量的吸收和釋放。因此，呼吸管表面褶皺結(jié)構(gòu)的彈性變形是影響呼吸管結(jié)構(gòu)能量消耗和運(yùn)動效率的主要因素。而對褶皺結(jié)構(gòu)的能量消耗分析涉及到褶皺現(xiàn)象的研究和褶皺屈曲模式的研究。結(jié)合其他研究領(lǐng)域?qū)︸薨櫤颓Ｊ降难芯砍晒�，有助于對呼吸管結(jié)構(gòu)的理解和研究。1.3.1褶皺現(xiàn)象研究現(xiàn)狀褶皺現(xiàn)象在自然界中廣泛存在，是指在薄彈性物質(zhì)上的折疊現(xiàn)象，科學(xué)家通常使用方程描述褶皺(Cerdaetal.,2002)。不僅在軟體動物的呼吸管上，褶皺現(xiàn)象廣泛的存在于自然界的各種動物器官上。褶皺通常會被認(rèn)為是衰老的表現(xiàn)，但近年來的一些研究發(fā)現(xiàn)褶皺在一些動物器官的生理活動中起到了重要作用(Vellaetal.,2010)。例如有研究發(fā)現(xiàn)象鼻上的褶皺可以提高象鼻的靈活性，并幫助大象減少水分和熱量的流失。此外褶皺中的泥土也能保護(hù)皮膚免受叮咬(FowlerandMikota,2008)。以及蜻蜓前翼上的褶皺結(jié)構(gòu)能使其固有頻率更加合理(Wangetal.,

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]薄壁正弦波紋管在軸向載荷作用下的理論研究[J]. 郝文乾,謝佳苗,趙翔,王峰會.  振動與沖擊. 2018(07)
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[4]不同品系福壽螺殼色性狀的遺傳規(guī)律分析[J]. 徐建榮,沈輝,李旭光,李小娓.  江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué). 2008(04)
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博士論文
[1]折紋管的能量吸收機(jī)理研究[D]. 周才華.大連理工大學(xué) 2017

碩士論文
[1]軸向沖擊載荷下薄壁折紋管和波紋管的屈曲與能量吸收[D]. 郝文乾.太原理工大學(xué) 2014



本文編號：3513686