本文選題：活性物質(zhì) + 光敏BZ反應(yīng)�。� 參考：《中國(guó)礦業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：活性物質(zhì)是生命系統(tǒng)的主要存在形態(tài),從分子到細(xì)胞和生物個(gè)體,其特征是由大量自驅(qū)動(dòng)單元組成,消耗能量產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)和集體運(yùn)動(dòng),因而在本質(zhì)上遠(yuǎn)離平衡態(tài)。本文的主題是通過(guò)光敏Belousov-Zhabotinsky(BZ)反應(yīng)自振蕩響應(yīng)性聚合物凝膠(BZ自振蕩膠)模型模擬和分析活性物質(zhì)自發(fā)定向運(yùn)動(dòng)的一般規(guī)律與動(dòng)力學(xué)控制。首先,反應(yīng)-輸運(yùn)系統(tǒng)(包括BZ自振蕩膠)的模擬涉及到數(shù)據(jù)密集型計(jì)算,所以發(fā)展了基于GPU(Graphics Processing Unit)技術(shù)的反應(yīng)-輸運(yùn)系統(tǒng)并行模擬方法,并將方法實(shí)踐于多個(gè)系統(tǒng),包括:動(dòng)力系統(tǒng)相圖(李雅普諾夫指數(shù)譜圖)、一維、二維時(shí)空動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)和數(shù)值剛性問(wèn)題。結(jié)果證實(shí)GPU方法的高效性其加速比可達(dá)(60~1×104),由此可以拓展反應(yīng)-輸運(yùn)系統(tǒng)機(jī)理研究的領(lǐng)域。第二,探討了BZ自振蕩膠的子系統(tǒng)光敏BZ反應(yīng)的振蕩動(dòng)力學(xué)機(jī)理與控制,即“光強(qiáng)與振蕩頻率之間的非單調(diào)關(guān)系(非單調(diào)I-F關(guān)系)”相關(guān)研究。頻率調(diào)制及其控制在時(shí)空斑圖的形成、波相互作用、振子協(xié)同化和化學(xué)波驅(qū)動(dòng)活性膠定向運(yùn)動(dòng)等遠(yuǎn)平衡態(tài)過(guò)程中至關(guān)重要,例如自振蕩凝膠處于差異光強(qiáng)環(huán)境時(shí),系統(tǒng)通過(guò)I-F關(guān)系感知空間光差異并產(chǎn)生定向化學(xué)波驅(qū)動(dòng)凝膠定向仿生運(yùn)動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)了決定I-F關(guān)系的關(guān)鍵光化學(xué)反應(yīng)步驟:Ru(II)*+Ru(II)+BrO3-+3H+→HBrO2+2Ru(III)+H2O通過(guò)機(jī)理模擬與分析發(fā)現(xiàn)該步驟同時(shí)具有減小和增大振蕩頻率的作用,另外反應(yīng)物濃度可以改變I-F關(guān)系曲線上最大振蕩頻率值及其對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度。研究結(jié)論可用于控制化學(xué)波傳播與設(shè)計(jì)BZ自振蕩膠的仿生定向運(yùn)動(dòng)。最后,論文研究了BZ自振蕩膠的仿生定向運(yùn)動(dòng)。生物運(yùn)動(dòng)性能來(lái)自于神經(jīng)信號(hào)、肌肉性能、生物附件(四肢等)和環(huán)境因素的相互作用,其運(yùn)動(dòng)機(jī)制和基本理論屬于當(dāng)前國(guó)際上生物運(yùn)動(dòng)學(xué)研究的挑戰(zhàn)之一。自然界中逆波運(yùn)動(dòng)與順波運(yùn)動(dòng)是動(dòng)物運(yùn)動(dòng)的兩種基本模式(運(yùn)動(dòng)方向與肌肉波相反或相同),例如蚯蚓進(jìn)行逆波運(yùn)動(dòng),蝸牛則采用順波運(yùn)動(dòng)。本文通過(guò)耦合gLSM模型研究一維光敏BZ膠,將化學(xué)波與其所驅(qū)動(dòng)的凝膠蠕動(dòng)波分別類比生物的神經(jīng)信號(hào)脈沖和肌肉波,獲得了活性物質(zhì)順波和逆波的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換以及更復(fù)雜的周期移動(dòng)行為。實(shí)驗(yàn)與機(jī)理研究表明兩個(gè)因素與體系定向運(yùn)動(dòng)關(guān)系密切:其一,光敏BZ反應(yīng)的復(fù)雜動(dòng)力學(xué),包括I-F關(guān)系和“光強(qiáng)-振蕩催化劑濃度極值關(guān)系(I-vmax關(guān)系)”;其二,化學(xué)波的推作用與拉作用,即凝膠在單個(gè)蠕動(dòng)周期內(nèi)相續(xù)受到化學(xué)波波前的推作用(推相位)與波后的拉作用(拉相位),兩者的競(jìng)爭(zhēng)決定了凝膠運(yùn)動(dòng)的凈位移方向是否與化學(xué)波同向或反向即順波運(yùn)動(dòng)或逆波運(yùn)動(dòng)。機(jī)理研究表明:(1)兩個(gè)光照區(qū)域內(nèi)光強(qiáng)(Ileft,Iright)同處I-F關(guān)系曲線左側(cè)或右側(cè)即IleftIrightImax或ImaxIleftIright(Imax振蕩頻率峰值)時(shí)化學(xué)波驅(qū)動(dòng)凝膠以拉力為主導(dǎo)。根據(jù)I-F關(guān)系設(shè)置空間差異光強(qiáng)可以控制化學(xué)波傳播從亮區(qū)向暗區(qū)或與之相反,驅(qū)動(dòng)光敏BZ自振蕩膠以逆波運(yùn)動(dòng)模式分別進(jìn)行正趨光與負(fù)趨光運(yùn)動(dòng),數(shù)值模擬得到了與實(shí)驗(yàn)一致的結(jié)果。另外,化學(xué)波傳播速度的變化可導(dǎo)致其波形變化并驅(qū)動(dòng)凝膠加速運(yùn)動(dòng)。(2)調(diào)整區(qū)域光強(qiáng)分處I-F曲線兩側(cè)(IleftImaxIright)且滿足右側(cè)光照區(qū)域內(nèi)振蕩頻率更高(Frequrecy(Iright)Frequency(Ileft)),此時(shí)凝膠受到化學(xué)波的驅(qū)動(dòng)以推力為主導(dǎo),這是因?yàn)榛瘜W(xué)波在光強(qiáng)差異邊界處波形受I-vmax關(guān)系調(diào)制發(fā)生變化,導(dǎo)致隨著光強(qiáng)差的增大化學(xué)波局部推力增加而拉力減弱,相當(dāng)于動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)相位錨定,從而實(shí)現(xiàn)凝膠運(yùn)動(dòng)從逆波向順波運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)變;此外凝膠運(yùn)動(dòng)模式的轉(zhuǎn)變也可以受均勻光強(qiáng)控制,光強(qiáng)的增大可導(dǎo)致化學(xué)動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)從而改變推作用與拉作用的不對(duì)稱性產(chǎn)生逆波向順波運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)變;通過(guò)理想波驅(qū)動(dòng)凝膠速率方程的理論分析發(fā)現(xiàn)了BZ自振蕩膠定向運(yùn)動(dòng)的根源在于非線性動(dòng)力學(xué)項(xiàng)L(?)?(v?)。(3)光敏BZ自振蕩膠在適當(dāng)?shù)目臻g光梯度條件下可以自發(fā)周期遷移,類似于鳥(niǎo)類的遷徙以及魚(yú)類的洄游,數(shù)值模擬與分析揭示了凝膠周期遷移的原因:光強(qiáng)誘導(dǎo)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)分岔產(chǎn)生了兩種化學(xué)波(簡(jiǎn)單脈沖波與回火脈沖波)及其雙穩(wěn)態(tài),由于兩種波波形不同導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)凝膠運(yùn)動(dòng)的推作用與拉作用分別占優(yōu)從而產(chǎn)生了順波與逆波運(yùn)動(dòng)自發(fā)周期性轉(zhuǎn)變,即周期遷移這類處于緩慢變化環(huán)境中的自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)模式。綜上所述,光敏BZ自振蕩膠的自發(fā)定向運(yùn)動(dòng)具有優(yōu)良的可控性、穩(wěn)定性和自適應(yīng)性等仿生特征,它通過(guò)I-F關(guān)系感知空間光強(qiáng)差異產(chǎn)生定向化學(xué)波;通過(guò)I-vmax關(guān)系在光差異邊界處錨定運(yùn)動(dòng)相位、或者均勻光強(qiáng)導(dǎo)致的化學(xué)波動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)均可產(chǎn)生逆波運(yùn)動(dòng)向順波運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)變;固定的梯度光強(qiáng)環(huán)境中由于化學(xué)波動(dòng)力學(xué)失穩(wěn)和雙穩(wěn)態(tài)引起了逆波與順波運(yùn)動(dòng)自發(fā)周期轉(zhuǎn)變,產(chǎn)生自適應(yīng)周期移動(dòng)行為。上述研究表明化學(xué)波驅(qū)動(dòng)軟物質(zhì)凝膠運(yùn)動(dòng)的定向性、可控性和自適應(yīng)仿生性等,在本質(zhì)上源于化學(xué)波波形不對(duì)稱性(推作用和拉作用)及其動(dòng)力學(xué)調(diào)制(I-F關(guān)系、I-vmax關(guān)系和分岔動(dòng)力學(xué))。本研究的結(jié)論有利于理解生物的定向運(yùn)動(dòng)規(guī)律,推動(dòng)細(xì)胞和生物運(yùn)動(dòng)的分析研究,其規(guī)律和理論也可以應(yīng)用于智能材料和軟機(jī)器人的設(shè)計(jì)。
[Abstract]:This paper deals with the mechanism and control of the spontaneous directional movement of BZ self - oscillating glue . The results show that the mechanism and control of the reaction - transport system based on the theory of image processing are as follows : Ru ( II ) * + Ru ( II ) + BrO 3 - + 3H + 鈫，

本文編號(hào)：2042678