聚氨酯蘑菇状仿生微纤维的混合黏附破坏分析

在仿生学领域壁虎因具有优越的攀爬能力而被广泛研究。为对壁虎仿生微结构的垂直攀爬功能进行设计,本工作对壁虎仿生微纤维与垂直表面之间的黏附机制进行了深入研究。采用双线性内聚力模型对聚氨酯(PU)蘑菇状仿生微纤维与刚性基体之间的界面黏附行为进行研究。运用压缩+剪切、剪切加载、拉伸+剪切分别模拟壁虎足部的附着、滑移及分离等爬行动作,探讨壁虎爬行过程中的黏附破坏机理。结果表明,在剪切加载、拉伸+剪切混合加载下,界面均发生法向和切向的混合黏附破坏;在压缩+剪切混合加载下,界面发生切向脱黏或混合黏附破坏取决于压缩载荷的大小。法向载荷通过改变微纤维与基体的接触面积来实现对切向黏附承载力的调控。斜向加载下界面的黏附承载力与载荷倾角有关,对于所选用的聚氨酯蘑菇状仿生微纤维,当斜向压力的倾角小于52°时,界面的切向黏附承载力随着斜向压力倾角的增大而增大;最优的斜向拉力方向为17°,沿该方向可用最小的拉力实现界面的脱黏。     

新型仿生功能材料反应锅的设计与控制

本文基于仿生功能材料制作工艺的严格要求,设计了一种新型的仿生功能材料反应锅,并将化学反应的目标函数与机电控制反应参数相结合,实现反应锅加热、冷却一体化及数据采集与自动控制功能,为制作仿生功能材料提供了物质与技术保障。     

基于生物矿化的仿生合成技术及其应用

生物矿化是在生物体内形成无机矿物的过程.通过对生物矿化的研究,模仿生物矿化中无机物在有机物调制下的形成过程,仿生合成具有优良的物理和化学性能的功能新材料已成为无机材料化学研究的热点.介绍了常见的生物矿化材料,综述了生物矿化的基本原理及其模拟,以及基于生物矿化仿生合成技术的研究现状.     

新型仿生聚合物材料——胶原改性聚乳酸的合成与表征

乙二胺改性聚(DL-乳酸)(EMPLA)是实验室合成的一种含有丰富氨基和羧基、具良好亲水性且降解产物不呈酸性的生物材料.研究以二环己基碳二亚胺(DCC)为缩合剂,将Ⅰ型胶原共价引入到EMPLA中,制得了新型胶原改性聚乳酸(CPLA)仿生材料,探索并建立了一套向EMPLA基质中共价引入Ⅰ型胶原的液相合成技术.采用异硫氰酸荧光素(FITC)标记技术对CPLA的结构及胶原含量进行了定性表征.结果表明,采用本研究所建立的液相反应技术能将Ⅰ型胶原共价引入到EMPLA中,且CPLA中的胶原含量随EMPLA中乙二胺接枝率(EDA%)的增大而增大.     

基于情感仿生的交互设计方法研究

目的为拟合线下用户情感,基于仿生概念提出一种交互设计方法。方法以工业产品仿生设计方法、交互设计一般流程、用户个体心理三分法理论为基础,对移动应用产品中的情感仿生类型和关键特征进行研究。结论归纳出依据视觉细节、执行流程和场景氛围为不同交互设计对象的交互情感仿生类型,提出情感仿生交互设计概念框架和面向执行流程的情感仿生模型,并以音乐移动应用设计实例说明方法的可靠性和适应性,为交互设计师开发产品提供新思路。     

基于产品语义的形态仿生设计方法研究

目的研究产品形态仿生设计与产品语义之间的内在关系,解决目前产品设计中单纯形态仿生造型泛滥的问题。方法分析产品造型中存在的能指和所指的语义关系,提出基于产品语义的产品仿生形态设计的基本流程,并通过桌面小音箱的形态仿生设计实例进行了应用验证。结论在产品形态仿生设计中,充分考虑被仿生对象和设计对象之间的内在关联性,从创意到造型语义,再到功能语义,反复迭代优化,可以使形态仿生产品设计更具有可用性、文化性和情感性。     

基于拓扑理论的产品仿生形态进化设计方法

目的为了更好地在定量层面控制产品形态仿生设计,快速地获得多种方案,运用拓扑理论和猴王遗传算法,构建出产品仿生形态进化设计方法。方法首先,利用拓扑权值,识别仿生对象的特征要素。然后,对产品形态与仿生对象特征要素进行拓扑相似度评价,以此为适应度函数,应用猴王遗传算法实现高效的产品仿生形态进化设计。结果以"企鹅—水壶"仿生形态设计为例,对该方法进行实例研究,结果表明,它能够比较合理地保留仿生对象特征要素,并且能够较高效率地提供多样化方案。结论在产品仿生形态设计中,充分考虑仿生对象的特征要素,量化产品形态与仿生对象之间的认知距离,再结合进化算法,使产品仿生形态设计更加理性和高效。     

基于仿生方法的极简主义风格设计研究

目的构建以仿生设计方法为基础的感性极简主义风格设计模型,提升设计的活力和文化内涵,为感性极简主义设计实践提供参考和借鉴。方法通过搜集现有极简主义风格产品资料,建立感性坐标图,明确了感性极简主义风格的语义优势,借鉴仿生设计流程,确立了感性极简主义风格构建模型,并结合多个案例来说明仿生设计在感性极简主义风格中得到了成功应用。结论感性极简主义风格比传统的极简主义风格更具优势,仿生方法的应用可以帮助设计师快速有效地达到感性极简主义设计目标。     

基于B样条曲线的两足机器人仿生越障步行模式实现方法

两足机器人在崎岖不平的地面上行走时,需要根据地形特征产生相应的越障步行运动。从仿生学角度入手,提出了利用B样条曲线规划越障步态的参数化设计新方法。该方法引入了起步角和落步角的新概念,构造3段三次均匀B样条曲线,建立了机器人仿生越障运动模型,并进行了平稳越障运动特性的规划。基于时空运动特性的仿真结果表明,通过设计参数的合理选取可以获得运动性能良好的仿生越障步行模式。     

基于种群动力学模型的连续体结构拓扑优化仿生方法

通过种群动力学模型和有限元方法的耦合建立了骨骼重建数学模型,然后用像素单元的添加和删除准则把骨重建过程转化为材料形成和吸收过程,对连续体结构提出了仿生拓扑优化计算方法。通过对两个连续体结构拓扑优化中被广泛应用的典型数值算例进行拓扑优化计算,并将其结果与其它几种拓扑优化方法进行比较,验证了该方法的有效性。最终在三种不同边界条件下对长悬臂梁模型进行拓扑优化计算,以及在四种不同边界条件下拱桥模型进行拓扑优化计算,获得规则性和对称性的拓扑形式,该结果进一步说明了该仿生方法的合理性和可行性。     

基于多孔陶瓷的新型半干脑电电极

现有半干脑电电极采用压力驱动释放电解质,易因电解质不可控释放造成记录信号不稳定。针对上述问题,发展了能持续稳定可控释放电解质的超大孔水凝胶和多孔陶瓷材料,并以此构建了两种新型的半干脑电电极。首先对半干脑电电极的电解质渗透材料和电解质的质量分数进行了优化,然后对优化后的半干脑电电极的电解质释放速率、电极-头皮阻抗、电极电位以及脑电信号质量进行了系统评价。实验结果表明,电解质渗透材料为陶瓷,电解质NaCl的质量分数为3.5%时,电极-头皮阻抗低且稳定;优化后的陶瓷半干脑电电极的电极-头皮阻抗相对较低（42.1~51.4 kΩ）,且电极电位漂移很小即（2.9±1.4）μV/min,说明陶瓷半干脑电电极具有优异的电化学性能;陶瓷半干脑电电极能有效获取视觉诱发电位信号,信号质量与“金标准”湿电极高度相似。     

基于Lattice-Boltzmann方法的填充型复合导热材料的导热性能数值分析

陶瓷被广泛用作催化燃烧的催化剂载体。为及时将反应热导出,避免催化剂烧结、失活,需提高陶瓷导热能力。针对通过填充高导热性的金属或无机填料的方法制成的陶瓷复合导热材料,引入二维九速度不可压格子多相Lattice-Boltzmann模型,对构造的5种规则填充形状(圆形、正八边形、正六边形、正四边形和正三角形)的陶瓷基复合材料进行了完整的二维导热过程的数值分析。结果表明,在相同的填料和填充体积分数下,三角形填充的复合材料有效导热系数最大,填充形状愈趋近圆形则有效导热系数越小。同时模拟了各填充形状下,填充材料与基体材料的导热系数之比kp/km对复合材料有效导热系数的影响。研究结果表明,孤立的导热填料对于复合材料导热系数的提高作用是有限的,当kp/km增大到一定程度,有效导热系数不再明显增加。