仿生毛发气流传感器在流场中的传感特性研究

模仿昆虫感受器的结构,设计制备了一种仿生毛发气流传感器——表面对称电极含金属芯聚偏氟乙烯(PVDF)纤维（SMPF）传感器。基于流体力学理论和第一类压电方程建立了SMPF的气流传感模型。搭建了实验系统,验证了SMPF对于气流速度的传感能力。实验结果表明,SMPF的输出信号和气流速度的平方成线性关系,验证了理论模型,表明SMPF具有感知气流速度的能力。将纤维呈阵列排布置于风洞流场中,用气流对纤维阵列进行冲击,搭建实验系统,验证了纤维在流场中的传感特性,并进行有限元仿真分析。实验结果表明,在风洞装置中,当有气流流过时,会产生流动边界层,且沿着气流速度方向边界层厚度越来越厚,同一截面上的气流速度差也越来越大。实验结果验证了理论模型,表明SMPF具有感知流场分布的能力。     

仿生角加速度传感器设计及传感特性研究

半规管是人体前庭系统中的一种角位移感知器官,该文基于人体半规管几何尺寸、机械属性及内部结构,利用表面对称电极含金属芯聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维(SMPF)传感器,设计制备了一种结构尺寸、工作机理与人体半规管基本一致的仿生角加速度传感器。同时搭建了实验系统,对仿生半规管传感器的感知理论模型进行了验证。实验结果证明,传感器的工作机理与数学模型推导结果基本一致,仿生传感器在不同加速度刺激下输出相应幅值的电信号。通过扫频实验确认系统固有频率约为10 Hz,可用于人体头部的运动检测。     

仿生半规管传感器密度差感知特性研究

采用表面对称电极含金属芯聚偏氟乙烯(PVDF)纤维(SMPF)传感器,代替人体纤毛细胞感受器,设计制备了一种仿生半规管。根据压电方程和密度差理论,建立仿生半规管的密度差感知机理理论模型。搭建了实验系统,测试了传感器对仿生内淋巴液与仿生壶腹嵴之间密度差变化的感知功能。实验结果表明,仿生壶腹嵴传感器在液体压力作用下可以产生相应的变形,并且不同密度差下的响应幅值不同,同时验证了人体半规管中,当密度差足够大时,半规管具有对直线加速度产生反应的能力。     

仿生壶腹嵴胶质的制备及杨氏模量的测量

为保证采用仿生半规管实体模型研究前庭功能紊乱问题时的测量精度，通过加热—冷冻—解冻法制备了聚乙烯醇/明胶(PVA/GEL)仿生壶腹嵴胶质共混水凝胶膜，并且研究了其微观结构、密度以及黏弹特性。SEM结果表明，“冷冻法”制备的PVA/GEL水凝膜成膜性好、结构致密并且表面光滑。密度测试与XRD测试结果表明，PVA/GEL具有较好的相容性，同时共混水凝膜密度(ρ≈1 g/cm³)与人体壶腹嵴胶质密度一致，并且与水接触后仍可以保持稳态。设计并且采用图像跟踪法进行分析，结果表明，当PVA与GEL的质量比为6∶1时，PVA/GEL膜的泊松比为0.479 916,杨氏模量为86.449 Pa,膜的硬度低、易变形、弹性形变性能最佳。因此，质量比为6∶1的水凝膜力学性能与人体壶腹嵴胶质相似，可应用于仿生半规管实体模型中，研究前庭功能原理。