（机械设计及理论专业论文）奥米亚寄生蝇听觉定位机理及其动力学特性研究.pdf

2 0 盯0 5 1 3 0 奥米亚寄生蝇听觉定位机理及其动力学特性研究 摘要 奥米亚寄生蝇听觉系统尺寸微小，这与一般生物利用声音信号到达双耳的声程差实现 声音定位所需要的尺度严重失配，但却具有构造独特的声感应系统一种在声激励到达听 觉接受细胞之前先对这种微小差异进行放大的有效机制，使它能对对外界声源作出准确的 判断受其启示，通过研究奥米亚寄生蝇听觉定位系统的定位机理，对其具有独特功能的 器官系统的构造进行模仿，有助于新一代高精度仿生学产品如助听器、麦克风、卫星仿生 声纳的研发和应用因此，开展对奥米亚寄生蝇听觉定位系统的研究具有重要的实际意义 本文详细地分析了国内外对奥米亚寄生蝇声感应定位系统研究的历史和现状，结合解剖学 和生理学研究基础建立了反映寄生蝇听觉定位机理的非线性动力学方程，采用理论结合 仿真分析的手法对不同外激励条件下的强度差及时间延迟进行了详细的分析在此基础上， 给出系统参数对系统响应特性的影响及其动力学特性。最后，建立了实验室理论模型，研 究了该模型系统的振动特性和对不同的频率和方向的入射声激励下的响应，为建立实验室 仿生模型打下理论基础具体研究有以下几点： 一、首先介绍本文研究的意义明确需要解决的问题，确立本论文的研究内容接着回 顾和分析了生物力学、仿生学的发展历史和研究现状，详细讨论了非线性动力学的研究现 状和方法 二、介绍寄生蝇听觉系统的生物学特性。对寄生蝇听觉系统解削学结构特征进行详细 地讨论，与非奥米亚寄生蝇的听觉系统进行了对比，指出了奥米亚寄生蝇听觉系统在解剖 学结构上的四个显著特点及其他特征i 介绍奥米亚寄生蝇声感应系统的生物力学性状，找 到了听觉最敏感区及对听觉系统有影响的器官。为后面章节的研究提供理论依据 三、在对寄生蝇听觉系统解剖学结构及生物力学特性研究的基础上，建立了描述其声 定位机理的非线性模型，作出了传递函数，研究了激励频率和角度对模型同侧、对侧强度 差和时间延迟的影响，并与实验结果进行了对比 四、研究寄生蝇听觉系统模型的动力学特性首先，通过将方程进行无量纲化，研究 模型在时域和频域的振动规律及系统参数对振动特性的影响；分析系统在激励频率和激励 力幅影响下的稳定性，给出系统在稳定性不同区域的庞加莱截面和相轨迹图 五、基于听觉系统定位机理研究的基础上，提出用于实验室研究的膜结构理论实验模 型，分析此模型耳膜与机械连接结构之间的耦合形式以及两者间的相互作用，对不同的频 率和方向的入射声激励下的响应作出分析，为将来要进行的实验室模型研究做理论铺垫。 关键词：声定位机理；奥米亚寄生蝇：鼓膜膜间桥；时间延迟；响应差；非线性动力学； 倍周期分岔；混沌 上海交通大学机械系统与振动田家重点实验室 - i - 博士后出螈t t t - s t u d yo nm e c i i a n i s ma n dd y n a m i c s o fs o u n ds o u r c el o c a l i z 订i o no f p a r a s i t o i df l yd r 垄z 4d c 日：j z 4c 王互4 p a r a s i t o i df l yo r m i ao e h m e e ah a sar e m a d m b l ea b i l i t yt od e t e c tt h ed i r e c k o no f a ni n c i d e n t s o u n de v o nt h o u g hi t sa u d i t o r yo r g a n sa r ei nv e r yc l o s ep r o x i m i t yt oe a c ho t h e r i ti sd i f f e r e n t f r o mo t h e ra n i m a l st h a tn e e dd i f f e r e n c e si nt h ei n t e n s i t ya n dt i m eo f a r r i v a lo f t h es o u n d i n s p i r e d b yt h en o v e ls t r u c t u r e ，s o m ei i c ws t y l eb i o n i cp r o d u c t ss u c ha sh e a r i n ga i d s ，m i c r o p h o n ea n d b i o n i cs o n a rc a nb ed e s i g n e dw i t hm i m i c k i n gt h eu n i q u es t r u c t u r eb a s e d0 nt h em e c h a n i c so f t h e s o u n d8 0 l t r e el o c a l i z a t i o n s oi n v e s t i g a t i o no ft h ed i r e c t i n gh e a r i n go ft h ef l yi sr e q u i r e d i nt h i s p a p e r , t h er e s e a r c h e sh i s t o r ya n da c t u a l i t yi no v c i s c a 8 玳s t u d i e dd e t a i l e d l y , 蛐a n a l y t i c a l n o n l i n e a r m o d e l o f t h e m e c h a n i c a lr e s p o n s e o f t h e e a r t oas o u n ds t i m u l u s i s p r o p o s e d b a s e d 0 1 1 t h ea n a t o m ya n dp h y s i o l o g yw o r kd o n eb yo t h e rs c h o l a r d i f f e r e n e e so f i n t e n s i t ya n dt i m ed e l a y w i t hs t i m u l u sv a r y i n ga 托i n v e s t i g a t e d e f f e c to f s o u n da n g l eo f i n c i d e n c ei sa n a l y z e d i na d d i t i o n , r e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c sa f f e c t e db ys y s t e m 脚t e r sa 8w e l la 8d y m n i cb e h a v i o ra i es u r v e y e d a th s t ae x p e r i m e n t a lm o d e li 8p r e s n t e d v i l ，r a t i o nc b a i a c t e r i s t i c sa n dl e 镕p o n s ci nd i f f e r e n t f r e q u e n c ya n da n g l eo fa r r i v a ls o u n da p r e s e n t e d t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e rc 锄b e s m m m r i z e d 勰f o l l o w s ： 1 f i r s t l y , t h er e a s o na n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c eo f m e c h a n i c so f t h ea c o u s t i cs e n s o r yo r g a n so f t h ef l yi sd i s c u s s e c lf o c u so nt h er e s e a r c ho fb i o n i cm e c h a n i c sa n db i o n i c ，t h er e s e a r c h h i s t o i yi sr e v i e w e da n dt h er e s e a r c hi ss t u d i e d n 坼a c t u a l i t ya n dm o t h o d so fn o n l i n e a r d y n a m i c sa a n a l y z e dd e t a i l e d 2 t h es p i a l i t yo ft h ep a r a s i t o i df l yi nb i o l o g yi si n t r o d u c e d , a n dt h er e m a r k a b l ea n a t o m i c a l s t r u c t u r ec h a r a c t e ro ft h r e es p e c i e so fo r m i i n et s c h i n i d sa r ed 。s c r i b e di nd e t a i l a n d c o m p a r e dt o t h e c l o s e l yr e l a t e d , n o n - o r m i i i n e ，t s c h i n i dp a r a s i t o i df l ym y i o p h a m s d o r y p h o r a e f o u ru n i q u ea n a t o m i c a lc h a r a c t e r sw i m g a r dt ot h e i rp a r a s i t i cl i f eh i s t o r ya r e d i s c u s s e d b i o m e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i ci ss u r v e y e d a r e ao fh e a r i n gs e n s i t i v i t ya n dk e y o r g a n st h a ti n f l u e n e es o u n ds o u i v 圮l o c a l i z a t i o n 黜d e t e r m i n e d 皿cs n l d yo f1 1 1 i sc h a p t e r p r o v i d et h e o r e t i cb a s et on e x tw o r k 3 o nt h ek n o w l e d g eo fa n a t o m i c a la n dp h y s i o l o g i c a li n v e s t i g a t i o n , nn o n l i n e a rm o d e li s p r o p o s e dw h i c ha c c o u n t sf o r t h em e c h a n i s mo fs o u n ds o u r e el o c a l i z a t i o n t r a n s f e r f u n c t i o n s 础d e r i v e d d i f f e r e n c e si ni n t e n s i t ya n dt i m ed e l a yb e t w 嘲i p i l a t e r a lp i ta n d c o n t r a l a t e r a lp i ta r ed i s c u s s e df o rv a r i o u si n c i d e n td i r e c t i o n so ft h es o u n ds t i m u l u s - i i - 上海交通大擘振动冲击噪声国家重点实验室 p r e d i c t i o n sa r ec o m p a r e dw i t hm e a s u r e dd a t ao b t a i n e db yp i 明商吣l i t e r a t u r e s 4 d y n a m i c 8o ft h em o d e li sd i s c u s s e d a tf i r s t , v i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c si i it i m ed o m a i na n d f r e q u e n c yd o m a i na r em v 嚣t i g a t e df o rv a r i o u si n c i d e n ts o u n ds t i m u l i e f f e c t so fs t i f f n e s s ， d a m p m ga n dd i s t a n c eb e t w e e nt w o 璐o nr e s p o n s ea 坤o b t a i n e d s t a b i l i t ya f f e c t e db y f r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo ft h es t i m u l u si sd e r i v e dw i t hm a p l ep r o g r a m p o i n e 盯es e c t i o n s a n dt r a j e c t o r i e si np h a s ep l a n ea r cg a i n e db yn o n l i n e a rd y n a m i c a lt h e o r y 5 am e m b r a n e s t r u c t u r em o d e lw i t hm i m i c k i n gb i o l o g i c a lg a - u c t = i l r co ft h ep a r a s i t o i df l yi s p r e s e n t e d c o u p l i n gf o r mo fm e c h a n i c a le l e m e n t sa n dm e m b r a n ea sw e l l 船i n t e r a c t i o n b e 阳r e e nt h e mi sa n a l y 嬲1 r m , o n 船f o rd i f f e r e n tf m l u e n c ya n da n g l eo ft h es t i m u l u sa o b t a i n e d k e y w o r d g ：s o u n d $ o u l p l o c a l i z a t i o n ；p a r a s i t o i df l yo r m i ao c h i l l c t 埴；i n t e r t y m p a n a l t i m ed e l l ；r e s p o n s ed i f f e r e n c e s ；n o i l l i n e a rd y n a m i c s ；m u l t i p l e 。 b i f u r c a t i o n ；c h a o s 第一幸绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 跨入2 l 世纪，进入了加快推进现代化和积极参予经济全球化的新时期，将迎来实现跨 越式发展的历史机遇，也将面临严峻的全球性竞争和挑战目前我国已经在高速宽带网、 高性能计算机、超大规模集成电路、大型应用软件、生物芯片、生物技术、特种功能材料、 高性能结构材料等领域获得了突飞猛进的发展2 0 0 3 年上半年我国高新技术产品进出口总 额达9 5 0 亿美元，其中出口达4 4 0 亿美元，比2 0 0 2 年增长了5 0 8 显示出高新技术产 业发展的强劲势头在高新技术产品中，特别引人注目的是我国当前优先发展的高技术产 业化1 4 1 个重点领域，将近有3 0 个领域和仿生学有关，这些项目的实施将为我国国民经济 的腾飞和持续发展提供有力的保障2 1 世纪的生物力学研究也将在军事领域展开空前的竞 争2 0 世纪末，各种先进微型制造技术、微机电系统等为军事装备领域的发展奠定了扎实 的基础 动物感观的仿生研究一直是比较活跃的领域依据动物的某项特殊功能研制成功的模 型已广泛应用于各个领域比如模拟生物嗅觉器官制成的电子鼻模型使自动分析仪器更灵 敏、快速和小型化在研究苍蝇嗅觉器官的生物生物化学本性和化学反应转成电脉冲的方 式之后，已仿制出十分灵敏的小型分析仪依据狗鼻子研究出的电子警犬可以用于苯、染 料、漆、瓦斯等气味的监测而且灵敏度相当高 人们关于动物特别是哺乳动物听觉定向系统的研究已有很长的历史并掌握和积累了大 量的知识，已经开发出很多仿生产品然而，对于那些具有特殊听觉结构系统的小型动物 而盲，虽然在其生理学、解剖学方面的研究已相对完善，但对其听觉系统方面的更为深入 的研究，由于其本身的难度和复杂性，目前尚处于起步阶段，所掌握的知识极为有限 本项目正是基于此，研究一种对声激励响应差具有特殊放大作用的寄生蝇听觉系统【” 对于体型很小又需要对声源进行定位的奥米亚寄生蝇来说，由于他们的耳间距离非常小， 通常很难明显感觉出声音到达两耳时的差异对于这类动物，人们发现他们的每只耳朵实 际上是受到了来自身体两侧的声压的共同作用这种相互作用产生的净压将导致离声源较 远的( 或称对侧的，c o n t r a l a t e r a l ) 那只耳朵产生较小的反应。而离声源较近的( 或称同 侧的，i p s i l a t e r a l ) 那只耳朵产生较大的反应【2 - ”此外，这种相互作用还能够增加耳闻 有效距离，从而延长了声音到达两耳时的时间差。 本课题综合运用现代分析理论和方法并借助于先进的实验测试分析手段，通过系统深 入的研究，全面揭示寄生蝇微型声感应系统的定向机制，对该系统的机械动力学与仿生学 问题作进一步深入的探讨本项目的研究涉及到解剖学、生物力学、仿生学、声学及非线 性动力学等诸多学科领域，因此本章首先介绍生物力学、仿生学的概念，对其发展历程和 上海交通大学机械系统与振动固家重点实验室一1 一 士后t l ：g , t - t - 研究现状进行简单的介绍，进而对非线性动力学的发展与现状以及本论文主要的研究内容 作了详细说明 1 2 生物力学及其研究意义 1 2 1 生物力学理论的诞生 在科学的发展过程中，生物学和力学相互促进和发展着哈维在1 6 1 5 年根据流体力学 中的连续性原理，按逻辑推断了血液循环的存在，并由马尔皮基于1 6 6 1 年发现蛙肺微血管 而得到证实 材料力学中著名的扬氏模量是为建立声带发音的弹性力学理论而提出的；流 体力学中描述直圆管层流运动的泊松定理，其实验基础是狗主动脉血压的测量；黑尔斯测 量了马的动脉血压，为寻求血压和失血的关系，在血液流动中引进了外周阻力的概念，同 时指出该阻力主要来自组织中的微血管；弗兰克提出了心脏的流体力学理论；篪塔林提出 了物质透过膜的传输定律；克罗格由于对微循环力学的贡献，希尔由于肌肉力学的贡献而 先后( 1 9 2 0 ，1 9 2 2 ) 获诺贝尔生理学或医学奖到了2 0 世纪6 0 年代，生物力学成为一门完整、 独立的学科 生物力学是应用力学原理和方法对生物体中的力学问题定量研究的生物物理学分支 其研究范围从生物整体到系统、器官( 包括血液、体液、脏器、骨骼等) ，从鸟飞、鱼游、鞭 毛和纤毛运动到植物体液的输运等 生物力学的基础是能量守恒、动量定律、质量守恒三定律并加上描写物性的本构方程 生物力学研究的重点是与生理学、医学有关的力学问题依研究对象的不同可分为生物流 体力学、生物固体力学和运动生物力学等 1 2 2 生物力学的发展与现状 生物力学的发展，9 2 0 t 世纪6 0 年代开始到今天，已有将近5 0 年的历史作为一门新型 的交叉学科，在这短短的5 0 年中，生物力学作出了很多优异的成果伴随着现代科学技术 的飞速发展，生物力学正进入新的研究阶段，一是生物材料的宏观力学性能研究，另一个 是组成生物材料的微观细胞力学性能研究1 4 生物材料宏观力学性能研究的历史可分为两个阶段，初期阶段是以连续介质力学的观 点。采用实验手段力图准确描述生物材料的力学性质，例如血管、骨骼、皮肤以及血液等 o s - s 0 1 在人们进行了多方面的实验研究和模型研究后，发现了生物材料的生长与状态有关 折椅规律，并将其应用到骨断裂愈合，产生了骨夹板手术愈合的新办法【4 1 ；将其应用到皮 肤扩张过程控制，使产生新皮瓣的过程时间大大缩短。第二阶段使从8 0 年代开始，冯元桢 i s 0 4 1 】教授等人发现了血管壁残余应力。当动脉血管段离体处于无载荷自然状态时，将其沿 径向剪开，动脉壁会自然张成一段圆弧状，这说明动脉血管离体处于无载荷自然状态材料 内部存有应力，称这个应力为残余应力。人们在对这一现象进行大量烟具后，发现了两个 重要结果，一是生物材料是在一定应力状态下形成：二是生物材料在一定的生化和生理状 上海交通大擘机械系统与振动国家重点实验室 第一幸廿论 态下可以改变其力学性能以适应环境的需要由此，冯元桢教授提出了重建原理，即将生 物材料由生化和生理改变而产生力学性能的再构原理 细胞层次的力学研究是从7 0 年代开始【5 2 】，在力学层次i - 可分为三个阶段 1 细胞膜或细胞结构的力学问题。在细胞生理学上红细胞是生理功能最显著、结 构性态最简单的细胞。研究红细胞的力学性能，不但在生理学上而且在临床上 都有十分重要的意义 s 2 4 9 1 2 细胞间的相互作用这一问题的宏观现象表现在红细胞聚集和白细胞的特异性 黏附初期阶段的研究是宏观聚集现象特征的评价研究嗍第二阶段的研究是 对细胞之间作用的现象微观观察研究州蚓由于观测尺度和生物化学因素，使 研究细胞问相互作用的物理机制非常复杂一般的物理模型和力学理论在这一 尺度上很难解释清楚，因此细胞问相互作用力学问题的研究正是细胞力学的热 点课题之一 3 可变形的细胞在液体流动中的变形、姿态及相互作用这个问题的研究是建立 宏观物理量和微观性质的理论桥梁 6 3 - 7 q ，特别是微小血管中，血液的流动已经 不再是连续介质尺度的模型了，应采用二相流模型这些课题的研究仍属于细 胞层次的生物力学研究 综上所述，生物力学在2 l 世纪的今天，正进入一个新的研究阶段如果说生物力学的 堀起( 6 0 年代到8 0 年代) 是它的第一次高潮，那么，跨世纪之初，生物力学正处在第二 次高潮之中，向更深层次、更大范围进军其特点是由宏观向微观深入、宏观和微观相结 合、宏观与微观并进；生物力学方法和生物化学方法相结合；生物力学更深入医学，深入 于生物医学工程的多个领域( 如生物医学材料) ，尤其是一些新生的前沿领域( 如组织工程、 生物功能材料、生物芯片、新型生物传感器等) 当我们面对复杂的生命现象时，深深的感 到需要更好的工具来描述复杂的生命规律，这正是2 l 世纪科学研究的重大任务之一 1 3 仿生学研究 仿生学是近期发展起来的生物学和技术学相结合的交叉学科近年来，随着科学技术 突飞猛进的发展，该研究领域已不断地涌现出一个又一个令世人震惊的成果。 1 3 1 仿生学概述 地球是生命的摇篮。花草树木，虫鱼鸟兽等2 0 0 多万种形形色色的生物，组成一个生 机勃勃的世界。许多昆虫和鸟类能在空中自由飞翔；成千上万种鱼类在河川、海洋中邀游 人类在认识、利用、改造生物的同时，发现一些关于植物和动物的相类似的功能，实际上 是超越了人类自身的在此方面的技术设计方案的。植物和动物在几百万年的自然进化当中 不仅完全适应自然而且其程度接近完美。因此也不断进行着模仿生物的活动，模仿水生动 物的游泳技能，发明了舰船；模仿虫鸟飞翔，不断完善了飞机等飞行器。人类从不自觉到 自觉，从机械模仿、仿生类比到仿生学的建立，经历了漫长的历史过程【“。 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室 - 3 - 博士后出站报告 本世纪5 0 年代，人们真正认识到模仿生物系统是开发新技术的重要途径之一自觉地 把生物界作为技术思想、设计原理和创造发明的源泉。科学家应用化学、物理、数学以及 高科技手段对生物系统开展深入研究，对生物体内功能机理的了解逐步深化，应用范围日 益扩大，由此，- - f l 新的学科一仿生学诞生了删仿生学作为- n 独立的学科，于1 9 6 0 年9 月正式诞生。由美国空军航空局在俄亥俄州的空军基地戴通召开了第一次仿生学会议 会议讨论的中心议题是“分析生物系统所得到的概念能够用到人工制造的信息加工系统的 设计上去吗? ”斯蒂尔( j a c ke l l w o o ds t e e l e ) 博士根据拉丁文“b i o s ”( 生命方式的意 思) 和字尾“n i c ”( “具有的性质”的意思) 为新兴的科学命名为。b i o n i c s ”，希腊文 的意思代表着研究生命系统功能的科学斯蒂尔把仿生学定义为“模仿生物系统的原理来 建造技术系统，或者使人造技术系统具有或类似于生物特征的科学”简言之，仿生学就是 模仿生物的科学确切地说，仿生学是研究生物系统的结构、特质、功能、能量转换、信 息控制等各种优异的特征，并把它们应用到技术系统，改善已有的技术工程设备，并创造 出新的工艺过程、建筑构型、自动化装置等技术系统的综合性科学科学家给仿生学下的 定义是：模仿生物系统的原理来建造技术系统，使人造技术系统具有生物系统特征或类似 特征的科学 仿生学试图在技术方面模仿动物和植物在自然中的功能这个思想在生物学和技术之 间架起了一座桥梁，并且对解决技术难题提供了帮助通过再现生物学的原理，人类不仅 找到了技术上的解决方案，而且同时该方案也完全适应了自然的需要 仿生学是研究生物系统的结构、物质、功能、能量转换、信息控制等生物系统的结构 和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学，是一门应用基础和技术开发研 究相结合的学科1 7 】仿生学的目的就是通过分析生物过程和结构以及它们的分析用于未来 的设计仿生学基本任务是研究生物系统的优异能力及产生原理。将其模式化，再运用于 新技术设备的设计与制造，或者使人造技术系统具有类似生物系统的特征仿生学的思想 是建立在自然进化和共同进化的基础上的人类所从事的技术就是使得达到最优化和互相 间的协调而模拟生物适应环境的功能无疑是一个好机会 仿生学在机电、航空航天等高科技领域，已获得广泛的应用【7 习例如，昆虫一般都有 触角，不论白天黑夜，触角一接触物体，便能准确判断出是何物体，甚至还能感知物体的 形状、硬度、气味等科学家研究发现，昆虫的这种。特异功能”来源于其触角的特殊结 构触角的表面有许多孔，孔的底部布满感觉器官，其细胞里贮藏着大量的饵料信息素、 气味识别信息素以及警报信息素等模仿这种结构，科学家设计出了各种传感器和测量仪 f ，广泛应用于机电、医疗、检测等诸多领域。又如，飞机高速飞行时，机翼受气流的 冲击常发生颤振，从而导致机翼断裂、机毁人亡。科学家从蜻蜒翅膀上的黑色翅痣( 一种较 厚的角质组织) ，想到了配重，于是“照葫芦画瓢”，给飞机机翼上装了配重，从此，飞机 的此类事故大大减少【删再如，小小苍蝇，能连续飞行几小时不降落，飞行时速高达2 0 公里它不需要滑行，能沿与地面呈3 0 度的角度迅速起飞，可在空中急停、急转弯，垂直 - 4 - 上海交通大擘机械系统与振动国家重点实验室 第一幸绪论 上升、下降，着陆动作也很轻快科学家研究发现，原来在苍蝇翅膀后面还有一对小的翅 膀楫翅，它像船的桨和舵一样既能控制飞行方向，又能控制身体平衡，既是导航仪， 又是平衡棒，航天科学家在楫翅的启示下，制成了振动陀螺仪，用在飞机、火箭及空间飞 行器上，大大提高了自动控制系统的性能 8 0 , 8 1 1 。 蝙蝠昼伏夜出在空中忽上忽下兜圈子，能陡然改交飞行方向，避开障碍物，又能捕 食正在飞行中的昆虫科学家研究发现它不是靠眼睛，而是靠嘴、喉和耳朵组成的回声定 位系统。因为蝙蝠在飞行时发出超声波又能觉察出障碍物反射回来的超声波根据发出 超声波到回收超声波的时问，即可判断出自己和障碍物间的距离，再依靠耳朵的定向作用， 就能准确确定障碍物的方向和位置蝙蝠的这种回声定位系统正是雷达的雏形科学家据 此设计出了现代的雷达一种无线电定位和测距装置 a t j 加 现代仿生学研究重新获得重视标志着生物学研究从整体到组织器官再到细胞和分子 水平的研究在更高层面上深入到“形态和功能”水平，揭示更为复杂的生物学现象，其有关 机理的阐明将被用于解决人类社会的重要问题。 1 3 2 我国仿生学的发展 仿生学创立4 0 多年来，在世界范围内得到迅速发展模仿动物的运动、行为和功能设 计和制造产品，模仿植物的形态、结构、成分和物理特性开发新材料等已取得许多重要研 究成果。并已广泛应用于许多工程领域 进入2 l 世纪前，各国都在发展仿生学这门交叉学科的基础研究上做了长期的计划准 备例如美国有一项长期的研究计划，将优先发展先进制造( 其中包括模拟与仿真、传感 器、生物技术、微制造) ，先进材科( 材料合成、加工技术研究等) 及先进军事装备研究等 领域德国的技术与研究部也在仿生材料生物传感器等方面投入了大量的财力、人力英 国政府也发表了运用我们的潜力一科学、工程和技术战略 的科技白皮书日本、俄罗 斯和韩国等国家也在先进制造、材料和生物技术等领域开展基础性研究从这些科技计划 发展中可以明显看出各国都在仿生学领域开展着剧烈的竞争，以便在2 l 世纪的世界市场上 占有主动地位。 跨入2 l 世纪，我国进入了加快推进现代化和积极参与经济全球化的新时期。将迎来实 现跨越式发展的历史机遇我国在仿生学领域的研究一进具备一定的基础，在仿生结构、 生物力学、仿生材料、仿生微结构、仿生功能元件、仿生化学等方面都有一定进展和研究 积累 s 4 - s 7 1 近十年来，我国在仿生学领域的研究异常活跃，取得了突破性进展和高水平的研究成 果1 5 e - 1 惦! 有些成果已转化为生产力，并应用于工业、农业、建筑业、信息业、医学、军事 等领域创造了巨大的经济效应 9 4 i 0 3 , 1 蜘2 0 0 3 年下半年，香山科学会议三个月内两度聚焦 仿生学与会专家认为，我国仿生学的下一步发展应把握2 l 世纪国际仿生学的发展方向和 前沿，加强原始创新研究，尤其注重仿生学研究在我国优先发展的1 4 1 项高技术领域中的 应用仿生学研究已列入国家科技中长期发展规划，国家科技部，国家自然基金委，教育 上海交通大学机械系统与振动固术重点实验室巧一 博士后出站报告 部等已将仿生学研究列入”十一五规划”为适应仿生学研究的发展，专门从事仿生研究的 机构和学术组织如雨后春笋般地不断建立起来：不少高校还设置了仿生学专业有的还设 立了硕士、博士学位授予点，以加强仿生人才培养。中科院动物研究所近期成立了动物仿 生学研究小组，重点开展以昆虫的独特器官功能为目标的仿生学研究项目，首选仿昆虫嗅 觉系统研制生物传感器作为主要研究方向，该传感器研制计划主要针对包括化学农药和神 经毒剂在内的环境中的有害化学物质的检测 总之，在经济高速发展的今天，我国科学家们必须重视从自然界的创新源泉中去获取 属于自己的新技术、新方法、新工艺和新理论，来加速我国在创新领域的竞争力 1 3 3 仿生学研究的内容 仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科 学。仿生学的研究范围主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。 力学仿生，是研究并模仿生物体大体结构与精细结构的静力学性质，以及生物体各组 成部分在体内相对运动和生物体在环境中运动的动力学性质f 船”。例如。建筑上模仿贝 壳修造的大跨度薄壳建筑，模仿股骨结构建造的立柱，既消除应力特别集中的区域，又可 用最少的建材承受最大的载荷。军事上模仿海豚皮肤的沟槽结构【，町，把人工海豚皮包敷在 船舰外壳上，可减少航行揣流，提高航速； 分子仿生，是研究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大 分子或其类似物的分析和合成等眇一位m 】例如，在搞清森林害虫舞毒蛾性引诱激素的化 学结构后，合成了一种类似有机化合物，在田问捕虫笼中用千万分之一微克，便可诱杀雄 虫： 能量仿生，是研究与模仿生物电器官生物发光、肌肉直接把化学能转换成机械能等生 物体中的能量转换过程i l 。o j ； 信息与控制仿生，是研究与模拟感觉器官、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能 活动等方面生物体中的信息处理过程 i 0 4 - i 叫。例如根据象鼻虫视动反应制成的“自相关测速 仪”可测定飞机着陆速度根据鲎复眼视网膜侧抑制网络的工作原理，研制成功可增强图 像轮廓、提高反差、从而有助于模糊h 标检测的一些装置。已建立的神经元模型达i o o 种 以上f 】，并在此基础上构造出新型计算机。模仿人类学习过程，制造出一种称为“感知 机”的机器，它可以通过训练，改变元件之闻联系的权重来进行学习，从而能实现模式识 别。此外，它还研究与模拟体内稳态，运动控制、动物的定向与导航等生物系统中的控制 机制，以及人一机系统的仿生学方面。 某些文献中，把分子仿生与能量仿生的部分内容称为化学仿生，而把信息和控制仿生 的部分内容称为神经仿生。 仿生学的范围很广，信息与控制仿生是一个主要领域一方面由于自动化向智能控制 发展的需要，另一方面是由于生物科学已发展到这样一个阶段，使研究大脑已成为对神经 科学最大的挑战。人工智能和智能机器人研究的仿生学方面生物模式识别的研究，大 脑学习记忆和思维过程的研究与模拟，生物体中控制的可靠性和协调问题等是仿生学 上海交通大擘机械系统与振动田家重点实验室 第一幸堵论 研究的主攻方面控制与信息仿生和生物控制论关系密切。两者都研究生物系统中的控制 和信息过程，都运用生物系统的模型。但前者的目的主要是构造实用人造硬件系统；而生 物控制论则从控制论的一般原理，从技术科学的理论出发，为生物行为寻求解释。 最广泛地运用类比、模拟和模型方法是仿生学研究方法的突出特点。其目的不在于直 接复制每一个细节，而是要理解生物系统的工作原理，以实现特定功能为中心目的。般 认为，在仿生学研究中存在下列三个相关的方面；生物原型、数学模型和硬件模型前者 是基础，后者是h 的，而数学模型则是两者之间必不可少的桥梁。 由于生物系统的复杂性，搞清某种生物系统的机制需要相当长的研究周期，而且解决 实际问题需要多学科长时间的密切协作，这是限制仿生学发展速度的主要原因 1 4 非线性动力学的发展与现状 1 4 1 非线性动力系统研究现状 近几十年来，由于非线性科学的迅速发展，对非线性动力系统的研究日益增多，对动 力系统中极其丰富、复杂的非线性现象提出了多种研究、发展的理论方法，而且从最初的 经典的摄动法、平均法、多尺度法等解非线性振动的方法走向了用近代的动力系统理论和 方法进行研究的阶段研究的系统也从简单的，低维、弱非线性的振动系统进入高维、复 杂的系统这些研究的中心内容就是分岔和混沌非线性动力系统中的分岔和混沌是非线 性科学研究的重要内容之一 近年来随着分岔混沌理论与方法的研究不断深入，有关分岔混沌理论与方法得到了较 大的发展，取得了许多有意义和重要的研究成果b o g o l i u b o v 、m i t r o p l s k y 等用平均法研 究了m a t h i e u 方程。8 0 年代n a y f c h 等人也用多种方法对非线性动力系统进行了研究，为非 线性动力系统的研究做出了很大贡献从6 0 年代起，p r g e t h n a 就开始研究非线性动力系 统，在7 0 年代已把分岔理论引入非线性振动理论中从年代初始，p h o l m e s 和 j g u c k e n h c i m e r 对非线性动力系统的分岔理论和混沌理论的研究做出了巨大贡献他们给 出的研究方法对深入研究分岔和混沌问题提供了有力的工具。 9 0 年代以来，对非线性动力系统的研究更是得到了极大的发展。傅卫平、徐健学l l 在 非线性模态理论的基础上，建, - ry t e 线性模态与h o p f q 岔的联系，研究了机电耦合扭振系 统的h o p f 分岔陈予恕等【l 协m 硼直接方法求出了具有平方、立方非线性项的耦合动力系统 l ：2 内共振时的n o r m a lf o r m ，通过适当的变换将4 维化为3 维，得到了单变量4 次分岔 方程，通过奇异性理论研究了一类普适开折的分岔特性井竹君【“4 谴行汽轮发电机组轴系 扭振的分岔分析及稳定域的估计贾宏裂”5 】用非线性动力系统的分岔理论和方法，针对简 单的电力系统模型，分析了电力系统环面分岔与混沌现象的研究。罗跃纲【l ”墚用渐进法和 数值方法，对含有5 次项非线性恢复力的振动系统简谐激励作用下的动态特性进行了分析， 研究了具有高次项非线性振动系统的倍周期分岔、阵发性分岔和混沌等动力学行为。a h n a y f o h 】分析了所给电力系统的较复杂分岔行为，揭示了鞍结分岔、超临界、次临界h o p f 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室 - 7 - 士后出站拄告 分岔，极限环的出现、消失，倍周期分岔、混沌等行为f a b r i z i ob o n a n i ”町在谐波平衡法 的基础上，提出了一个能计算极限环和f l o q u e t 因子的改进的谐波平衡方法，并建立了稳定 性和分岔的条件。k b - k i l a n i 【1 1 9 】也提出了计算h o p 盼岔和鞍结分岔的新方法。j h f u 【1 2 0 l 对 具有非半单零特征根的非线性系统，研究稳定性条件和庞加莱n o r m a lf o r m ，通过构造 l y a p u n o v 函数进行局部和全局稳定性判断。a m ah a m d a n 和a hn a y f e h m 考虑具有二 次三次非线性项的系统，用多尺度法分析主参数共振和次谐波共振，讨论了极限环问题、 跳跃现象和次临界不稳定性等问题p i c a r d i 1 碉也用谐波平衡法研究了周期强迫系统的鞍 结分岔和倍周期分岔文献 1 2 3 1 一 1 4 7 1 也分别对不同非线性系统在不同情况下的动力学行为 进行了研究由于篇幅所限，不一一列举总之，分岔和混沌的理论研究构成了非线性动 力学近代理论的基本内容，为新世纪非线性动力学的蓬勃发展奠定了雄厚的基础。对科学 和工程技术领域产生了十分深刻的影响 1 4 2 研究方法简介 经典的研究非线性振动的方法在非线性动力学理论中占重要地位，是研究复杂动力学 行为的基础。他们包括摄动法、平均法、渐进法、多尺度法和谐波平衡法等 1 4 2 1 摄动法 摄动法是庞加莱于十九世纪提出来的，后由李雅普诺夫和马尔金等进行了深入研究 z h a i i g 等1 1 4 0 1 用f l j k o v a e i c 和、) l ，i 站i i i s 发展的叫全局摄动法的方法，对同时有参数激励和外激 励的系统进行了全局分岔行为的研究c h u n g 等 1 4 1 l 也用了一种改进了的摄动法来确定多自 由度强非线性振动系统的分岔和极限环 1 4 2 2 多尺度法 摄动法系统的周期解是一个自变量的函数，如果对系统引入多个变量，其解也成为多 个自变量的函数，这种将解的展开式考虑成多个时间自变量函数的方法称为多尺度法用 该法求解非保守系统更加方便。很多文献3 x “7 1 2 1 x 捌1 4 0 1 1 6 0 都是用多尺度法对系统进行研 究季迸臣 h 3 研究了参数激励作用下两自由度非线性系统在l ：2 内共振条件下主参数激 励低阶模态的非线性响应，采用多尺度法得到其振幅和相位的调制方程。n a y f e hl l ”】则采用 多尺度法求分岔点附近的n o r m a lf o r m a m a h a m d a n 1 2 q 考虑具有二次、三次非线性项的 参数激励和外激励系统，用多尺度法求出了主参数共振和次谐波共振冯志华【。】建立了包 含耦合的三次几何及惯性非线性项大范围直线运动梁的动力学控制方程，利用多尺度法并 结合笛卡尔坐标，所得方程进行一次近似展开，对满足3 ：1 内共振的梁参激振动的稳定性 进行了详细分析w e iz h a n gv 4 0 】贝f j 用多尺度法对同时有参数激励和外激励的系统进行了局 部分岔行为的研究，而用全局摄动方法系统进行了全局分岔行为的研究。a m a h a m d a n 【l 卿 用多尺度法研究了主参数共振和次谐波共振以前用多尺度法多得一阶扰动方程，当激振 力幅大时就不够精确了，所以该文用多尺度法得出二阶近似，提高了解的精确性，说明了 次解法也能得到数值模拟的效果 - 8 -上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室 第幸鸯论 1 4 2 3 谐波平衡法 谐波平衡法也是一种应用比较多的求解非线性振动的方法由于传统的谐波平衡法只 能用来确定只有一个吸引子的非线性系统，故现在有很多人研究改进的谐波平衡法，以使 其适于研究有几个吸引子的非线性系统。c a d o p i c c a r d i 1 3 3 疑出了一种谐波平衡法，并对余 维2 的周期系统进行了研究h gk w a t n yi ”6 j 也提出了一种研究电力系统h o p f ：分岔的谐波 平衡法由于分析周期系统的极限环分岔的庞加莱映射在实际中很难应用，故文献 1 2 2 用 一种谐波平衡法来研究有周期强迫力的系统即建立一谐波平衡系统，求此谐波平衡系统 与原系