“吉林大学2014年研究生创新研究计划”项目申报书.doc

“吉林大学2014年研究生创新研究计划”项目申请书项目名称：沙漠蝎子体表感受器的感知机理及仿生研究 申 请 人： 陈道兵 所在单位： 吉林大学生物与农业工程学院 申报学科（领域）： 装备制造 吉林大学研究生创新中心制二一四年四月申 请 表 填 写 说 明一、请严格按照表中要求填写各项。二、所申请项目的起止年限是指项目被批准立项之日起，至项目结题之日止，期限1年，必须在负责人毕业之前结题。三、项目资助额度按照“关于申报吉林大学2014年研究生创新研究计划项目的通知”中所列的资助额度填写。四、对于“项目申报基础信息表”中的选择栏目，采用在所选项空格内打方式确定。五、申请表文本中外文名词第一次出现时，要写清全称和缩写，再出现同一词时可以使用缩写；“主题词”栏中的中、英文主题词数量均为3个，主题词之间用“/”分隔。六、申请表文本采用标准A4幅面纸双面打印，于左侧装订成册。文字一律采用小四号宋体，1.5倍行距打印，对于篇幅不够的栏目可自行加页。一、项目申报基础信息表项目名称沙漠蝎子体表感受器的感知机理及仿生研究经费预算总额 2 万元，其中研究生创新研究计划项目资助 1 万元起止年限 2014年5月 2015 年5月申报人基本情况姓 名陈道兵学 号2013452040性 别男在读学位硕士 博士培养方式全日制 在职培养单位吉林大学生物与农业工程学院专 业仿生科学与工程联系方-导师姓名韩志武联系方-项目组成员姓 名学 号所在学院专 业联系电话E-mail陈道兵2013452040生物与农业工程学院仿生科学与工程18143093568247519272孙楚平2013452046生物与农业工程仿生科学与工程15143173646109270070李杨2013452013生物与农业工程农机18143093012949119680申报意义与研究内容（包括项目研究意义、创新性或交叉点等，200字以内）微流量及微振动检测在对先进制造、航空航天、军事领域有着巨大影响。沙蝎体表感受器的优异性能为我们仿生研究能够满足日新月异的工业、国防、航空航天、生物等领域应用要求的微流量及微振动检测装置提供了优秀的蓝本。本项目的主要研究内容为沙蝎体表感受器的感知机理以及仿生应用，其创新点在于从深层机理上解释沙蝎体表感受器的作用机制并且使其具有良好的仿生再现应用能力，能够为微流量及微振动的检测传感装置提供新思路。主题词沙蝎/振动感知/仿生 Sand Scorpion/Vibration Sensory/Bionic二、立项依据与研究内容1、项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述期应用前景。附主要参考文献目录）1.1、研究目的与意义现代科学技术的发展对测试与控制装置提出了新的挑战。微振动测量不但可广泛应用于材料的探伤、机械系统的故障诊断，结构件的动态特性分析以及振动的有限元计算结果验证，而且在环境振动和噪声的分析和隔离中发挥着重要的作用。两个典型例子：1）在许多应用领域，必须要考虑到装置的结构稳定性问题。在光纤陀螺和微电子机械系统(MEMS)中，结构振动是主要的误差来源之一，直接影响其使用精度。2）在航空、航天工业及精密仪器制造等领域，微振动的实时检测具有十分重要的意义。例如航空仪器零部件在工作中的微振动控制需要具备实时性反馈，若测量时间过长则不能反映出实际的振动特性。因此，提高微振动测试装置的测量精度、抗干扰性以及灵敏度等性能，成为国际学术界和工程领域的前沿和热点问题，研究新的、更有效的微振动测试装置，及时、尽早发现微振动，解决微振动控制问题势在必行。同时，气体流量的测量是工业生产过程、科学实验计量的重要参数，是能源计量的重要组成部分。它对于保证产品质量、提高生产效率、节约能源，促进科技的发展都有很重要的作用。通过对气体流量的测量，人们可以了解掌握流动过程从而对生产进行自动控制，实行能源有效管理。而流量检测装置的精度高低、稳定性好坏、适应工作环境能力的大小、智能化水平和性能价格比高低等指标极大地影响着社会各行业的发展。四个典型例子：1）随着真空校准技术的发展，需要测量气体微流量，研制气体微流量计，进而建立气体微流量标准，用于真空漏孔和正压漏孔的校准，这已成为真空计量研究的重要内容。2）长期在空间飞行的载人飞船保持舱内恒定的压力尤为重要，为保持舱内的压力恒定、需要对舱体进行检漏、检漏时不但要找到漏孔位置、还要精确测量微小的漏率。3）火箭燃料是易燃、易爆、有毒的气体或液体，微小的泄漏具有很大的危险性，因此，要对火箭燃料的加注过程和发射阵地进行安全检测。4）在电子工业中的半导体元件、集成电路、计算机芯片的生产工艺中，精确控制气体微流量的注入，对保证工艺质量和产品性能的稳定至关重要。因此，研制出满足工业、国防、航空航天、生物等领域应用的流量测试装置十分迫切。1.2、国内外研究现状分析与评价1.2.1基于昆虫和鱼类体表刚毛的仿生传感技术研究现状昆虫体表的刚毛的形状有多种，有的是作为运动器官，还有的是作为感觉器官，但不论作为哪一种，它们的功能都是多种多样的。例如，大多数昆虫的听觉感受器都是由刚毛构成的，然而这些刚毛不仅可以作为听觉器官，来感受低频率的声波和气流所产生的压力；还能作为触觉器官，来感受外界的机械刺激1。对于昆虫体表刚毛的仿生微纳传感器设计这一领域，国内外也有相关的研究。例如，通过模仿蟋蟀的听觉刚毛2，研制了多种压电式、压阻式和电容式的仿生刚毛传感器。在荷兰Twente大学，Gijs Krijnen等人通过对蟋蟀听觉刚毛的研究，发现其对声音的振动感知机理，应用微机电系统（MEMS）加工技术设计了一种电容式的仿生微声流量传感器阵列，并将其用于对声音的振动感知，结果表明：该仿生微声流量传感器阵列，它的量程为0.1-1.0m/s，20-100Hz，如图1所示2。美国伊利诺伊州立大学的Chang Liu等人深入研究了鱼类侧线器官的流量感知机理，并模仿它设计了仿生压阻式微流量传感器阵列，将它用于水中测试，试验结果表明：其灵敏度可达0.1 m/s，如图2所示3-4。近年来，在国内，中北大学的张文栋教授研究鱼类侧线器官，并模仿它的感知机理设计了相似的纤毛式仿生微机电系统水声传感器，提高了水声传感器的灵敏度5。图1仿蟋蟀听觉刚毛的阵列式仿生微声流量传感器阵列2图2仿鱼类侧线器官的纤毛式MEMS微流量传感器阵列31.2.2 基于蜘蛛机械感知机理的仿生传感技术研究现状由于环境的恶劣变化，蜘蛛不得不面对自然选择，经过长期的进化，蜘蛛体表进化出了敏锐的感觉器官。蜘蛛体表的机械感受器对机械信号十分敏感：对于织网型蜘蛛，当猎物在蛛网上挣扎时会产生振动，这种蜘蛛便通过蛛网收集到这些信号从而锁定猎物。而陆地游走型蜘蛛则是收集地表传递来的振动信号从而区分猎物和天敌，并将信号传给神经中枢，进而采取相应的措施。研究结果表明，蜘蛛体表的机械感受器主要有两种6-8：第一种是基于蜘蛛体表刚毛的流量触觉感知；第二种是基于蜘蛛缝感受器的力与振动感知。 基于蜘蛛体表刚毛的流量触觉感知及仿生传感研究在过去的30年中，经过大量研究，结果表明，直翅类昆虫，例如蝎子、蟋蟀、蜘蛛等，它们的体表刚毛可用来对流量和触碰进行感知1, 6-8。奥地利Vienna大学Barth等人的研究表明，蜘蛛腿部刚毛依据分布位置和功能的不同，可以分别对流量和触碰进行感知，如图3所示8-9。其中，感知流量的刚毛处于趾骨的远端，可等效地看作柱状直杆，其长度约为100m -2500m，直径约为为1m-10m；而感知触觉的刚毛主要处于蜘蛛腿部的趾节上，其长度较短，约为几微米至几十微米，刚毛末端的直径是中部的1/20，只有200nm10。此外，Barth等人对蜘蛛基于体表刚毛的流量感知和触碰感知机理进行了研究，并进行了理论的计算8。奥地利Vienna工业大学H.-E Dechant等人运用力学建模与仿真分析的方法，对蜘蛛基于触碰感知的刚毛进行了试验与仿真分析，结果表明：为引发神经冲动，这种刚毛所需要传递的最小机械能为4x10-21 w10-12。图3蜘蛛腿部刚毛结构及其流量触觉感知示意图8在仿生蜘蛛刚毛的传感器设计方面：美国Virginia大学J.A.C Humphrey等人也运用力学建模的方法，对蜘蛛基于流量感知的刚毛进行了分析，并应用微机械加工技术成功研制了2x2的阵列式仿生微流量计，如图4所示13。图4仿生蜘蛛刚毛流量感知的微流量计 基于蜘蛛缝感受器的振动感知机理研究日本Kyoto大学Takeshi Watanable研究了猎物引起蛛网振动后，振动信号在蜘蛛网上传递的原理14。近年来，也有研究表明蜘蛛能通过感知不同频率的振动来分辨振动的来源，这种来源可以是虫子挣扎时的动作频率，也可以是风吹动的频率，虫子挣扎的振动频率是几十到几百赫兹，而风引起的振动频率则只有几赫兹，另外，猎物发出的振动频率与蜘蛛天敌发出的扰动频率也是不同的，如图5所示6。图5蜘蛛网感知不同频率振动信号6蜘蛛体表的缝感受器大概有3300条，缝感受器的长度约为10m-100m，宽度约为1m-10m8，根据缝感受器排列组合方式的不同，可以分成三类：第一种是单缝感受器，它们在蜘蛛的体表随机分布；第二种是混合感受器，由多条单缝感受器无规则地排列而组成；第三种是琴形器，由2-30条左右的并行排列的缝感受器组成，由于形状像里拉琴而被译为琴形器，如图6所示15。图6蜘蛛的三种缝感受器的排列方式15德国Ulli Hoger等人对蜘蛛的琴形器进行了生理解剖试验研究，如图7所示16。从图中可以看出，构成琴形器的单个狭缝是裂缝状的凹槽，在它们的表面覆盖着薄膜的，每条狭缝下面都连接着双极神经元细胞发出的神经纤维。两个神经元紧挨着，细胞体的长轴长度超过100m，树突的长度可达270m，两神经元的树突长度也是不同的，长树突终止于表皮的外膜，短树突终止于内膜17。另外，电化学生理试验发现，蜘蛛的琴形器可以对不同方向的，或者说多维的振动激励做出反应。其中，蜘蛛对来自纵向的激励最为敏感，其位移阈值比横向、侧向激励低l0-20dB 18。奥地利Vienna工业大学B. Ho1等人运用力学建模与有限元仿真分析的方法，对蜘蛛琴形器感知外界力与振动产生的刺激信号的过程进行了分析15, 19-20，系统地研究了琴形器中狭缝的不同排列组合方式、条数、间距等参数对检测外界力与振动产生的刺激信号的影响，如图8所示19-20。美国的Michael E. McConney等人对蜘蛛角质层的粘弹性纳米特性进行研究，解释了蜘蛛震动感受器为何有高通过性21。奥地利和德国的Clemens F. Schaber等人用扫描白光干涉法分别对蜘蛛腿部的两种琴形器HS-8和HS-10在空载和逐渐加载的情况下进行了观察，得出了两种琴形器的变形量随逐渐加载的变化规律并作出关系曲线，同时将结果与电生理学数据和有限元分析数据进行对比虽然有所局限，但结果仍有较大的参考价值22。英国普利茅斯大学S.V. Adams等人对蜘蛛捕食定位感知神经模型进行了拓展，该模型有望应用到机器人感觉控制器上，模型的平均误差为角度7，距离 1cm23。国内浙江大学陈子辰教授和汪延成博士对狼蛛科的拟环纹豹蛛的缝感受器进行了扫描电镜观察，研究了蜘蛛的缝感受器和琴形器对机械振动的感知机理，并结合孔缝的应力集中效应，提出基于孔缝的新型微传感器件的设计新思路22。图7蜘蛛琴形器的生理解剖试验16图8蜘蛛琴形器检测外力的有限元仿真分析19-201.2.3 基于蝎子感知机理的仿生传感技术研究现状德国科学家J.L. van Hemmen引入活动神经元与抑制神经元的概念，对沙漠蝎子的猎物振源锁定技术进行了试验研究和理论分析，发现蝎子可以利用腿部类似于缝感受器的感觉器官来感知瑞利波传来的振动信号。当猎物引发振动时，与之对应的活动神经元被激活，从而激发与抑制神经元抑制相对的3只脚上的感受器，使它们感知振动信号；并通过计算瑞利波传递到各个活动神经元的时间差来对猎物进行精确定位，如图911所示25-26。DaeEun Kim对沙漠蝎子的捕食定位行为机理在神经系统层面进行了研究，他发现蝎子有两层循环排列的神经系统，在它们的映射范围内，可以计算出八个接受器的贡献率，揭示出沙漠蝎子的神经系统的捕食定位工作机理是并行执行机理。认为超级柱状层神经系统的活动有十分敏锐的调整曲线，从而保证了对振源方向的准确判断27。图9蝎子猎物定位机理25图10振动受体和感官反应26图11 Paruroctonus的振动刺激的定位精度图26 美国俄克拉荷马大学Elizabeth D. Knowlton和Douglas D. Gaffin利用一种新研究方法顶端记录法对蝎子栉器水溶性刺激的化学反应进行了测试，该方法可以迅速而高效地获得想要的试验数据，研究表明：该方法对深入研究蝎子及其他节肢动物门生物的感官生理学有很大的帮助，如图12所示28。图12栉器功能解剖图28德国乌尔姆大学的Harald Wolf对一种新的蝎子物种-Vaejovis spinigerus的感受器、神经分布以及中枢神经反射进行了研究，发现蝎子主要栉器神经的肾小球状结构对化学反应产生的信号的处理十分有利，如图13所示29。图13栉器的附属肢体29综上所述，国外学者对蜘蛛体表感受器进行了大量的研究，这其中包括电镜观察，力学分析，以及神经系统试验分析等方面的研究。但对于蝎子体表感受器的研究相对较少，尚处于起步阶段，对于蝎子体表感受器的研究仍然停留在探索研究阶段，体表感受器对气流、声波、化学成分等外界刺激的感知机理，还有待进一步深入研究。关于蝎子体表感受器的工程应用，国内外文献未见报道。同时，在查阅相关文献资料时，尚未发现国内关于蝎子体表感受器研究的相关报道。主要参阅文献1 孙久荣, 郭策, 戴振东. 几种刚毛的结构及其仿生学J.生物物理学报, 2007, 23(6): 428-4352 Krijen G J M, Dijkstra M, Baar J J van, Shankar S S, Kuipers W J, De Boer R J H, Altpeter D, Lammerink T S J, Wiegerink R. MEMS based hair flow-sensors as model system for acoustic perception studiesJ. Nanotechnology, 2006, 17(4): S84-S893 Nannan Chen, Craig Tucker, Jonathan M. Engel, Yingchen Yang, Saunvit Pandya, Chang Liu. Design and Characterization of Artificial Haircell Sensory for Flow Sensing with Ultrahigh Velocity and Angular SensitivityJ. 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Application of arachnid prey localization theory for a robot sensorimotor controllerJ. Neurocomputing, 2011, 74(17): 3335-334224 汪延成. 仿生蜘蛛振动感知的硅微加速度传感器研究D. 杭州: 浙江大学, 201025 Sturzl W, Kempter R, van Hemmen J L. Theory of Arachnid Prey LocalizationJ. Physical Review Letters, 2000, 84(24): 5668-567126 Philip H. Brownell, J. Leo van Hemmen. Vbration Sensitivity and a Computational Theory for Prey-Localizing Behavior in Sand ScorpionsJ. American Zoologist, 2001, 41(5): 1229-124027 Kim DaeEun. Neural network mechanism for the orientation behavior of sand scorpions towards preyJ. Ieee Transcation on Neural Nerworks, 2006, 17(4): 1070-107628 Knowlton Elizabeth D, Gaffin Douglas D. A new tip-recording method to test scorpion pecten chemoresponses to water-soluble stimulantsJ. Journal of Neuroscience Methods, 2010, 193(2): 264-27029 Wolf Harald. The pectine organs of the scorpion, Vaejovis spinigerus: Structure and (glomerular) central projectionsJ. Arthropod Structure and Development, 2008, 37(1): 67-802、项目的研究内容、研究目标，以及拟解决的关键科学问题（需重点阐述）2.1、研究内容、研究目标1）巴基斯坦黄鳄背感知微观结构（感觉毛、栉器和缝感受器）的表征及优化A.拍摄蝎子感觉毛、栉器和缝感受器微观结构特征，对体表感受器微米级结构形貌进行观察、描记和分析，确定缝感受器的不同排列方式、条数、间距等参数以及神经元胞体长轴、树突长度，测定特征尺寸，绘制结构简图，分析结构形态特点和分布规律，建立蝎子感觉毛、栉器和缝感受器等感知器官的表征模型。B.以蝎子感觉毛、栉器和缝感受器的表面形态和内部结构特征参数测试数据为基础，优化选择几种典型的具有敏感气流和声波感知的表面单元结构和分布规律，建立仿蝎子感觉毛、栉器和缝感受器感知结构的计算机三维实体模型，为仿蝎子感觉毛、栉器和缝感受器高灵敏度结构功能器件的制造提供结构参数参考数据。2）巴基斯坦黄鳄背振动感知试验及电生理化学反应试验A.对比蝎子多维振动激励的反应，测出其位移阈值。B.测试在不同频率的微小振动激励时外表皮变形情况，探究最大变形发生的部位、振动频率与产生电位之间的内在关系。3）蝎子感觉毛、栉器和缝感受器的感知机理以及与独特生物构造之间的映射关系A.观察神经元细胞的组成、尺寸、排列及连接方式，监测机械振动感知涉及的生理过程，分析神经元细胞的动作电位和静息电位的变化情况。B.从功能形态学、进化生物学、声子学等角度，研究蝎子感觉毛、栉器和缝感受器对流量触觉和振动的感知机理，探析高灵敏度气流、声波和振动感受与蝎子感觉毛、栉器和缝感受器独特生物构造之间的关系。C.提出仿蝎子感觉毛、栉器和缝感受器仿生结构功能器件的设计准则与设计方法4）仿生结构功能器件的按需制作方法在蝎子感觉毛、栉器和缝感受器感知试验的基础上，根据优选的具有高灵敏度感知性能的蝎子感觉毛、栉器和缝感受器的结构，参考计算机可视化数据，获得界面结构明确的微米、纳米构筑单元，通过对生物组织自生长行为的规律性认识，探索仿蝎子感觉毛、栉器和缝感受器的新一代高性能仿生结构功能器件的按需制作方法。2.2、拟解决的关键问题1）巴基斯坦黄鳄背体表感受器的“滤波”感知机理。探析沙漠蝎子体表感受器的感知机理是本研究工作的基础。本项目拟通过白光干涉与光学仪器相结合，超薄切片和电子显微镜观察相结合，机械刺激与电生理化学反应试验相结合的方法，揭示蝎子体表感受器的流量触觉以及振动感知机理。2）沙漠蝎子优异感知功能仿生再现仅有好的创新思路是远远不够的，还必须有相应的加工制造方法，否则就只能是“有想法，没办法”。本项目拟通过借鉴支架诱导成形原理，通过外加电场、磁场以及生物诱导等控制成形方法，研究三维立体加工与自组装结合的新一代仿生结构功能器件的跨尺度制造方法，仿生再现其独特功能。3、拟采取的研究方案及可行性分析（包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）3.1、研究方法及实验手段1） 巴基斯坦黄鳄背感知微观结构（感觉毛、栉器和缝感受器）的表征及优化A. 通过生物学解剖等手段，获得蝎子感觉毛、栉器和缝感受器生物样本，分别在体视显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)上观察蝎子样品感觉毛、栉器和缝感受器的微观结构特征，确定缝感受器的排列方式、条数、间距等参数以及神经元胞体长轴、树突长度，测定特征尺寸，绘制结构简图，分析结构形态特点和分布规律，建立蝎子感觉毛、栉器和缝感受器等感知器官的表征模型。B. 利用扫描和透射电镜图谱，以蝎子感觉毛、栉器和缝感受器的结构特征参数测试数据为基础，优化选择几种典型的具有敏感气流、声波及振动感知的感受器，采用Pro-E、UG等软件，建立仿蝎子感觉毛、栉器和缝感受器微结构的计算机三维实体模型，通过理论计算、力学建模、试验与数值模拟等方法对沙漠蝎子体表感受器结构进行优化。为仿蝎子感觉毛、栉器和缝感受器高灵敏度新一代仿生结构功能器件的制备提供结构参数的参考数据。2）巴基斯坦黄鳄背振动感知试验及电生理化学反应试验A. 采用高速摄像的方法观察蝎子的捕食过程。观察机械振动感知涉及的生理过程包括感觉神经元的电生理特性、机械感觉转导的位点、动作电位产生的起始位置、受体通道的性质等。B. 对蝎子进行生理解剖，通过电化学生理试验，对比蝎子多维（纵向、横向、侧向）振动激励的反应，测出振动信号频率和位移阈值。C. 测试在不同频率的微小振动激励时外表皮变形情况，探究最大变形发生的部位、振动频率与产生电位之间的内在关系。3）蝎子感觉毛、栉器和缝感受器的感知机理以及与独特生物构造之间的映射关系A. 采用白光干涉法，结合光学仪器的光波，定量检测蝎子的复杂微观力学特性。B. 运用电子显微镜结合超薄切片技术去观察神经元细胞的组成、尺寸、排列及连接方式，通过机械刺激与电生理化学反应试验，监测机械振动感知涉及的生理过程，来分析神经元细胞的动作电位和静息电位的变化情况。C. 引入活动神经元与抑制神经元，对猎物振源定位技术进行理论分析，分析蝎子感觉毛、栉器和缝感受器的感知试验数据，研究典型种类蝎子感觉毛、栉器和缝感受器对气流和声波感知的作用机理，探析高灵敏度气流和声波感受与蝎子感受器独特生物构造之间的关系，研究缝感受器的不同排列方式、条数、间距等参数对检测外力与振动信号的响应，提出仿蝎子感觉毛、栉器和缝感受器新一代仿生结构功能器件的设计准则和设计方法。4）新一代仿生结构功能器件按需制造方法A. 在蝎子感觉毛、栉器和缝感受器感知试验的基础上，根据优选的具有高灵敏度感知性能的蝎子感觉毛、栉器和缝感受器的结构，参考计算机可视化的数据，应用多目标优化设计，系统考虑结构、工艺和工作参数对结构功能器件性能的影响，探索仿蝎子感觉毛、栉器和缝感受器高灵敏度、高稳定性、抗干扰性强的新一代仿生结构功能器件的制造方法。B. 通过借鉴支架诱导成形原理、外加电场、磁场以及生物诱导等控制成形方法，研究三维立体加工与自组装结合的新一代仿生结构功能器件的跨尺度制造方法，仿生再现其独特功能。C. 自行搭建结构功能器件性能测试试验系统，对新一代仿生结构功能器件的工作性能进行测试，如灵敏度、线性度、横向干扰等，并对新一代仿生结构功能器件的噪声水平及分辨率进行测试分析。3.2、技术路线、关键技术说明总体研究方案的技术路线是仿生原型功能特性机理规律建模与数值仿真仿生设计原理仿生制备技术试验研究 拟采取的具体研究方案的技术路线如下图：好不好不好蝎子体表感受器的微观结构观察蝎子试验样品的洗涤与制备SEM样品制备（部位选取、固定、脱水、喷金）上镜观察获得不同倍数下的SEM实验数据生理解剖试验对蝎子的体表感受器进行解剖观察其神经结构及其与机体的连接机构方式电生理试验多维激励反应位移阀值获取信号的传递机制以及信号的转换机制信号频率信号强度分析以上实验获取的数据在实验数据的基础上对蝎子体表感受器的感知机理进行分析，做出合理的推断和假设采用三维建模软件建立感受器微结构计算机可视模型，合理简化结构，确立主要特征参数检验感知机理的推断和假设融合光刻、模板法等微纳加工方法制作新一代仿生感知装置原因分析应用测试4、本项目创新之处该项目的研究，与以往研究内容相比，侧重于巴基斯坦黄鳄背感知机理与感受器独特生物构造之间关系的仿生学研究，具有独特之处。将蝎子体表感受器的感知机理应用到精密测量、航空航天、地质勘探等领域，是对仿生学应用领域的进一步拓展。1）揭示沙漠蝎子体表感受器（感觉毛、栉器和缝感受器）的感知功能形成机理。2）基于沙漠蝎子的感知机理，建立结构要素与功能要素的关系模型、揭示仿生结构功能演变规律。3)在深入了解蝎子体表感受器的感知机理的基础上，尽最大努力实现其体表感受器的功能再现。5、年度研究计划及预期研究结果（包括拟参加的重要学术交流活动、国际合作与交流计划等）5.1本项目的年度研究计划本项目计划在一年内完成，研究工作的具体计划如下：（1）2014年5月-2014年8月：运用电子显微镜、SEM和TEM等对沙漠蝎子体表形态和内部结构进行观测，分析沙蝎体表感受器的分布规律、密度、尺寸和排列等主要参数的关系，以及与内部组织结构、细胞形态、孔隙结构、化学组分等主要参数的关系，并进行机理的分析和推测。（2）2014年9月-2010年12月：利用计算流体力学（CFD）相关软件ANSYS、FLUENT等进行相关的模拟试验与测试。提取关键参数，为蝎子感受器的仿生再现提供技术和理论支持。（3）2015年1月-2010年3月：在建立理论模型的基础上，选择合适的试验材料和试验加工条件，进行感知器件的设计、制作。并撰写发表相应的论文和专利。（4）2010年4月-2010年5月：整理材料，撰写项目研究工作总结报告。5.2本项目预期可以取得以下研究成果1）从深层机理上揭示分析蝎子体表机械式感受器的作用机制，能够为仿生再现提供理论和技术支撑，在国内外重要会议或期刊发表论文2篇。2）参加国内会议一次。三、研究基础与工作条件1、工作基础（与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩，在本学科高级别学术刊物上发表的学术论文列出论文的题目、全部作者、期刊名和起止页码）在前期的研究工作中，已经对沙漠蝎子声波、气流和化学等感受器的感知性能做了探索性研究。通过沙漠蝎子的研究发现，在漫长的进化历程中，蝎子凭借体表高度进化的感觉器官，极好的适应了环境的变化。由于经常在夜间出来活动，蝎子寻找食物靠的是缝感受器、栉器和它们腿上的感觉毛，这些感受器既可以产生触觉，也可以接受化学信息。蝎子凭借这些感受器可以区分是天敌还是猎物，这些感受器无论在灵敏度、稳定性，还是抗干扰性方面来说都是一种精妙绝伦的传感器。这一发现启发申请人要深入研究其感知机理，并将其用于精密测量、航空航天、地质勘探、安全救生等领域。申请人所在项目课题组，主持关于蝎子体表仿生研究的国家自然科学基金青年基金项目1项（No. 51205161），教育部博士点新教师基金项目1项（No. 20120061120051），已发表关于蝎子仿生研究的相关论文11篇，其中，SCI 6篇，EI 2篇，国际会议2篇，国内会议1篇。申请人所在项目课题组撰写的关于蝎子仿生研究的文章发表在Langmuir (IF=4.268) 国际杂志上，研究成果引起国际科技、工业、商业界广泛关注，国际上有重要影响的ACS News Service Weekly PressPac对该文进行了亮点评论，国家自然科学基金委员会以基金要闻的形式进行了报道，Scientific American、The Economist、Science Daily、EurekAlert和AirspaceMag等著名科技新闻杂志或科技网站对此也进行了长篇专题报道，并给予了高度评价。前期研究工作为本项目顺利进行奠定了良好的理论和技术基础。1）陈道兵，张俊秋，宋丽敏等. 蛛形纲生物缝感受器的研究进展EB/OL.北京：中国科技论文在线 2014-03-212）陈道兵，张俊秋，宋丽敏等. 典型节肢动物蛊毛高灵敏气体流量感知研究进展EB/OL.北京：中国科技论文在线 2014-03-073)Zhi-wu HAN,Jun-qiu ZHANG, Chao GE, Wen LI,Lu-quan REN. 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