仿生模擬
關(guān)注創(chuàng)建者：小怪獸 創(chuàng)建時(shí)間：2015-11-17
仿生模擬的實(shí)例教程
基于MATLAB仿生非光滑形態(tài)模擬
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王再宙1 王忠良1 張春香1 任露泉2
(11河北師范大學(xué)職技學(xué)院 河北石家莊050031; 21吉林大學(xué) 吉林長(zhǎng)春130025)
摘要: 仿生學(xué)研究發(fā)現(xiàn), 生物體表大都相當(dāng)明顯地體現(xiàn)著各種幾何非光滑形態(tài)。為了研究仿生非光滑表面形態(tài)對(duì)磨
損的影響以及非光滑表面形態(tài)自身的參數(shù)變化對(duì)耐磨性的影響, 本文對(duì)典型的仿生非光滑形態(tài)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬, 并設(shè)計(jì)
了優(yōu)化原則, 為制作具有非光滑形態(tài)試樣提供了數(shù)學(xué)模型。
關(guān)鍵詞: 非光滑; 表面形態(tài); 滑動(dòng)磨損; 耐磨性
中圖分類(lèi)號(hào): TH117 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A 文章編號(hào): 0254 - 0150 (2006) 8 - 068 - 4
基于MATLAB仿生非光滑形態(tài)模擬.pdf
展開(kāi) 基于此，該水凝膠從組成上和結(jié)構(gòu)上（SA納米纖維、PAM彈性網(wǎng)絡(luò)、NaCl）可模擬人體皮膚（膠原蛋白纖維、彈性纖維、無(wú)機(jī)鹽）。制備得到的水凝膠呈現(xiàn)出高透明度(99.6%)、高拉伸強(qiáng)度(0.75 MPa)、抗壓縮（汽車(chē)碾壓后立刻回彈）、高延展性(3120%)、高韌性（4.77 MJ m-3）、高應(yīng)變下依然保持高彈性等優(yōu)異性能。進(jìn)而應(yīng)用于離子傳感器，展現(xiàn)出高靈敏度、寬應(yīng)變響應(yīng)范圍(0.3%~1800%)、優(yōu)異的貼合性和穩(wěn)定性，并且可以在0.04V的低電壓下工作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人體從大幅度運(yùn)動(dòng)（四肢）到微小形變（發(fā)音、脈搏）等即時(shí)及穩(wěn)定檢測(cè)。該成果以題為“Supramolecular Nanofibrillar Hydrogels as Highly Stretchable, Elastic and Sensitive Ionic Sensors”發(fā)表在國(guó)際知名期刊Materials Horizons上。
圖文速遞
圖1仿生人體皮膚NaCl/SA/PAM離子水凝膠傳感器的設(shè)計(jì)與合成
(a) 離子水凝膠傳感器由SA超分子納米纖維網(wǎng)絡(luò)、PAM化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)機(jī)鹽離子組成，仿生模擬皮膚結(jié)構(gòu)；(b) 由于Na+的靜電屏蔽作用，SA分子自組裝形成基于多重氫鍵的超分子納米纖維；(c) SA超分子納米纖維雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備過(guò)程。
展開(kāi) “仿生腿”模擬動(dòng)物行走
運(yùn)用了三角結(jié)構(gòu)和黃金比例幾何學(xué)，讓仿生獸有勻速穩(wěn)固的直線(xiàn)軌跡
這個(gè)從小喜歡科學(xué)的老爺子，把科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)精神運(yùn)用十分到位。
在設(shè)計(jì)的每一步把控嚴(yán)謹(jǐn)，例如這“13個(gè)神圣數(shù)字”，動(dòng)物的每條線(xiàn)的長(zhǎng)度都是固定的，13條線(xiàn)對(duì)應(yīng)13個(gè)數(shù)字。
為了讓怪獸能在沙灘上行動(dòng)自如，老爺子花了不少心思，腿部的動(dòng)力是靠一個(gè)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)腿部行走，而且接觸沙地的面積也很小，阻力也相應(yīng)小了。
單腿還是不能穩(wěn)固的走動(dòng)，于是，組合了六條仿生腿。
個(gè)曲軸帶動(dòng)至少6個(gè)仿生腿順序組合，有效行走。
用啥材料？
有了這樣聰明的設(shè)計(jì)，老爺子的怪獸算是靠譜了。那么要用什么材質(zhì)呢？當(dāng)然是輕便的材料好啦~
老爺子最終采用了常見(jiàn)的PVC細(xì)管、木頭、膠條、塑料薄膜等輕便的材料組合到一起。容易找，成本低。
動(dòng)力是什么？
大腿設(shè)計(jì)完美了，怎么讓這個(gè)神獸動(dòng)起來(lái)？荷蘭最不缺的就是風(fēng)了，于是在怪 獸身上裝上風(fēng)帆，靠著風(fēng)力仿生獸們就可以勻速走動(dòng)了
這片沙灘由我守護(hù)！
把這些組合起來(lái)，我們就看到這有趣的畫(huà)面：一只吃海風(fēng)的怪獸踩著優(yōu)雅碎步巡視沙灘。
Jansen在巨獸基礎(chǔ)上不斷優(yōu)化，用塑料瓶設(shè)計(jì)一套風(fēng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)，即使在風(fēng)力弱的情況下，通過(guò)釋放塑料水瓶中的壓縮空氣，轉(zhuǎn)化為動(dòng)力后。就這樣神獸又可以踏碎步守護(hù)沙灘了。
當(dāng)吸入空氣時(shí)，就能保存為動(dòng)能；當(dāng)吸入水時(shí)，會(huì)推動(dòng)怪獸朝反方向走
Theo Jansen在TED演講時(shí)的演示
遇上暴風(fēng)雨也有辦法，怪獸有個(gè)“鼻子”，當(dāng)它感應(yīng)到大風(fēng)時(shí)就會(huì)啟動(dòng)錘子，這樣一點(diǎn)點(diǎn)錘釘子，錘到沙里面把自己固定。莫名其妙有點(diǎn)萌的感覺(jué)。
展開(kāi) 進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了基于此類(lèi)新型智能材料的氣驅(qū)動(dòng)仿生功能（如模擬花朵開(kāi)合）。
圖2. CCP400-1膜的掃描電鏡圖；CCPs膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn).
圖3. a）CCP400-1膜在蒸氣驅(qū)動(dòng)下發(fā)生可逆定向彎曲。b）彎曲行為的可逆循化性。c）模擬花朵開(kāi)合。
作者進(jìn)一步深入研究了CCPs膜的蒸氣驅(qū)動(dòng)機(jī)制，測(cè)試了CCPs膜的乙醇蒸氣吸脫附等溫曲線(xiàn)。在298 K、P/P0=1條件下，CCP400-1和CCP400-2的吸附量可達(dá)6.79 mmol/g和6.37 mmol/g，證明材料具有較高的蒸氣吸附能力（圖4）。X射線(xiàn)粉末衍射表明，對(duì)應(yīng)剛性聚合物鏈間距離的特征峰，在乙醇的吸脫附過(guò)程中發(fā)生可逆移動(dòng)。最終揭示了CCPs膜蒸氣響應(yīng)機(jī)制：剛性聚合物鏈之間的距離會(huì)隨著蒸氣的吸/脫附發(fā)生可逆變化，進(jìn)而導(dǎo)致CCPs的可逆形變。
圖4. a）CCPs膜的蒸氣驅(qū)動(dòng)機(jī)制。b）CCP400-1和CCP400-2的乙醇蒸氣吸脫附等溫曲線(xiàn)。
該研究成果以A Class of Rigid-Flexible Coupling Crystalline Crosslinked Polymers as Vapomechanical Actuators為題近日發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed., （2022, DOI: 10.1002/anie.202117390）上。
展開(kāi) 【成果簡(jiǎn)介】
近年來(lái)，仿生可控三維形變材料在組織工程與人工器官等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但傳統(tǒng)材料要么欠缺可控形變能力，要么刺激調(diào)控手段面臨安全性挑戰(zhàn)，由此極大限制了傳統(tǒng)生物材料醫(yī)學(xué)應(yīng)用。如何成功實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)生物材料的可控三維形變，及采用生物相容性手段調(diào)控形變，仍是材料生物學(xué)應(yīng)用面臨的一大難題。
為解決該挑戰(zhàn)，杜學(xué)敏研究團(tuán)隊(duì)基于前期在材料可控形變?cè)O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)（Advanced Materials, 2017, 29, 1702231；Advanced Materials Technologies, 2017, 2, 1700120；Advanced Functional Materials, 2018, 28, 1801027），創(chuàng)新性地仿生自然中觸之形變植物的構(gòu)造原理，通過(guò)表面定向排列微陣列結(jié)構(gòu)與自上而下的梯度交聯(lián)設(shè)計(jì)結(jié)合，成功實(shí)現(xiàn)鈣離子交聯(lián)的海藻酸鈉水凝膠可控三維形變。將所得螺旋形水凝膠置于0.1 M NaCl溶液中，發(fā)現(xiàn)三維螺旋形會(huì)逐漸變形為二維平面結(jié)構(gòu)，最終結(jié)構(gòu)進(jìn)一步反轉(zhuǎn)形成微通道朝外的反向三維螺旋結(jié)構(gòu)。當(dāng)反轉(zhuǎn)形變后的三維螺旋結(jié)構(gòu)重新浸泡在0.1 M CaCl2溶液中時(shí)，樣品會(huì)恢復(fù)到微通道朝內(nèi)的初始三維螺旋結(jié)構(gòu)。非常有意思的是，將三維形變水凝膠置于NaCl與CaCl2的混合溶液中，通過(guò)調(diào)節(jié)溶液中Na+/Ca2+濃度比例，還可成功“凍結(jié)”海藻酸鈉水凝膠三維動(dòng)態(tài)形變過(guò)程中的瞬態(tài)形狀。而且，通過(guò)耦合多種不同取向微陣列結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，及自然界中各種復(fù)雜花的三維形狀，還成功模擬了仿生花在離子溶液中動(dòng)態(tài)綻放與閉合。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1.
展開(kāi) 
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01
蠕蟲(chóng)機(jī)器人的仿生學(xué)原理
報(bào)道稱(chēng)，Sensiworm仿生機(jī)器人自帶內(nèi)置電源和機(jī)載系統(tǒng)，通過(guò)仿生學(xué)原理可模擬尺蠖的蠕動(dòng)姿態(tài)
進(jìn)一步開(kāi)發(fā)了基于此類(lèi)新型智能材料的氣驅(qū)動(dòng)仿生功能（如模擬花朵開(kāi)合）。
圖2. CCP400-1膜的掃描電鏡圖；CCPs膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn).
圖3. a）CCP400-1膜在蒸氣驅(qū)動(dòng)下發(fā)生可逆定向彎曲。b）彎曲行為的可逆循化性。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以簡(jiǎn)單理解為通過(guò)「仿生學(xué)」模擬人類(lèi)大腦皮層的神經(jīng)元「溝通學(xué)習(xí)」的方式進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)「類(lèi)人」的學(xué)習(xí)東西的方式。然而，概念很美好，現(xiàn)實(shí)很殘酷。
1943 年 Warren McCulloch 和 Walter Pitts 曾寫(xiě)過(guò)論文講述人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)該如何工作，并且利用電路造了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型。
美國(guó)陸軍正在加大力度研究蜂群式UAV系統(tǒng)，該蜂群系統(tǒng)具備快速、準(zhǔn)確執(zhí)行偵察和戰(zhàn)斗任務(wù)的能力，借鑒蜜蜂采蜜的仿生學(xué)機(jī)理來(lái)模擬蜂群式無(wú)人系統(tǒng)的自主決策，此技術(shù)目前國(guó)際上處于探索階段。
美軍海軍研究部提出自主式智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)計(jì)劃，構(gòu)建自組織性無(wú)人集群系統(tǒng)。該系統(tǒng)是自主控制大量無(wú)人系統(tǒng)組成的部隊(duì)，實(shí)現(xiàn)水中、地上、空中作戰(zhàn)，形成跨域協(xié)作的牢不可破的互聯(lián)網(wǎng)作戰(zhàn)體系[9]。
美國(guó)陸軍正在加大力度研究蜂群式UAV系統(tǒng)，該蜂群系統(tǒng)具備快速、準(zhǔn)確執(zhí)行偵察和戰(zhàn)斗任務(wù)的能力，借鑒蜜蜂采蜜的仿生學(xué)機(jī)理來(lái)模擬蜂群式無(wú)人系統(tǒng)的自主決策，此技術(shù)目前國(guó)際上處于探索階段。
美軍海軍研究部提出自主式智能網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)計(jì)劃，構(gòu)建自組織性無(wú)人集群系統(tǒng)。該系統(tǒng)是自主控制大量無(wú)人系統(tǒng)組成的部隊(duì)，實(shí)現(xiàn)水中、地上、空中作戰(zhàn)，形成跨域協(xié)作的牢不可破的互聯(lián)網(wǎng)作戰(zhàn)體系[9]。
使用這些智能驅(qū)動(dòng)材料可以較好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)柔性運(yùn)動(dòng)，有效達(dá)成水下仿生機(jī)器人模擬水生生物運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。
通過(guò)模仿水生生物的運(yùn)動(dòng)方式，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了各種水下仿生機(jī)器人，下文將對(duì)這些機(jī)器人進(jìn)行具體介紹。
而且，通過(guò)耦合多種不同取向微陣列結(jié)構(gòu)，成功實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)，及自然界中各種復(fù)雜花的三維形狀，還成功模擬了仿生花在離子溶液中動(dòng)態(tài)綻放與閉合。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1.
圖文速遞
圖1仿生人體皮膚NaCl/SA/PAM離子水凝膠傳感器的設(shè)計(jì)與合成
(a) 離子水凝膠傳感器由SA超分子納米纖維網(wǎng)絡(luò)、PAM化學(xué)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和無(wú)機(jī)鹽離子組成，仿生模擬皮膚結(jié)構(gòu)；(b) 由于Na+的靜電屏蔽作用，SA分子自組裝形成基于多重氫鍵的超分子納米纖維；(c) SA超分子納米纖維雙網(wǎng)絡(luò)水凝膠的制備過(guò)程。
三元復(fù)合材料的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程
該研究的意義在于，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)預(yù)測(cè)仿生材料機(jī)械性能，從而指導(dǎo)仿生材料結(jié)構(gòu)組成的設(shè)計(jì)及優(yōu)化，大量節(jié)約了時(shí)間及實(shí)驗(yàn)成本。根據(jù)模擬結(jié)果，通過(guò)仿生自組裝的方式制備了具有優(yōu)異機(jī)械性能的復(fù)合材料。隨后，進(jìn)一步通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬輔助計(jì)算，利用復(fù)合膜中組成成分梯度分布的特性，制備出可程序化設(shè)計(jì)的具有水驅(qū)動(dòng)響應(yīng)性的仿生器件。
“仿生腿”模擬動(dòng)物行走
運(yùn)用了三角結(jié)構(gòu)和黃金比例幾何學(xué)，讓仿生獸有勻速穩(wěn)固的直線(xiàn)軌跡
這個(gè)從小喜歡科學(xué)的老爺子，把科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)精神運(yùn)用十分到位。
在設(shè)計(jì)的每一步把控嚴(yán)謹(jǐn)，例如這“13個(gè)神圣數(shù)字”，動(dòng)物的每條線(xiàn)的長(zhǎng)度都是固定的，13條線(xiàn)對(duì)應(yīng)13個(gè)數(shù)字。
