固体与刚毛结构间的生物电/摩擦电耦合黏附机制及仿生基础

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51435008
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    350.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0505.机械摩擦学与表面技术
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2014
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2015-01-01 至2019-12-31

项目摘要

The roles and behaviors of mechanical interaction between two solids are the fundament of modern mechanical engineering. The interactions in normal and tangential direction are generally repulsive and friction forces, but in many cases, attractive force is needed between two surfaces. Inspired by the moving ability of animals, such as geckos and flies, whose animal can move on various inclined surfaces, human would like to develop controllable adhesive technology to meet the requirement from engineering. The study would greatly extend the area of contact mechanics and set up bases for innovating new technology. The applicant combines the strong research groups in China and abroad and proposes an idea “adhesive mechanism coupling bioelectricity with tribo-electrification between solid and hairy-array”. The target of the project is to reveal the adhesive mechanism by coupling bioelectricity and tribo-electrification from animals (such as gecko) with hairy pads, to set up principles for bionic design on dry adhesive, to develop new functional device and manufacture technology. We are going to develop a new equipment which can measure the bioelectricity of flexor and extensor muscles on toe of gecko, the tribo-electrification between seta of gecko and substrate and the adhesive force simultaneously; to study the relations among the micro-structure of seta, adhesive forces, molecular structure and the tribo-electricity; to study the influence of circumstance, normal force and relative speed on the tribo-electricity and adhesive forces; to set up controlling relationship of adhesive pads; to develop fabrication technique of nano-adhesive array for the materials with high tribo-electrcity performance. The project will establish innovation abilities in the area and support the development of new technology for astronautics in orbit service
固体的表面/界面力学行为是现代机械工程的重要基础。通常固体界面传递法向排斥力和摩擦力,但很多场合需要能传递吸引力。受壁虎等动物在各种表面黏附运动的启示,实现固体间可调控的黏附接触,将拓展接触力学研究领域、为新技术发展奠定基础。申报人经多年研究思考,联合国内外优势团队,提出刚毛干黏附的生物电和摩擦电耦合协调机制的假说。课题目标:揭示壁虎等动物的黏附力生物电/摩擦电耦合协调机制,建立干黏附仿生设计新原理,发展干黏附功能材料器件的制备和应用技术。研究内容:研制同步测定壁虎脚趾屈肌和伸肌生物电、刚毛黏附摩擦电和黏附力的新仪器。确定动物黏附刚毛的结构与黏附力,及材料分子结构和摩擦致电的强度和正负的关系。研究环境、摩擦速度和力与摩擦致电强度及黏附力的关系,建立黏附接触的耦合调控基础。研究高摩擦电效应材料的纳米刚毛阵列制造技术。课题研究将奠定我国在该领域的自主创新能力,为航天在轨服务等奠定原理和技术基础

结项摘要

本项目旨在研究固体与刚毛结构间的生物电和摩擦电耦合黏附机制及仿生基础,开展了以下6方面的研究。(1)研制集成法拉第筒方法和电容法的接触/摩擦致电量和动物黏附力测试功能的实验装置,实现壁虎运动过程中接触作用力、接触面积和接触电荷的同步测量。(2)用上述装置实验测定动物黏附结构参数及黏附力的值与摩擦致电量间的关系,评估运动过程中接触电荷导致的静电力,得到壁虎脚掌层面上静电力和壁虎压舌板层面上的静电力对黏附的贡献。(3)测定壁虎黏/脱附过程生物电的变化规律,揭示生物电即屈肌-伸肌的拮抗肌电对黏/脱附的影响,发现生物电和摩擦电的协调耦合关系。通过研制的无线肌电信号采集系统来研究壁虎爬坡运动过程中特征信号之间的关联特性;并开展壁虎中脑细胞的免疫组织化学研究来探索黏附爬行时四肢协同的神经调控机制。(4)计算研究了材料分子结构与摩擦电的关系及摩擦参数的影响规律。研究壁虎刚毛与固体表面接触起电性能及电荷转移机制;研究了碳基仿生黏附材料与金属表面接触起电微观机理;探索金属表面间及聚合物与金属表面间的接触起电机理并分析致电性能与材料结构的关系;研究载荷和接触频率等因素对接触起电的影响;建立固体表面接触分离带电量模型,并进行实验验证。(5)探索仿生刚毛阵列的制备和修饰技术,获得基于新机制的干黏附刚毛结构及其制造技术。实现了仿生刚毛阵列的可控制备,并量化了制备工艺参数对其结构与黏附性能的影响;设计不同的碳纳米管等离子体接枝修饰技术及黏附性能测试;研究接触/摩擦电效应和外加电场下的黏附材料黏附性能,验证并量化了黏附过程中的接触/摩擦电效应。(6)研究基于生物电-摩擦电耦合调控的黏附功能部件的控制策略。提出了双向气压驱动的软体空腔结构及黏附装置的设计方案,通过建立结构模型及相应的力学仿真分析来研究结构参数与仿生结构力学响应特征间的关系,并进行优化和性能验证。进一步开展了航天黏附捕获及动力学相关研究。

项目成果

期刊论文数量(37)
专著数量(1)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(4)
专利数量(15)
Adhesion Property of Vertically Aligned Carbon Nanotubes Under High Temperature
垂直排列碳纳米管的高温粘附性能
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Transactions of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Guo Feiqian;Li Yang;Meng Guiyun;Sun Chengxiang;Dai Zhendong
  • 通讯作者:
    Dai Zhendong
仿壁虎机器人足端三维力采集系统研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2016
  • 期刊:
    科学技术与工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨斌;俞志伟;杨新海;谢家兴;戴振东
  • 通讯作者:
    戴振东
The Marking Technology in Motion Capture for the Complex Locomotor Behavior of Flexible Small Animals (Gekko gecko)
柔性小动物(壁虎)复杂运动行为的动作捕捉标记技术
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Asian Herpetological Research
  • 影响因子:
    1.4
  • 作者:
    Zhouyi Wang;Weijia Zong;Bingcheng Wang;Junjie Zhu;Kai Qin;Zhendong Dai
  • 通讯作者:
    Zhendong Dai
Biomechanics of gecko locomotion: the patterns of reaction forces on inverted, vertical and horizontal substrates
壁虎运动的生物力学:倒置、垂直和水平基底上的反作用力模式
  • DOI:
    10.1088/1748-3190/10/1/016019
  • 发表时间:
    2015-02-01
  • 期刊:
    BIOINSPIRATION & BIOMIMETICS
  • 影响因子:
    3.4
  • 作者:
    Wang, Zhouyi;Dai, Zhendong;Dai, Liming
  • 通讯作者:
    Dai, Liming
Bio-Inspired Adhesive Footpad for Legged Robot Climbing under Reduced Gravity: Multiple Toes Facilitate Stable Attachment
用于腿式机器人在低重力下攀爬的仿生粘合脚垫:多个脚趾有利于稳定附着
  • DOI:
    10.3390/app8010114
  • 发表时间:
    2018-01
  • 期刊:
    Applied Sciences
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Wang Zhouyuan;Wang Zhouyi;Dai Zhendong;Stanislav N. Gorb
  • 通讯作者:
    Stanislav N. Gorb

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其他文献

壁虎在垂直的不同材料表面的运动与附着行为研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    中国机械工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吉爱红;顾伟;汪中原;倪勇;王周义;戴振东
  • 通讯作者:
    戴振东
2-维应变式力传感器的优化设计
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    传感技术学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    王金童;戴振东;吉爱红;文智平
  • 通讯作者:
    文智平
仿生四足机器人嵌入式控制系统设计与实验分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    科学技术与工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李锦方;王鹏;俞志伟;戴振东
  • 通讯作者:
    戴振东
东方龙虱(雄性)抱握足形态学及吸附特性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    复合材料学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    杨志贤;戴振东;王卫英
  • 通讯作者:
    王卫英
自动铺放过程双马树脂预浸料温度与黏度
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    复合材料学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄志军;王显峰;戴振东;肖军
  • 通讯作者:
    肖军

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戴振东的其他基金

空间站仿生黏附/攀爬系统可靠交互与运动控制关键技术
  • 批准号:
    62233008
  • 批准年份:
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  • 资助金额:
    282 万元
  • 项目类别:
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近空间飞行器轻质防热结构的仿生设计与制造
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  • 批准年份:
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  • 资助金额:
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    重大研究计划
类壁虎仿生机器人的关键基础研究
  • 批准号:
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  • 批准年份:
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  • 资助金额:
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    重点项目
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    重大研究计划

相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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