食蜜昆虫口器仿生微结构及附器协同控制机理研究

In recent years, the feeding mechanism of animals is increasingly attracting the attention of scholars. The research has promoted the theoretical evolution of bionic structures/mechanisms and improved the design of bionic structures/mechanisms. Generally, the insect mouthparts are miniature, and the movement of appendages is very difficult to observe, so there is little systematic research on insect’s feeding, especially the synergistic control mechanism of the micro-appendages. Some Hymenoptera have highly-evolved mouthparts that can reconfigure the microstructure to transport the high-viscosity nectar. Nearly 10000 glossal hairs are tightly coordinated to deploy in several microseconds, and the synergy mechanism may provide a variety of possibilities to design microstructures that have high motion accuracy and high reliability. However, the mechanism of fluid transport and synergy of glossal hairs remain unexplored. In this project, we will focus on mouthparts of honeybees. By microscopic imaging and high-speed imaging techniques, we can observe the special microstructures of the insects’ mouthparts and record the drinking processes. The fluid transport models of two insects can be built according to the anatomical structures. Combined with the postmortem examination, the synergistic control mechanism of bionic microstructure can be proposed. We will also design the prototype for verification. This research will enrich and improve the mechanism of the nectar feeding by insect and has important theoretical significance and engineering practical value for the control theory of microstructures.

近年来，动物的饮水机制引起了科学家们的广泛关注，相关研究进一步促进了仿生结构/机构的理论演进，提升了仿生结构/机构的设计水平。由于昆虫口器普遍较小、饮水速率较快且难于观测，因此关于昆虫饮水机制，特别是微结构协同控制机制的研究鲜有系统性研究。在花蜜转运的过程中，蜜蜂可以在几毫秒内实现近10000条刚毛的精确协同控制，从而实现粘质花蜜的高速稳定转运。蜜蜂口器微结构的协同对于简化微结构、提高微结构运动精度和可靠性具备指导性意义。但目前的研究仅局限于运动特性的观测，对于蜜蜂口器流体输运的精确建模以及微结构的协同机理尚未有明确报道。本课题选取蜜蜂口器作为仿生对象，借助显微成像与高速摄像技术，观察食蜜昆虫的口器微观结构和宏观运动规律。根据解剖结构分别给出流体输运模型并比较饮蜜规律差异。结合显微成像技术，提出仿生微结构的协同控制机理，并设计样机进行验证。这项研究将丰富和完善微变体结构设计理论方法。

“十三五”以来，我国航天技术取得了跨越式发展，载人航天迈入新阶段，开启空间站建造序幕。航天员“常驻”太空会因微重力、高辐射、密闭环境、节律变化等因素导致视力模糊、骨骼密度下降、肌肉萎缩。因此，有必要发展航天医学检测技术，实时、动态地分析评估航天员健康状态。体液生化指标检测具有试剂消耗低、分析快速、操作简便等优点，是空间环境航天医学检测的理想选择。但是，目前市场上的微流体转运机构难以完成高浓度（>10-2 kg/(m·s)）和低流量（<2.5 μL/s）液体的运输，而这个浓度-流量范围恰好包含检测分析所需的大部分体液，严重制约了检测效率的提高与检测成本的控制。仿生学表明，研究自然界中具有特异性的生物功能器官可以给人类制造和更新高性能机构带来灵感和启发。蜜蜂中唇舌能够跨粘度尺度高效转运微流体，因此，本课题针对蜜蜂高度特化的中唇舌展开研究，研发适用跨粘度尺度液体的仿生微流体转运机构。.本课题首先针对蜜蜂中唇舌的结构-材料特性和在饮蜜过程中表现出的力学行为、运动学特性展开研究。研究发现蜜蜂中唇舌为表面覆盖浓密刚毛的可折展褶皱结构。该褶皱结构由多个节段单元首尾连接构成，每个节段单元包含一段节间膜和一个刚毛基部融合而成的环状结构。拉伸节间膜，会使环状结构在两侧节间膜作用下发生翻转变形，导致刚毛直立，从而构成中唇舌粘性微流体转运的结构基础。随后对其材料特性进行研究，发现节段单元存在明显的刚度差异，其中节间膜为富含节肢弹性蛋白的柔性材料，而刚毛及其基部的环状结构为高度硬化的角质层材料。本研究通过构建理论模型、开展数值模拟，提出了综合结构-材料参数的蜜蜂中唇舌流体转运模型，揭示了上述结构-材料特性对蜜蜂中唇舌饮蜜时结构的柔顺性和稳定性影响。.根据上述研究和分析结果，本课题研制出一种仿蜜蜂中唇舌的柔性变体结构，并利用不同浓/粘度液体对其进行流体转运性能测试，结果表面该结构具有良好的通用性，可以实现不同粘度液体的转运。此外，结合尺度分析，可根据流体转运需求定制结构参数以实现跨尺度流体转运。最后，基于该仿生结构，提出了多功能仿生微流体转运机构设计思路与方案，有望满足航天医学检测中多粘度体液采集，转运的需求，以及航天装备中粘性液体的转运需求。