基于鸮体表特性的仿生主动吸能减振结构作用机理与调控机制研究

机械振动和噪声是影响精密智能装备、飞行器、舰船及各种制导武器的自身安全性与稳定性的主要因素，各种生活、工业噪声严重影响着人们的身心健康，降低振动和噪声的破坏性已成为一个世界性的课题。传统的抑制振动源或被动吸能减振方法存在能耗增加、吸振频域较窄等局限性。鸮类体表优良的消音特性为减振降噪技术方法创新带来启示。本课题深入研究鸮体表声振感知与主动调控机理，建立鸮体表自适应吸能降噪特征模型及仿生主动吸能结构模型，研究纳米管簇形变能耗转换机理，设计仿生类绒毛状吸能表面层，采用硅基对置压电薄膜结构设计主动变厚度薄空腔频域控制层，制备包含硅基微纳控制系统的可实现宽频主动吸能的仿生功能结构样件。本研究为融合了生物、仿生、材料、声学与控制的交叉科学，研究成果将发明一种新型的减振吸能结构，可广泛应用于智能装备减振降噪设计、精密机械稳定性设计及潜艇隐身设计等领域，为突破振动控制研究瓶颈问题提供新方法。

各种生活、工业噪声严重影响着人们的身心健康，传统的抑制振动源或被动吸能减振方法存在能耗增加、吸振频域较窄等局限性。鸮类体表优良的消音特性为减振降噪技术方法创新带来启示。本项目主要从鸮体表主动吸能减振特征观察与建模、仿生微纳多层吸能减振结构建模与功能机理分析、仿生微纳吸能减振功能结构样件制备与试验验证、仿生微纳功能结构在爬壁机器人本体上的应用四个方面展开。通过将雕鸮体表羽毛的形貌和微观结构与苍鹰、野鸡、野鸭等鸟类进行对比研究，我们认为，雕鸮的覆羽前沿具有梳齿结构，且具有多绒毛表面，绒毛存在多级分叉结构，此外雕鸮体表皮肤上有大量毛孔与皮肤下方空腔组成共振吸声结构，所有这些特点赋予了鸮类独特的“隐声”能力；观察发现，鸮体表皮肤上有大量毛孔，在皮肤下方存在空腔，这些毛孔与空腔组成了共振吸声结构，且毛孔和空腔均在微米尺度，非常类似于微穿孔板共振吸声结构，基于此特征，采用了一种搜索能力强、收敛速度快的自适应小生境遗传算法（Adaptive Niche Genetic Algorithm），即在标准遗传算法中引入自适应小生境技术，对单层和双层微穿孔板吸声体的结构参数进行优化设计，得到最优参数组合，使其在选定频率范围内平均吸声系数最高，从而优化出仿生宽频带吸能减振模型及多层穿孔板和多孔介质材料等价模型，分析了纳米管簇形变能耗转换机理；采用MEMS技术和静电纺丝技术，制备出微米级微穿孔板结构、硅基MPP复合降噪结构，压合成型制造了宽频主动吸能结构，并通过实验优化出较优微纳结构特征参数；在本项目研究中一大特色是紧密结合研究单位的机器人研究优势，在现有的多种仿生机器人设计和制造过程中融入仿生减振元素，研制出仿生减振关节套、仿生减振爬壁车连接器等部件，有力的验证了仿生微纳吸能减振结构的效果，实验结果证明仿生吸能减振结构具有明显的缓冲减振效果，对延长和保护机器人关键连接件具有重要作用，并根据实验结果进一步改进优化了功能结构本身，为下一步研制仿生微纳降噪膜片奠定基础。