基于沙漠蝎子振动感知机理的仿生超微传感构件的研究

Scorpion receptor was selected as the research object. Bionic sensor technology was researched. The thorough research of scorpion chemical, flow, sound waves perception mechanism through the method of the combination of white light interference and optical instruments, and the combination of ultra-thin slices and electron microscope, and the combination of mechanical stimuli and electrophysiology chemical reaction experiment. The design principle and design method of new bionic ultrafine sensing elements were presented. And bionic ultrafine sensing elements were prepared. This study aimed to through the bionics ways to solve the problem of poor anti-interference ability, low sensitivity, narrow frequency range, poor stability of conventional sensors. Contents of four parts: a typical scorpion perception microstructure (trichobothrium and Pectine) the characteristic parameters of testing and analysis, the structure optimization and visualization of copy scorpion's perception microstructure (trichobothrium and Pectine), Perception mechanism analysis of scorpion trichobothrium and Pectine, sample preparation and performance evaluation of bionic ultrafine sensing elements based on the micro structure of scorpion trichobothrium and Pectine. Plans to solve three key scientific problems: the perception mechanism of the Hottentotta Biruls surface receptors, Internal relationships between the perception mechanism and microstructure trichobothrium and Pectine of the Hottentotta Birula, structural optimization of the Hottentotta Biruls body surface receptors (trichobothrium and Pectine).

以蝎子感受器官为对象进行仿生传感技术研究，采用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，揭示蝎子感受器对化学成分、气流和声波的感知机理，提出仿生超微传感构件的设计原则和设计方法，制备仿蝎子感受器官的仿生超微传感构件，为解决传统振动测试仪器抗干扰能力差、灵敏度低、频率范围狭窄、稳定性差等问题提供仿生学新方法。研究内容包括：巴基斯坦沙漠蝎子（Hottentotta Birula）感知微观结构（刚毛和栉器）特征参数测试及分析；仿蝎子感知微观结构的结构优化与可视化；蝎子刚毛和栉器的感知机理分析；基于蝎子刚毛和栉器微观结构的仿生超微传感构件样品制备与性能评价。拟解决三项关键科学问题：巴基斯坦沙漠蝎子体表感受器的感知机理；巴基斯坦沙漠蝎子体表感受器的感知机理与刚毛和栉器微结构之间的内在关系；巴基斯坦沙漠蝎子体表感受器的结构优化。

现代科学技术的发展对测试与控制装置提出了新的挑战。提高测试装置的测量精度、灵敏度、抗干扰性、可靠性等性能，成为国际学术界和工程领域的前沿和热点问题，研制出满足工业、国防、航空航天、医学、生物等领域应用的新型测试装置十分迫切。.以活体蝎子体表三种感受器为研究对象，从机械工程学、动物行为学、功能形态学、感知的解剖基础、生物化学等角度，进行了仿生传感技术研究。采用了紫外光源与高速摄像相结合，超薄切片和显微镜观察相结合，数字图像处理与流量感知试验相结合，机械刺激、化学物质刺激与电生理试验相结合，掩膜印刷与光刻、化学沉积、刻蚀相结合等方法，对蝎子感知微观结构特征参数进行了测试及分析，深入探究了蝎子缝感受器对振动信号的感知机理，提出了基于蝎子缝感受器振动感知机理的仿生超微传感构件的设计原理，制造了仿生超微传感构件，对其性能进行了评价；并对蝎子蛊（刚）毛流量的感知机理、栉器对化学气味的感知行为进行了探索性研究。.对沙漠蝎和雨林蝎缝感受器进行了形态学表征，缝的长度为150-300μm，宽度为2-10μm，深度约为40μm，其受激励后缝感受器发生拉伸或挤压变形，该感受器能探测到振幅在10nm以下的振动。研发了缝感受器微振动感知测试系统，获得蝎子受恒定强度微振动刺激时所生成的生物电信号幅频特性曲线。发现在微振动刺激时，蝎子利用缝感受器所产生的集中应力放大微弱振动信号，从而通过微米尺度结构来感知纳米级振幅的振动；蝎子缝感受器在感知特定频段的振动时，通过共振效应使得缝感受器的集中应力高于其他频段。采用掩膜印刷的方法制造了仿生超微传感构件。通过测量其变形前后电阻的变化，实现对形变/力矩的表征。经测定，制造的仿生传感构件灵敏系数为2800左右，单个制造成本低于0.5元。在此基础上，发现蝎子蛊毛为高纵深比结构，基部为弹性组织，运动状态为刚性摆动，且运动状态与不倒翁运动状态相似，提出了类不倒翁理论，基于此设计了弹性模量、重心、磁三种偏心式超灵敏仿生微流量传感器。设计了涂蜡等距扩散感知试验，验证了蝎子栉器具有化学感知功能。采用扫描电镜和微CT技术相结合等方法表征了蝎子栉器的微观结构。研究结果对于深入探索蝎子或其他蛛形纲生物体表感受器的感知机理及其在精密测量、环境保护、航空航天、地质勘探、安全救生等领域的应用，具有重要的科学探索价值和广阔工程应用前景。