蜻蜓翅膀的宏微观结构及其功能分析

本项目主要观察和研究蜻蜓翅膀的宏微观结构，系统分析蜻蜓翅膀的宏微观结构及其机械性能。首先，利用光学显微镜观察蜻蜓翅膀的翅脉排列规律，分析具有褶皱状和三维网状结构的特征，探索蜻蜓翅膀独特的宏观结构，揭示宏观结构与功能之间的关系；其次，利用场发射扫描电镜，系统地观察蜻蜓翅脉表面、横截面和纵截面的微观结构，分析微观结构与翅脉机械性能之间的关系；再者，探索蜻蜓翅膀的防颤振机理，澄清蜻蜓翅脉上独特的中空结构（包括：中空的尖锐纤突、中空的纵脉和横脉以及中空的翅痣）在调控颤振中的作用，研究这些中空结构内部的致密化区域对翅膀的质量分布和刚度分布的影响，分析中空结构内组织液状态（包括全充满状态、半充满状态、全空状态）和组织液流动对翅膀动力学性能的影响。这项研究，将为理解蜻蜓卓越的飞行能力提供启示，为蜻蜓翅膀的仿生力学提供参考。

本项目通过实验观察、理论分析和力学测试相结合，系统地研究蜻蜓翅膀的宏微观结构特征及其功能。本研究的主要成果：1. 利用场发射扫描电镜对蜻蜓翅膀的横纵截面、纤突、翅膜表面和翅痣进行了实验观察。研究结果表明：蜻蜓翅膀是一个多层次、多尺度和多功能的蜻蜓翅脉微纳米结构。蜻蜓翅膀采用了光滑过渡模式和整体封装模式的组装模式。2、根据蜻蜓翅膀形状特征，建立了一组褶皱振幅渐变的翼型。采用数值模拟计算得到翼型的升力系数与阻力系数。计算结果表明，在蜻蜓飞行的雷诺数条件下（500-12000），褶皱翼型可以获得较为理想的升阻比和定常流场。3、我们将蜻蜓翅膀的血液循环与其微纳米结构相结合，借助翅脉、翅痣、纤突的中空构造，通过启动或者中止血液循环，蜻蜓巧妙地调控了翅膀的动力学性质，从而使其质量可轻可重，转动惯量可大可小，固有频率可高可低。正是多重优化调控机制，造就了蜻蜓卓越的飞行能力和动力学控制能力。从生物学和力学结合的角度出发，研究蜻蜓翅脉内部的血液循环与翅膀振动力学性质的关系。这些结果，为理解翅膀的功能和仿生制造提供了启示。4、在血液对翅膀的动力影响基础上，通过设计仿生实验，研究翅膀的拍动对翅脉中的血液流动的影响。证实了翅膀的拍动可以为翅脉中的血液循环提供动力，观察到了毛细管内部的Plateau-Rayleigh不稳定性现象，并揭示了一种简单方便的测量毛细管内部初始液膜厚度的方法。5、考虑翅膀内部血液的循环流动，并与翅膀的扑翼运动和褶皱机构相结合，提出了一种控制翅膀扭转变形的新机制。该扭矩在扑动过程中是随时间变化的，可以有效的控制翅膀的扭转变形。