CN102578044B

CN102578044B - 用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置及方法

Info

Publication number: CN102578044B
Application number: CN201210030832.9A
Authority: CN
Inventors: 于伟东; 崔瑞国; 刘洪玲; 杜赵群
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2012-02-11
Filing date: 2012-02-11
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2032-02-11
Also published as: CN102578044A

Abstract

本发明涉及用于测试昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置及方法，所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置，包括透明箱、爬板、转位机构、振动机构、弹簧底座以及数码摄像装置。所述的测试方法，具体步骤为：第一步：打开透明箱，将爬板粘贴在透明箱内，放入昆虫到爬板上，关闭透明箱；第二步：通过转位机构带动透明箱转动到特定位置，而后控制透明箱来回转动而产生摆动干扰，或控制振动机构转动产生振动干扰，或同时进行摆动干扰和振动干扰；同时调节数码摄像装置的拍摄角度，通过数码摄像装置观察获得昆虫的可爬附概率和掉落概率。本发明可以测量昆虫在不同空间位置和粗糙度表面的可爬附概率。

Description

用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置及方法，属于生物活体与表面爬附性能测量领域。

背景技术

在自然界中，人们常常见到苍蝇、蚂蚁、蟋蟀等昆虫在光滑的表面快速爬行，甚至能倒吊在天花板上。这种奇特的自然现象引起了无数生物学家的兴趣，他们对此进行了深入的研究。研究发现，许多昆虫足上都有着形态各异的粘性足垫。这些足垫可迅速释放，并且通过足垫产生的爬附力控制行进和奔跑。其机制显示了惊人的结构多样性和卓越的性能。爬行过程中与接触面间的附着机制及摩擦特性是仿生学的重要分支，在昆虫爬附性能上的研究对机器人仿生足掌仿生材料的研制具有一定的指导意义。

爬附性能是昆虫运动行为的重要能力，例如公开号为CN201754606的中国专利“一种昆虫行为检测系统”提供了一种通过摄像机来监控昆虫运动姿态和运动轨迹的装置，但是该实验装置的实验平台固定，不能转动，只能用于观察昆虫在水平面上的爬附行为；公开号为CN101530068的中国专利“果蝇行为试验方法以及装置”通过LED灯显示不同色彩、图形以及运动图案来刺激果蝇，进而直接观察果蝇趋同性等运动行为的装置，但是不能用于研究不同粗糙度表面对昆虫爬附行为的性能问题。

爬附力作为爬附性能测量的重要方面，一直以来受到广泛的关注与研究，国内外也开发了许多用于测试昆虫与粗糙表面爬附力的测试装置。例如德国的Walter Federle等人在2003年杂志《The Journal of Experimental Biology》第206卷“Biomechanics of ant adhesive pads: frictional forces are rate- and temperature- dependent”一文中给出了用离心分离技术来测量蚂蚁的水平爬附力的测试装置。国内周群等人在同济大学学报2008年第36卷《蚂蚁附着力的测试及ANSYS分析》也给出了一种离心式基于高速图像反馈的爬附力测试平台，但是只能测试水平和垂直两个方向的爬附力。

公开号为CN101482553的中国专利“一种测量生物活体与物体间粘附力的测力装置及测试方法”提出了一种运用杠杆原理测量生物活体与物体间爬附力的测力装置和测试方法，但是该测试方法制样复杂、实验步骤繁琐。而且这三种测试装置只能测试特定角度下昆虫与粗糙表面的爬附力，测试范围较小。上述专利都与本发明的装置和方法不同，不能用于昆虫爬附力的测量。

发明内容

由于昆虫爪、足结构不同，握持机制不同，因此对不同的粗糙度表面的爬附力不同，不同站姿的爬行稳定性也不同。这将引起昆虫对不同空间位置和粗糙度表面的适应性或喜好不同。而目前合适、客观的表征手段欠缺。鉴于现有测量装置和测试方法的不足，本发明的目的是提供昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置及方法，其测量原理是依据昆虫对爬附表面的适应性和能够爬附的站姿、最大忍受的摆动与振动干扰的能力进行测量的。

为了实现上述目的，本发明提供了一种用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置，其特征在于，包括透明箱、爬板、转位机构、振动机构、弹簧底座以及数码摄像装置，弹簧底座上连接振动机构，弹簧底座上设有透明箱和与透明箱连接的转位机构，透明箱内设有爬板。

优选地，所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置还包括控制与数据处理系统，所述的转位机构包括转位步进电机，所述的振动机构包括振动步进电机，所述的数码摄像装置包括摄像器，所述的控制与数据处理系统包括计算机，计算机连接驱动模块和数码图像模块，驱动模块连接转位步进电机和振动步进电机，数码图像模块连接摄像机。驱动模块用于控制转位步进电机和振动步进电机转动，数码图像模块用于采集和分析昆虫爬附状态和爬附位置，驱动模块所需要的控制信号通过计算机产生，控制信号包括：驱动脉冲、方向控制、全/半角控制，利用计算机上的对外输出数据线可方便的产生。

所述的透明箱包括箱体以及通过铰链连接在箱体前臂上的门，所述的门上设有把手。所述的箱体可由透明有机玻璃或透明高聚物塑料制成，其形状可以是三棱柱形或长方体形。

所述的爬板粘结在箱体的内底面。可以是相同表面粗糙度的爬板，亦可以具有不同表面粗糙度的爬板。所述的不同粗糙度爬板的拼接形式可以是如图5A所示的条带状爬板、如图5B所示为靶环式爬板和如图5C所示的方形框爬板；爬板中间粗糙，旁边或两侧相对光滑。

所述的转位机构还包括由转位步进电机驱动的转轴，所述的转轴与透明箱固接。转轴同转位步进电机同步转动。

所述的振动机构还包括由振动步进电机驱动的电机轴，电机轴固接甩盘，所述的甩盘为偏心圆盘，且上端与连杆外切，连杆一端与座架固接在一起，另一端连接平衡重锤。平衡重锤保持连杆与甩盘始终外切，振动步进电机带动电机轴和与电机轴固接在一起的甩盘同步转动，继而带动连杆和座架上下振动。

所述的弹簧底座包括座架、四根支撑弹簧和底座，支撑弹簧的下端固定在底座上，上端与座架固定连接。弹簧底座一方面支撑透明箱、爬板和转位机构，另一方面在振动机构的驱动下上下振动。

所述的数码摄像装置还包括摄像器支架，摄像器设于摄像器支架上。所述的摄像器可以根据透明箱的旋转角度来手动改变拍摄角度以保证能够拍到爬板上所有的昆虫。

本发明还提供了一种用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试方法，采用权利要求1所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置，其特征在于，具体步骤为：

第一步：打开透明箱，将爬板粘贴在透明箱内，放入昆虫到爬板上，关闭透明箱；

第二步：通过转位机构带动透明箱转动到特定位置，而后控制透明箱来回转动而产生摆动干扰，或控制振动机构转动产生振动干扰，或同时进行所述的摆动干扰和振动干扰；同时手动调节数码摄像装置的拍摄角度，通过数码摄像装置观察昆虫在爬板上的趋同区域与掉落概率，由此获得昆虫的可爬附概率和掉落概率。

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：（a）测量对象的范围更广，能够测量在不同种类昆虫，如蝇类、蟋蟀、甲虫或蚂蚁等与粗糙表面间的爬附概率；（b）测试时，对昆虫试样的处理简单，对于不会飞行或跳跃的生物活体试样直接进行实验，实验速度快、成本低；（c）要获得昆虫与物体间的最大爬附力值，可以先由该测试装置测量获得合适的粗糙度，再利用其他爬附力精密测量仪器测试在该粗糙度下昆虫的最大爬附力，针对性强；（d）测试过程封闭性好，不仅不易受到外界温湿度等环境条件的干扰，而且最大限度的保护了实验过程中掉落的活体试样，测试结果稳定。

附图说明

图1是用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置立体图；

图2是用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置主视图；

图3是用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置俯视图；

图4是控制与数据处理系统图；

图5A是条带状爬板示意图；

图5B是靶环式爬板示意图；

图5C是方形框爬板示意图；

图6a是透明箱平置状态示意图；

图6b是透明箱侧置状态示意图；

图6c是透明箱倒置状态示意图；

图中，1-透明箱，其包括11-箱体；12-门；13-昆虫；

2-爬板，其包括条带状爬板A、靶环式爬板B和方形框爬板C；

3-转位机构，其包括31-转位步进电机；32-转轴；

4-振动机构，其包括41-振动步进电机；42-电机轴；43-甩盘；44-平衡重锤；45-连杆；

5-弹簧底座，其包括51-座架；52-支撑弹簧；53-底座；

6-数码摄像装置，其包括61-摄像器；62-摄像器支架；

7-控制与数据处理系统，其包括71-计算机；72-驱动模块；73-数码图像模块；

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

如图1所示，为用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置立体图，其主视图和侧视图如图2和图3所示，是由放置昆虫13的透明箱1，爬板2，带动透明箱1转动的转位机构3，实现透明箱1上下振动的振动机构4，弹簧底座5，观察昆虫13所处位置和爬附状态的数码摄像装置6，进行数据采集与机构运行的控制与数据处理系统7组成。

弹簧底座5上设有透明箱1和与透明箱1连接的转位机构3，透明箱1内设有爬板2。透明箱1由透明有机玻璃制成，其形状是三棱柱形，棱柱底面为正三角形，边长为10cm，侧棱长20cm，两侧与转轴32固接，侧面开有15cm×5cm的门12，门12上安装有把手，可以方便开启与关闭。所述的爬板2粘结在箱体11的内底面。

所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置还包括控制与数据处理系统7，如图4所示，为昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置控制与数据处理系统图，所述的控制与数据处理系统7包括计算机71，计算机71连接驱动模块72和数码图像模块73，驱动模块72连接转位步进电机31和振动步进电机41，数码图像模块73连接摄像机61。驱动模块72用于控制转位步进电机31和振动步进电机41转动，数码图像模块73用于采集和分析昆虫爬附状态和爬附位置，驱动模块72所需要的控制信号通过计算机产生，控制信号包括：驱动脉冲、方向控制、全/半角控制，利用计算机71上的对外输出数据线可方便的产生。

所述的转位机构3包括转位步进电机31以及由转位步进电机31驱动的转轴32，所述的转轴32与透明箱1固接。转轴同转位步进电机同步转动。转轴32直径为2cm与座架51高度为10cm。所述的振动机构4包括由振动步进电机41和振动步进电机41驱动的电机轴42，电机轴42直径为2cm，电机轴42固接甩盘43，所述的甩盘43为偏心圆盘，甩盘43为直径为3cm，厚度为1cm，上端与连杆45外切，连杆45是尺寸为30cm×1cm×0.5cm的钢质金属杆，一端与座架51固接，另一端悬挂平衡重锤44。平衡重锤44为铅质，重量为10kg。平衡重锤44保持连杆与甩盘始终外切，振动步进电机41带动电机轴42和与电机轴42固接在一起的甩盘43同步转动，继而带动连杆45和座架51上下振动。座架51为木质薄板，尺寸为30cm×20cm×0.5cm，底座53为木质薄板，尺寸为30cm×20cm×0.5cm，座架51和底座53之间通过4根支撑弹簧52连接，支撑弹簧52自由长度为5cm，弹性系数为100N/cm。弹簧底座一方面支撑透明箱、爬板和转位机构，另一方面在振动机构的驱动下上下振动。所述的数码摄像装置6包括摄像器61和摄像器支架62，摄像器61设于摄像器支架62上。摄像器支架62为可伸缩支架，高度可调。所述的摄像器61可以根据透明箱的旋转角度来手动改变拍摄角度以保证能够拍到爬板上所有的昆虫。

使用上述装置测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的方法如下：

（1）开启转位步进电机31，带动透明箱1转动到底面呈水平状态，取将要测试的爬板2，将其裁剪成20cm×10cm大小，反面粘贴双面胶，而后打开门12，将爬板2粘在透明箱1底面。同时取将要测试的昆虫50个，若所要测试的昆虫试样有翅膀（或跳足）且能够飞行（或跳跃），则用用胶水粘贴在一起（或用试样夹夹住），以使其不能飞行（或跳跃），放入爬板2中的相对粗糙面上，关闭门12；

（2）调节摄像架62的高度到透明箱1的中线下方，开启摄像器61，调节摄像器61向下30°左右以保证能够看到所有的昆虫试样。开启计算机71，根据实验要求设定好转位步进电机31和振动步进电机41的转向和转速，开始实验；

（3）先启动转位步进电机31带动透明箱1转到特定的位置，而后驱动转位步进电机31周期性正转或反转产生摆动（摆动时，转位步进电机转速为5r/min,转向变化频率为2Hz），或者开启振动步进电机41带动透明箱1上下振动，或两者复合作用。同时根据透明箱1转动的位置手动调节摄像器61的角度，保证能够看到爬附在爬板2上的所有昆虫，同时观察实验过程中昆虫爬附的位置并在实验结束时记录掉落的昆虫数量；

（4）重复（1）-（3），测试20次，取平均值，并得出昆虫在该粗糙度表面爬附的概率p为：

式中，为爬附未掉落的昆虫数量的平均值；N为每次试验的昆虫数。

（5）关闭步进电机、摄像器62、存储实验结果并关闭计算机71，打开透明箱1的门12，取出昆虫试样，取下爬板2，关闭门12，实验结束。

实施例2

采用实施例1所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置，以苍蝇为例，将颗粒大小为5μm的二氧化硅抛光纸作为爬板2，测试其倒置时摆动干扰下的爬附概率。具体步骤为：

（1）开启转位步进电机31，带动透明箱1转动到如图6a所示的平置状态，取将要测试的爬板2，将其裁剪成20cm×10cm大小，反面粘贴双面胶，而后打开门12，将爬板2粘在透明箱1底面。同时取将要测试的昆虫50个，用胶水将苍蝇的翅膀粘在一起使其失去飞行能力，放入爬板2中的相对粗糙面上，关闭门12；

（3）先启动转位步进电机31带动透明箱1转到如图6b所示的倒置的位置，而后驱动转位步进电机31周期性正转或反转产生摆动（摆动时，转位步进电机转速为5r/min,转向变化频率为2Hz）。同时根据透明箱1转动的位置手动调节摄像器61的角度，保证能够看到爬附在爬板2上的所有昆虫，同时观察实验过程中昆虫爬附的位置并在实验结束时记录掉落的昆虫数量；

（5）关闭步进电机、摄像器62、存储实验结果并关闭计算机71，打开透明箱1的门12，取出昆虫试样，取下爬板2，关闭门12，实验结束。具体测试参数和实验结果如表1所示。

实施例3

采用实施例1所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置，以蚂蚁为例，测试其在不同粗糙度爬板上倒置时振动干扰下的爬附概率。具体步骤为：

（1）开启转位步进电机31，带动透明箱1转动到如图6a所示的平置状态，取颗粒大小为1μm，2μm，3μm，4μm，5μm的二氧化硅抛光纸，将其裁剪成10cm×4cm的条带状，并按照条带状爬板A形式进行排列，作为爬板2，将其反面粘贴双面胶，而后打开门12，将爬板2粘在透明箱1底面。同时取将要测试的昆虫50个，放入爬板2中的相对粗糙面上，关闭门12；

（3）先启动转位步进电机31带动透明箱1转到如图6b所示的倒置的位置，而后驱动开启振动步进电机41带动透明箱1上下振动。同时根据透明箱1转动的位置手动调节摄像器61的角度，保证能够看到爬附在爬板2上的所有昆虫，同时观察实验过程中昆虫爬附的位置并在实验结束时记录掉落的昆虫数量；

实施例4

采用实施例1所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测量装置，以蚂蚁为例，测试其在不同粗糙度爬板上侧置时摆动和振动复合干扰下的爬附概率。具体步骤为：

（1）开启转位步进电机31，带动透明箱1转动到如图6a所示的平置状态，取颗粒大小为1μm，2μm，3μm，4μm，5μm的二氧化硅抛光纸，将其裁剪成10cm×4cm的条带状，并按照条带状爬板A形式进行排列作为爬板2，反面粘贴双面胶，而后打开门12，将爬板2粘在透明箱1底面。同时取将要测试的昆虫50个，放入爬板2中的相对粗糙面上，关闭门12；

（3）先启动转位步进电机31带动透明箱1转到如图6c所示的侧置的位置，而后驱动转位步进电机31周期性正转或反转产生摆动（摆动时，转位步进电机转速为5r/min,转向变化频率为2Hz），并同时开启振动步进电机41带动透明箱1上下振动。同时根据透明箱1转动的位置手动调节摄像器61的角度，保证能够看到爬附在爬板2上的所有昆虫，同时观察实验过程中昆虫爬附的位置并在实验结束时记录掉落的昆虫数量；

表1 实施例具体测试参数和实验结果

注：当转速为正值表示顺时针转动。

Claims

1.一种用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置，其特征在于，包括透明箱（1）、爬板（2）、转位机构（3）、振动机构（4）、弹簧底座（5）以及数码摄像装置（6），还包括控制与数据处理系统（7），弹簧底座（5）上连接振动机构（4），弹簧底座（5）上设有透明箱（1）和与透明箱（1）连接的转位机构（3），透明箱（1）内设有爬板（2）；所述的转位机构（3）包括转位步进电机（31），所述的振动机构（4）包括振动步进电机（41），所述的数码摄像装置（6）包括摄像器（61），所述的控制与数据处理系统（7）包括计算机（71），计算机（71）连接驱动模块（72）和数码图像模块（73），驱动模块（72）连接转位步进电机（31）和振动步进电机（41），数码图像模块（73）连接摄像机（61）。

2.如权利要求1所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置，其特征在于，所述的透明箱（1）包括箱体（11）以及通过铰链连接在箱体（11）前臂上的门（12），所述的门（12）上设有把手。

3.如权利要求1所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置，其特征在于，所述的爬板（2）粘结在箱体（11）的内底面。

4.如权利要求1所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置，其特征在于，所述的转位机构（3）还包括由转位步进电机（31）驱动的转轴（32），所述的转轴（32）与透明箱（1）固接。

5.如权利要求1所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置，其特征在于，所述的振动机构（4）还包括由振动步进电机（41）驱动的电机轴（42），电机轴（42）固接甩盘（43），所述的甩盘（43）为偏心圆盘，且上端与连杆（45）外切，连杆（45）一端与座架（51）固接在一起，另一端连接平衡重锤（44）。

6.如权利要求1所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置，其特征在于，所述的弹簧底座（5）包括座架（51）、四根支撑弹簧（52）和底座（53），支撑弹簧（52）的下端固定在底座（53）上，上端与座架（51）固定连接。

7.如权利要求1所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置，其特征在于，所述的数码摄像装置（6）还包括摄像器支架（62），摄像器（61）设于摄像器支架（62）上。

8.一种用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试方法，采用权利要求1所述的用于测量昆虫对粗糙表面可爬附概率的测试装置，其特征在于，具体步骤为：

第一步：打开透明箱（1），将爬板（2）粘贴在透明箱（1）内，放入昆虫（13）到爬板（2）上，关闭透明箱（1）；

第二步：通过转位机构（3）带动透明箱（1）转动到平置、侧置或倒置状态，而后控制透明箱（1）来回转动而产生摆动干扰，或控制振动机构（4）转动产生振动干扰，或同时进行所述的摆动干扰和振动干扰；同时手动调节数码摄像装置（6）的拍摄角度，通过数码摄像装置（6）观察昆虫在爬板（2）上的趋同区域与掉落概率，由此获得昆虫的可爬附概率和掉落概率。