CN112258958A - 基于对称液体芯有机压电材料球体的蚊子听觉实体模型 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于对称液体芯仿生细胞的蚊子触角系统实体模型，精确模仿蚊子触角系统的结构和工作机制。本发明的蚊子听觉实体模型，包括底座(3)及固定于底座(3)内各侧壁上的第一至四液体芯有机压电材料球体(11、12、13、14)；还包括一阶梯结构弹性杆(2)，其底部固定连接在底座(3)底部，上部穿过柔性弹性膜(4)，伸出于刚性底座(3)上表面；阶梯结构弹性杆(2)下部四周分别与第一至四液体芯有机压电材料球体(11、12、13、14)相接触；阶梯结构弹性杆(2)伸出于刚性底座(3)上表面的部分纵向分布多层纤毛层，每层纤毛层包括一端与所述阶梯结构弹性杆(2)固定连接的周向均布的多根纤毛(5)。
Description
技术领域
本发明属于蚊子听觉仿生技术领域，特别是一种基于对称液体芯有机压电材料球体的蚊子听觉实体模型。
背景技术
蚊子听觉系统，包括一根触角，触角上部四周分布有密集的纤毛，下部包裹在江氏器中。当雌性蚊子拍打翅膀时，引起周围气流波动。附近的雄性蚊子的纤毛受到气流扰动，引起触角产生弯曲变形。导致触角根部的江氏器中的圆周分布的弦音器感觉细胞产生拉伸或压缩变形，并产生神经信号，传入雄性蚊子大脑。雄性蚊子大脑据此判断周围雌性蚊子的准确位置，包括高度和角度。听觉系统是蚊子重要的感觉器官。由于体积小、结构复杂精细，很难通过现有的技术手段，直接测量蚊子触角系统的力学响应，或研究其工作机制。而根据真实的蚊子听觉系统结构，用人工材料(或器件)代替相应的生物组织，设计制备蚊子触角实体模型，可以较真实地观察和测量出蚊子触角系统的工作机制，并进行各种生物体不方便开展的物理实验，促进了解蚊子的触觉和听觉机理。
目前，蚊子听觉实体模型的结构如中国发明专利“一种多电极含芯压电聚合物放大装置”(申请号：201510753555.8公开日：2016.01.20)所述，一个悬臂梁的一端设置在绝缘材料制成的底座上，另一端自由悬空成为自由端；在悬臂梁除自由端部分的表面涂有一组对称电极，一个作为正极，一个作为负极，该电极与悬臂梁之间绝缘，且该电极与底座不接触；在自由端未涂布的表面上粘贴PVDF纤维，PVDF纤维长度从上到下逐渐变长，沿自由端圆周方向均匀分布。可以实现对微小变形量的精确测量。
上述放大装置中，悬臂梁本身是压电聚合物，利用压电效应，可以感知自身的变形。但是，由于悬臂梁表面只有一组对称电极，只能产生一个传感信号，因此，悬臂梁只能感知自身变形的方向或幅值，不能同时感知变形和幅值。上述放大装置这种结构和工作机制与蚊子触角系统有很大的不同。在蚊子触角系统中，触角杆本身不具有感知能力，其变形由江氏器感知。江氏器中有多个感觉细胞和触角杆同时接触，以同时感知触角杆的变形方向和幅值。因此，中国发明专利“一种多电极含芯压电聚合物放大装置”与蚊子触角系统的结构不同，感知周围气流或声波的工作原理也不相同，其生物力学特性也有很大的区别，不能完全模仿蚊子触角系统的工作机制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于对称液体芯仿生细胞的蚊子听觉系统实体模型，精确模仿蚊子听觉系统的结构和工作机制。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种基于对称液体芯有机压电材料球体的蚊子听觉实体模型，包括一底部及周边封闭、上部开口的底座3及固定于所述底座3内各侧壁上的第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14；
还包括一下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆2，所述阶梯结构弹性杆2底部固定连接在底座3底部，上部穿过所述柔性弹性膜4，伸出于刚性底座3上表面；
所述阶梯结构弹性杆2下部四周分别与第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14相接触；
所述阶梯结构弹性杆2伸出于刚性底座3上表面的部分纵向分布多层纤毛层，每层纤毛层包括一端与所述阶梯结构弹性杆2固定连接的周向均布的多根纤毛5。本发明与现有技术相比，其显著优点为：
能精确模仿蚊子听觉系统。首先，在结构上模仿蚊子的听觉系统。用人工冲击模仿蚊子触角，用人工纤毛模仿蚊子纤毛。在触角根部，用液体芯有机压电材料球体模仿蚊子的弦音器感觉细胞。其次，在功能上模仿蚊子的听觉系统。当有低速气流吹过实体模型时，空气阻力使人工触角产生弯曲变形或振动变形，驱动4个液体芯有机压电材料球体产生变形，输出电荷信号，进而确定低速气流的方向和大小，具有和位置听觉系统类似的功能。因此，本发明是一种偶发仿生系统。通过所述的实体模型，可以研究蚊子听觉系统的结构、作用机制等方面的内容，并可以进一步研究蚊子的听觉系统工作原理。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明基于对称液体芯仿生细胞的蚊子听觉实体模型的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是图1中底座内部结构详图。
图4是图3中液体芯压电材料球体的竖向截面图。
图中，11、12、13、14液体芯有机压电材料球体，2阶梯结构弹性杆，3底座，4柔性弹性膜，5纤毛，
底板101，内层导电液体102，柔性有机压电材料壳体103，外层导电液体104，柔性弹性外壳膜105，外层电极引线106，内层电极引线107。
具体实施方式
如图1、2所示，本发明基于对称液体芯有机压电材料球体的蚊子听觉实体模型，包括一底部及周边封闭、上部开口的底座3及固定于所述底座3内各侧壁上的第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14；
还包括一下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆2，所述阶梯结构弹性杆2底部固定连接在底座3底部，上部穿过所述柔性弹性膜4，伸出于刚性底座3上表面；
所述阶梯结构弹性杆2下部四周分别与第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14相接触；
所述阶梯结构弹性杆2伸出于刚性底座3上表面的部分纵向分布多层纤毛层，每层纤毛层包括一端与所述阶梯结构弹性杆2固定连接的周向均布的多根纤毛5。
优选地，
所述每层纤毛层包括周向均布的4根纤毛5，每根纤毛5分别与一液体芯压电材料球体相对应。
优选地，
所述周向均布于同层的多根纤毛5长度相同。
当周向均布于同层的多根纤毛5长度相同时，整个装置依靠下部的液体芯，感知方向；当周向均布于同层的多根纤毛5长度不同时，纤毛5本身就具有了方向感知能力。
优选地，
所述多层纤毛层纤毛5的长度自下往上依次递减。所述多层纤毛层纤毛5的长度自下往上依次递减，成塔形。可以减小体积，增加纤毛的寿命。否则，上层纤毛容易受到伤害。
如图3、4所示，
所述第一液体芯有机压电材料球体11包括圆形底板101、半球壳状柔性有机压电材料壳体103和半球壳状柔性弹性外壳膜105；
所述柔性有机压电材料壳体103开口端与底板101密闭连接，其内充满内层导电液体102，所述柔性弹性外壳膜105套装在所述柔性有机压电材料壳体103外，开口端与底板101密闭连接，在所述柔性弹性外壳膜105与柔性有机压电材料壳体103之间充满外层导电液体104。
优选地，
所述第一液体芯有机压电材料球体11中，圆形底板101固连于刚性底座3侧面内壁上，柔性弹性外壳膜105与所述弹性触角2相切并接触。
如图4所示，
还包括一端与内层导电液体102电连接的内层电极引线107、一端与外层导电液体104电连接的外层电极引线106。
所述外层导电液体103和内层导电液体101为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。
所述第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14形状、结构相同。
本发明的工作原理详述如下：
当有低速气流吹过对称液体芯仿生细胞的蚊子触角实体模型时，所述纤毛5受到气流作用后，在空气阻力作用下，产生弯曲变形，并将力传递给根部的弹性触角2。弹性触角2本身在流场中会受到气流作用，产生弯曲变形。而纤毛5产生的空气阻力也会推动力的推动弹性触角2产生弯曲变形。这2中完全变形叠加在一起，使弹性触角2产生更大的弯曲变形。在根部，由于弯曲变形，弹性触角2将压迫所述第一至四液体芯有机压电材料球体11、12、13、14中的一个或两个液体芯有机压电材料球体，使其产生受压变形；由于压电效应，受到压迫的所述液体芯有机压电材料球体将在所述内层导电液体102和外层导电液体104内产生传感电荷，并经过所述外层电极引线106和内层电极引线107传入传感电路中。根据传感电荷的大小可以计算出所述弹性触角2的弯曲变形方向和幅值，最后计算出低速气流的大小和方向。
通过所述的实体模型，可以研究蚊子听觉系统的结构、作用机制等方面的内容，并可以进一步研究蚊子的听觉系统工作原理。
Claims (9)
1.一种基于对称液体芯有机压电材料球体的蚊子听觉实体模型，其特征在于：
包括一底部及周边封闭、上部开口的底座(3)及固定于所述底座(3)内各侧壁上的第一至四液体芯有机压电材料球体(11、12、13、14)；
还包括一下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆(2)，所述阶梯结构弹性杆(2)底部固定连接在底座(3)底部，上部穿过所述柔性弹性膜(4)，伸出于刚性底座(3)上表面；
所述阶梯结构弹性杆(2)下部四周分别与第一至四液体芯有机压电材料球体(11、12、13、14)相接触；
所述阶梯结构弹性杆(2)伸出于刚性底座(3)上表面的部分纵向分布多层纤毛层，每层纤毛层包括一端与所述阶梯结构弹性杆(2)固定连接的周向均布的多根纤毛(5)。
2.根据权利要求1所述的蚊子听觉实体模型，其特征在于：
所述每层纤毛层包括周向均布的4根纤毛(5)，每根纤毛(5)分别与一液体芯压电材料球体相对应。
3.根据权利要求1所述的蚊子听觉实体模型，其特征在于：
所述周向均布于同层的多根纤毛(5)长度相同。
4.根据权利要求2所述的蚊子听觉实体模型，其特征在于：
所述多层纤毛层纤毛(5)的长度自下往上依次递减。
5.根据权利要求1至4之一所述的蚊子听觉实体模型，其特征在于：
所述第一液体芯有机压电材料球体(11)包括圆形底板(101)、半球壳状柔性有机压电材料壳体(103)和半球壳状柔性弹性外壳膜(105)；
所述柔性有机压电材料壳体(103)开口端与底板(101)密闭连接，其内充满内层导电液体(102)，所述柔性弹性外壳膜(105)套装在所述柔性有机压电材料壳体(103)外，开口端与底板(101)密闭连接，在所述柔性弹性外壳膜(105)与柔性有机压电材料壳体(103)之间充满外层导电液体(104)。
6.根据权利要求5所述的蚊子听觉实体模型，其特征在于：
所述第一液体芯有机压电材料球体(11)圆形底板(101)固定连接于刚性底座(3)的侧面内壁上，柔性弹性外壳膜(105)与所述弹性触角(2)相切并接触。
7.根据权利要求6所述的蚊子听觉实体模型，其特征在于：
还包括一端与内层导电液体(102)电连接的内层电极引线(107)、一端与外层导电液体(104)电连接的外层电极引线(106)。
8.根据权利要求7所述的蚊子听觉实体模型，其特征在于：
所述外层导电液体(103)和内层导电液体(101)为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。
9.根据权利要求1所述的蚊子听觉实体模型，其特征在于：
所述第一至四液体芯有机压电材料球体(11、12、13、14)形状、结构相同。
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