CN112461117A - 基于双层液体芯有机压电材料杆的蚊子触角实体模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于双层液体芯有机压电材料杆的蚊子触角实体模型，精确模仿蚊子触角系统的结构和工作机制。本发明的蚊子触角实体模型，包括上部开口以柔性弹性膜(4)密封的圆盒状刚性底座(3)和下端固定在底座(3)底部、上端穿过柔性弹性膜(4)的阶梯结构弹性杆(2)，其伸出部分纵向分布多层纤毛层，还包括周向均匀分布于阶梯结构弹性杆(2)周边的第一至四双层液体芯有机压电材料杆(11、12、13、14)，各相邻双层液体芯有机压电材料杆(11、12、13、14)之间相互垂直；每根双层液体芯有机压电材料杆(11、12、13、14)两端分别通过立柱(15、16)与刚性壳体(3)底部固定连接。

Description

基于双层液体芯有机压电材料杆的蚊子触角实体模型

技术领域

本发明属于蚊子触角仿生技术领域，特别是一种基于双层液体芯有机压电材料杆的蚊子触角实体模型。

背景技术

蚊子触角系统，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。当蚊子周围有气流或声波经过时，纤毛将受到空气阻力作用，推动触角产生弯曲变形。江氏器根据感知的触角根部变形的方向和幅值，判断周围气流或声波的方向和幅值。蚊子利用触角系统，可以逃避追捕，或进行配偶定位。触角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。而根据真实的蚊子触角系统结构，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，蚊子触角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双层液体芯有机压电材料杆的蚊子触角实体模型，精确模仿蚊子触角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：

一种基于双层液体芯有机压电材料杆的蚊子触角实体模型，包括上部开口的圆盒状刚性底座3；

所述刚性底座3的上部开口以柔性弹性膜4密封；

还包括一部分直径大、部分直径小的阶梯结构弹性杆2，所述阶梯结构弹性杆2下端固定连接在底座3底部，其上端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长度相同的纤毛5；

所述纤毛5在所述阶梯结构弹性杆2四周从底部到顶部，长度逐渐减小；

还包括水平放置于阶梯结构弹性杆2周边并与其紧密接触的四根双层液体芯有机压电材料杆11、12、13、14，各相邻双层液体芯有机压电材料杆11、12、13、14之间相互垂直；

每根双层液体芯有机压电材料杆11、12、13、14两端分别通过立柱15、16、17、18、19、20、21、22与刚性壳体3底部固定连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

能精确模仿蚊子触角系统。当有低速气流吹过实体模型时，纤毛产生弯曲变形，根部扭转力和力矩作用在阶梯结构弹性杆上，使其产生弯曲变形。阶梯结构弹性杆压迫弯曲方向上的双层液体芯有机压电材料杆中的一个或两个；受到压迫的所述双层液体芯有机压电材料杆将在内层导电液体和外层导电液体内产生传感电荷，根据传感电荷的大小可以计算出所述阶梯结构弹性杆的弯曲变形方向和幅值，进而计算出所述纤毛5的扭转力或力矩的方向和大小，最后计算出气流的大小和方向。通过所述的实体模型，可以研究蚊子触角系统的结构、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是本发明基于双层液体芯有机压电材料杆的蚊子触角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中双层液体芯有机压电材料杆的横向截面图。

图5是图3中双层液体芯有机压电材料杆的纵向截面图。

图中，2阶梯结构弹性杆，3底座，4柔性弹性膜，5纤毛，11、12、13、14双层液体芯有机压电材料杆，15、16、17、18、19、20、21、22立柱，内层导电液体101，柔性有机压电材料壳体102，外层导电液体103，柔性弹性外壳膜104，顶板105，底板106，外层电极引线107，内层电极引线108。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明基于双层液体芯有机压电材料杆的蚊子触角实体模型，包括上部开口的圆盒状刚性底座3；

所述刚性底座3的上部开口以柔性弹性膜4密封；

还包括一部分直径大、部分直径小的阶梯结构弹性杆2，所述阶梯结构弹性杆2下端固定连接在底座3底部，其上端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；

还包括水平放置于阶梯结构弹性杆2周边并与其紧密接触的四根液体芯有机压电材料杆11、12、13、14，各相邻液体芯有机压电材料杆11、12、13、14之间相互垂直；

每根液体芯有机压电材料杆11、12、13、14两端分别通过立柱15、16、17、18、19、20、21、22与刚性壳体3底部固定连接；

优选地，

所述周向均布于同层的多根纤毛5长度相同或不同。

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。

优选在，

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4、5所示，所述双层液体芯有机压电材料杆11包括有机压电材料内圆筒102、柔性外圆筒104；

所述有机压电材料内圆筒102与柔性外圆筒104之间充满外层导电液体103，所述有机压电材料内圆筒102内充满内层导电液体101。

如图5所示，所述有机压电材料内圆筒102与柔性外圆筒104两端分别与柔性弹性堵头105、106密闭固定连接。

如图4、5所示，还包括一端与内层导电液体101电连接的内层电极引线108、一端与外层导电液体103电连接的外层电极引线107。

优选地，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。

当双层液体芯有机压电材料杆的两端固定时，杆受到外力作用后，产生伸缩变形时，有机压电材料层受到拉伸作用，由于压电效应，在内外导电液体中产生电荷。由电荷的大小，可以感知杆的变形情况，即杆受到的拉力大小。由于圆柱形液体芯有机压电材料杆是柔性杆，只能感知伸长变形。

本发明的工作原理详述如下：

当有低速气流吹过液体芯仿生细胞的蚊子触角实体模型时，所述纤毛5在流场中受到气流作用，产生弯曲变形，根部产生扭转力和力矩。这些扭转力和力矩作用在所述阶梯结构弹性杆2上，使所述阶梯结构弹性杆2产生弯曲变形。所述阶梯结构弹性杆2由于弯曲变形，压迫与之接触的双层液体芯有机压电材料杆，使压电材料杆产生伸长变形，在2个液体电极上产生电荷。根据电荷的大小，可以计算出气流的大小和方向。

具体计算过程：多根圆柱形双层液体芯有机压电材料杆产生电荷的大小——压电材料杆的伸长量——阶梯结构弹性杆的弯曲变形大小和方向——装置所受到的气流的大小和方向。根据传感电荷的大小可以计算出所述阶梯结构弹性杆2的弯曲变形方向和幅值，进而计算出所述纤毛5的扭转力或力矩的方向和大小，最后计算出气流的大小和方向。

通过所述的实体模型，可以研究蚊子触角系统的结构、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 (8)

1.一种基于双层液体芯有机压电材料杆的蚊子触角实体模型，其特征在于：

包括上部开口的圆盒状刚性底座(3)；

所述刚性底座(3)的上部开口以柔性弹性膜(4)密封；

还包括一部分直径大、部分直径小的阶梯结构弹性杆(2)，所述阶梯结构弹性杆(2)下端固定连接在底座(3)底部，其上端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)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)；

还包括水平放置于阶梯结构弹性杆(2)周边并与其紧密接触的四根液体芯有机压电材料杆(11、12、13、14)，各相邻液体芯有机压电材料杆(11、12、13、14)之间相互垂直；

每根双层液体芯有机压电材料杆(11、12、13、14)两端分别通过立柱(15、16、17、18、19、20、21、22)与刚性壳体(3)底部固定连接。

2.根据权利要求1所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：

所述周向均布于同层的多根纤毛(5)长度相同或不同。

3.根据权利要求2所述的蚊子触角实体模型，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。

4.根据权利要求1至3之一所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：

所述每根双层液体芯有机压电材料杆(11、12、13、14)两端分别与一立柱(15、16、17、18、19、20、21、22)固定连接，所述立柱(15、16、17、18、19、20、21、22)下端与刚性壳体(3)底部固定连接。

5.根据权利要求1所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：

所述双层液体芯有机压电材料杆(11)包括有机压电材料内圆筒(102)、柔性外圆筒(104)；

所述有机压电材料内圆筒(102)与柔性外圆筒(104)之间充满外层导电液体(103)，所述有机压电材料内圆筒(102)内充满内层导电液体(101)。

6.根据权利要求5所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：

所述有机压电材料内圆筒(102)与柔性外圆筒(104)两端分别与柔性弹性堵头(105、106)密闭固定连接。

7.根据权利要求6所述的蚊子触角实体模型，其特征在于：

还包括一端与内层导电液体(101)电连接的内层电极引线(108)、一端与外层导电液体(103)电连接的外层电极引线(107)。

8.根据权利要求5所述的蚊子触角实体模型，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。

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