CN112485463A - 基于多电极液体芯有机压电材料球体的蚊子听觉实体模型 - Google Patents

基于多电极液体芯有机压电材料球体的蚊子听觉实体模型 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于多电极液体芯压电球体的蚊子听觉实体模型，精确模仿蚊子听觉系统的结构和工作机制。本发明的蚊子听觉实体模型，包括上部开口的刚性底座(3)及固定于所述底座(3)内底部的表面多电极液体芯有机压电材料半球(1)；所述刚性底座(3)上部开口以柔性弹性膜(4)密封；还包括一弹性杆(2)，所述弹性杆(2)下端固定连接在所述表面多电极液体芯有机压电材料半球(1)表面，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

基于多电极液体芯有机压电材料球体的蚊子听觉实体模型
技术领域
本发明属于蚊子触角仿生技术领域，特别是一种基于多电极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多电极液体芯有机压电材料球体蚊子听觉实体模型，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：
一种基于多电极液体芯有机压电材料球体的蚊子听觉实体模型，包括上部开口的刚性底座3及固定于所述底座3内底部的表面多电极液体芯有机压电材料半球1；
所述刚性底座3上部开口以柔性弹性膜4密封；
还包括一弹性杆2，所述弹性杆2下端固定连接在所述表面多电极液体芯有机压电材料半球1表面，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，包括结构和功能。在结构上，蚊子杆状触角的根部固定连接在江氏器中，且直接连接着感觉细胞。当有低速气流吹过蚊子触角后，杆状触角产生弯曲变形，拖拉相关的感觉细胞，使蚊子能够感知外部气流的方向和大小。而本发明的实体模型中，用弹性杆模仿蚊子杆状触角，用表面多电极液体芯有机压电材料球体模仿蚊子的感觉细胞，且弹性杆根部直接和表面多电极液体芯有机压电材料球体相连。所以，本发明的实体模型结构和蚊子的听觉系统具有高度相似性。当有低速气流吹过本发明的实体模型时，弹性杆产生弯曲变形，拖拉根部的表面多电极液体芯有机压电材料球体，使之产生变形并输出电荷信号。根据这些电荷信号，可以计算出外部低速气流的方向和大小。因此，本发明的实体模型功能和蚊子的听觉系统具有高度相似性。
本发明在弹性杆2的根部，只用一个表面多电极液体芯有机压电材料球体1，就可以感知弹性杆2弯曲变形的方向和大小，结构和算法都较为简单。
综上所述，本发明的实体模型和蚊子的听觉系统，在结构和功能方面都具有高度相似性，可以通过本发明的实体模型，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是本发明多电极液体芯有机压电材料球体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中表面多电极液体芯有机压电材料半球的俯视图。
图4是图1中表面多电极液体芯有机压电材料半球的竖向截面图。
图中，1表面多电极液体芯有机压电材料半球，2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，本发明基于多电极液体芯有机压电材料球体的蚊子听觉实体模型，包括上部开口的刚性底座3及固定于所述底座3内底部的表面多电极液体芯有机压电材料半球1；
所述刚性底座3上部开口以柔性弹性膜4密封；
还包括一弹性杆2，所述弹性杆2下端固定连接在所述表面多电极液体芯有机压电材料半球1表面，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。
所述每层纤毛层包括周向均布的4根纤毛5，相邻纤毛5相隔90度角。
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。
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，表面多电极液体芯有机压电材料半球1包括圆形底板109、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108；
所述柔性有机压电材料壳体103开口端与底板109密闭连接，
所述柔性弹性外壳膜108套装在所述柔性有机压电材料壳体103外，开口端与底板109密闭连接；
还包括置于柔性有机压电材料壳体103与底板109间的内层隔断101，所述内层隔断101底部与底板113密闭固定连接，顶部与柔性有机压电材料壳体103密闭固定连接，将柔性有机压电材料壳体103与底板113形成的密闭空间均分成四部分，各部分密闭空间充满内层导电液体102；
还包括置于柔性弹性外壳膜108与柔性有机压电材料壳体103间的外层隔断107，所述外层隔断107底部与柔性有机压电材料壳体103密闭固定连接，顶部与柔性弹性外壳膜108密闭固定连接，将柔性弹性外壳膜108与柔性有机压电材料壳体103形成的密闭空间均分成四部分，各部分密闭空间充满外层导电液体104；
所述外层隔断107底部与内层隔断101顶部重合；
所述阶梯结构弹性杆2底端与外层隔断107外侧固定连接。
还包括一端与内层导电液体102电连接的内层电极引线105、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104和内层导电液体102为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。
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弹性杆2上，使所述弹性杆2产生弯曲变形。阶梯弹性杆3的根部将拉拽底部的表面多电极液体芯有机压电材料球体1，产生变形。由于弹性杆2弯曲方向和大小不同，对表面多电极液体芯有机压电材料球体1中的4个密封的液体空间产生不同的压迫和拖拉变形。由于液体的体积不变性，柔性有机压电材料壳体103被外层隔断107内侧与内层隔断101分隔开的四部分，产生不同程度的变形。外层导电液体104和内层导电液体102分别被分隔成四个完全独立、绝缘的部分。由于压电效应，在外层导电液体104和内层导电液体102中将产生传感电荷；由于柔性有机压电材料壳体103的变形是非均匀的，外层导电液体104和内层导电液体102被分隔成的各个独立部分将产生不同的电荷；电荷的大小和响应部位的柔性有机压电材料壳体103的变形程度成正比。由电极引线105和106组成一路传感信号，电极引线109和110组成一路传感信号，电极引线111和112组成一路传感信号，电极引线113和114组成一路传感信号。根据四路传感信号的大小，可以计算出所述弹性杆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 (7)

1.一种基于多电极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：
包括上部开口的刚性底座(3)及固定于所述底座(3)内底部的表面多电极液体芯有机压电材料半球(1)；
所述刚性底座(3)上部开口以柔性弹性膜(4)密封；
还包括一弹性杆(2)，所述弹性杆(2)下端固定连接在所述表面多电极液体芯有机压电材料半球(1)表面，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)，相邻纤毛(5)相隔90度角。
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所述的蚊子听觉实体模型，其特征在于：
表面多电极液体芯有机压电材料半球(1)包括圆形底板(109)、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(108)；
所述柔性有机压电材料壳体(103)开口端与底板(109)密闭连接，
所述柔性弹性外壳膜(108)套装在所述柔性有机压电材料壳体(103)外，开口端与底板(109)密闭连接；
还包括置于柔性有机压电材料壳体(103)与底板(109)间的内层隔断(101)，所述内层隔断(101)底部与底板(113)密闭固定连接，顶部与柔性有机压电材料壳体(103)密闭固定连接，将柔性有机压电材料壳体(103)与底板(113)形成的密闭空间均分成四部分，各部分密闭空间充满内层导电液体(102)；
还包括置于柔性弹性外壳膜(108)与柔性有机压电材料壳体(103)间的外层隔断(107)，所述外层隔断(107)底部与柔性有机压电材料壳体(103)密闭固定连接，顶部与柔性弹性外壳膜(108)密闭固定连接，将柔性弹性外壳膜(108)与柔性有机压电材料壳体(103)形成的密闭空间均分成四部分，各部分密闭空间充满外层导电液体(104)；
所述外层隔断(107)底部与内层隔断(101)顶部重合；
所述阶梯结构弹性杆(2)底端与外层隔断(107)外侧固定连接。
6.根据权利要求5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(105)、一端与外层导电液体(104)电连接的外层电极引线(106)。
7.根据权利要求5所述的蚊子听觉实体模型，其特征在于：
所述外层导电液体(104)和内层导电液体(102)为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。
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