CN209812324U - 探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提出的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，包括陶瓷微位移驱动元件；用于为压电陶瓷微位移驱动元件供电的驱动电源；固定于压电陶瓷微位移驱动元件的下端的凝胶探针；用于调节压电陶瓷微位移驱动元件的位置的手动微操作仪。本实用新型装置使用压电陶瓷致动装置，模拟自然条件下水母捕食与防御过程中刺丝囊发射情况，追踪刺丝囊捕食和防御过程中的发射动态行为，具有响应速度快、噪声低、刚度高等优点，可对水母与探针进行精密跟踪与定位、主动振动控制。

Description

探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置

技术领域

本实用新型涉及仿生装置，具体涉及一种探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置。

背景技术

水母爆发被认为是东亚地区最严重的海洋生态灾难之一，严重影响着海洋生态系统、环境安全和海洋经济发展。随着水母爆发的频繁，水母蜇伤事件日益受到重视。水母蜇伤是由触手上的刺丝囊发射刺丝释放毒液所引起的。刺丝囊是水母捕食和防御的武器，刺丝囊由囊壁、中空的刺丝、感受器三部分组成。静止时刺丝倒翻在囊内，一旦受到刺激便高速发射带有倒钩的刺丝进入猎物体内并注射毒液。刺丝囊内毒液有溶血活性、酶活性、心血管毒性、神经毒性、肌肉毒性和肝脏与肾脏毒性等多种生物活性，人若被蜇伤局部皮肤会出现红肿、刺痛、瘙痒，严重者发生全身中毒，甚至死亡。水母蜇人的本质就是其触手中的刺细胞中的刺丝囊发射刺丝并释放毒素的过程，因而分析刺丝囊发射的调控因素并寻找有效的干预措施，就可以从源头上预防水母蜇伤，具有重要的现实意义。

刺细胞内存在的化学感受器和机械感受器共同调节了刺丝囊中的毒液释放过程，目前分析水母刺丝囊发射调控因素主要是从离体触手组织中分离出的刺丝囊，由于技术条件和研究手段的一些限制，还难以探测海水环境中活体水母刺丝囊发射条件及调控因素。基于水母及其捕食者与被捕食者间长期形成的相互关系，利用仿生原理，通过物理振动和化学刺激模拟其中的相互作用方式，可望在整体条件下挖掘水母物理化学感受的调控机制，为找到影响刺丝囊发射的关键因素提供可靠的线索。然而，目前尚无适用于研究活体水母刺丝囊发射动态过程的仿生装置。

实用新型内容

针对现有技术中尚无适用于研究活体水母刺丝囊发射动态过程的仿生装置，本实用新型提出了一种探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，能够用于对活体水母刺丝囊发射条件及调控因素的研究。

为实现上述目的，本实用新型提出的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，包括：

压电陶瓷微位移驱动元件；

驱动电源，用于为压电陶瓷微位移驱动元件供电；

凝胶探针，固定于压电陶瓷微位移驱动元件的下端；

手动微操作仪，用于调节压电陶瓷微位移驱动元件的位置。

其中，手动微操作仪选用Warner公司的Micropositionging(微定位仪器)，能够实现对压电陶瓷微位移驱动元件位置的微调；

其中，驱动电源上设有控制开关，控制开关与压电陶瓷微位移驱动元件之间设有导线；

其中，压电陶瓷微位移驱动元件和凝胶探针竖向排列成一条直线；

其中，诱饵为固着在凝胶探针外侧的明胶或琼脂糖等。

优选地，在所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置中，所述压电陶瓷微位移驱动元件包含两片陶瓷晶片和一片电极片，两个陶瓷晶片同极化排列，电极片紧密粘结在两个陶瓷晶片之间。

其中，陶瓷晶片的驱动能力为≥0.5N，在驱动电源供电的条件下，压电陶瓷晶片将电能转化为机械能，通过改变电压大小实现凝胶探针的不同振动幅度，凝胶探针还可附加化学刺激成分，以此来模拟水母附近生物体的物理化学刺激，建立水母捕食与防御过程中刺丝囊发射的动态行为的仿生装置。

优选地，在所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置中，所述陶瓷晶片的规格为长60mm×宽20mm×厚0.8mm，电极片与陶瓷晶片等长宽。

优选地，在所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置中，所述压电陶瓷微位移驱动元件还包含绝缘外壳，绝缘外壳的上端设有夹持部，所述夹持部机械固定在手动微操作仪上。

优选地，在所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置中，所述凝胶探针具有连接部、杆部以及探针部，连接部的上端可拆卸地固定在压电陶瓷微位移驱动元件的下端，连接部的下端与杆部的上端固定连接，杆部的下端与探针部固定连接，探针部外侧固着有诱饵。

优选地，在所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置中，所述连接部与压电陶瓷微位移驱动元件为螺纹连接或卡嵌连接。

优选地，在所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置中，所述杆部为长35cm直径约2mm的钢丝，钢丝末端经磨砂处理形成所述探针部。

优选地，在所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置中，所述杆部为伸缩套杆。

优选地，在所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置中，所述探针部为10cm长的玻璃毛细管。

优选地，在所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置中，所述手动微操作仪具有三个移动自由度，用于调节压电陶瓷微位移驱动元件的位置。

使用时，通过手动微操作仪将制备好的凝胶探针置于活体水母附近5cm处，通过驱动电源发出电压信号，压电陶瓷微位移驱动元件快速准确的做出机械响应，并控制凝胶探针做出相应的物理振动，通过改变电压大小实现凝胶棒的不同振动幅度，从而模拟水母附近不同的理化刺激。最后通过收集凝胶探针中刺丝囊发射情况可探测活体水母对不同刺激下刺丝囊发射的动态行为。

本实用新型装置使用压电陶瓷致动装置，模拟自然条件下水母捕食与防御过程中刺丝囊发射情况，追踪刺丝囊捕食和防御过程中的发射动态行为，具有响应速度快、噪声低、刚度高等优点，可对水母与探针进行精密跟踪与定位、主动振动控制。

附图说明

图1为压电陶瓷致动仿生装置的结构示意图；

图2为压电陶瓷微位移驱动元件的剖面图。

图中：

1-压电陶瓷微位移驱动元件，11-陶瓷晶片，12-电极片，13-绝缘外壳，14-夹持部；2-驱动电源；3-凝胶探针，31-连接部，32-杆部，33-探针部，34-诱饵；4-手动微操作仪。

具体实施方式

下面将结合示意图对本实用新型的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置进行更详细的描述，其中表示了本实用新型的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本实用新型，而仍然实现本实用新型的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本实用新型的限制。

近些年，压电陶瓷致动技术受到越来越多的关注。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料，该材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机电耦合效应使得压电材料在工程中得到广泛应用，它具有的优点包括位移分辨率高、响应速度快、输出力大、换能效益高、无机械损耗、无磁场、无污染、体积小等。对压电陶瓷施加电压，其伸长量与驱动电压成正比关系。目前，压电陶瓷装置被广泛应用于电子技术、通信技术、激光技术、生物技术等高技术领域。

正是基于这种压电效应，我们设想如果能把压电陶瓷晶片作为反应材料，利用辅助载体在水母附近产生振动，根据仿生原理，以压电陶瓷产生位移和辅助载体中的化学反应模拟特定条件下活体水母附近物理和化学刺激，从而研究活体水母刺丝囊发射的动态过程，从整体水平分析刺丝囊发射的调控网络。

根据上述设想，在本实用新型中提出了一种探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，包括压电陶瓷微位移驱动元件1、驱动电源2、凝胶探针3和手动微操作仪4，如图1所示。

手动微操作仪4选用warner公司的micropositioning系列的微定位仪器，具有X、Y、Z三个方向的移动自由度，压电陶瓷微位移驱动元件1固定在该手动微操作仪4，通过旋钮可实现对压电陶瓷微位移驱动元件1在X、Y、Z轴方向上的微调。可以理解的是，在其他实施例中，还可以选用其他的能够实现微调的微操作仪。

请参见图2，压电陶瓷微位移驱动元件1包含两片陶瓷晶片11和一片电极片12，所述两片陶瓷晶片11的规格为长60mm×宽20mm×厚0.8mm，驱动能力≥0.5N，两个陶瓷晶片11同极化排列，将等长宽的电极片12夹在中间并紧密粘结。该压电陶瓷微位移驱动元件1外部设有绝缘外壳13，多采用塑料材质，绝缘外壳13的上端设有夹持部14，通过该夹持部14将压电陶瓷微位移驱动元件1固定在手动微操作仪4上。

驱动电源2设有控制开关，所述控制开关与压电陶瓷微位移驱动元件1之间设有导线，通电后，压电陶瓷微位移驱动元件1产生相应幅度的振动，改变电压大小，可以改变压电陶瓷微位移驱动元件1的振幅。

凝胶探针3固定于压电陶瓷微位移驱动元件1的下端，具有连接部31、杆部32以及探针部33，连接部31的上端可拆卸地固定在压电陶瓷微位移驱动元件1的下端，其中，可拆卸连接可以为螺纹连接、卡嵌连接、插接等机械常用活动连接结构，故在此不再详述。连接部31的下端与杆部32的上端固定连接，杆部32的下端与探针部33固定连接，探针部33外侧固着有诱饵34，诱饵34可以为明胶或琼脂糖。

杆部32可以为长35cm直径约2mm的钢丝，钢丝末端经磨砂处理形成所述探针部33；杆部32还可以为伸缩套杆，探针部33还可以为10cm长的玻璃毛细管，玻璃毛细管末端5cm处固着明胶作为测试探针。

利用该仿生装置，通过物理或化学刺激，在海水中模拟捕食者或猎物与水母之间的相互作用关系，检测水母在捕食与防御中刺丝囊发射的动态过程。首先制备不同理化性质的凝胶探针3；其次，以手动微操作仪4为轴心，分别连接上驱动电源2和压电陶瓷微位移驱动元件1，当驱动电源2发射电压信号时，压电陶瓷可以精准快速的做出振动响应；接着将凝胶探针3固定于压电陶瓷晶片11上，压电陶瓷晶片11带动凝胶探针3产生出不同的振动变化(频率、幅度)即可模拟水母附近猎物的游泳运动；最后将活体水母置于盛有海水的容器中，凝胶探针3固定于水母触手附近。

当打开驱动电源2给予电压时，压电陶瓷微位移驱动元件1发生位移，带动凝胶探针3产生振动，水母感知这种刺激后刺丝囊即做出生物反应。根据凝胶探针3中加入化学物质的不同，可单纯模拟附近有生物体泳动时水母接受物理刺激引发的刺丝囊发射情况，也可以结合振动方式变化模拟捕食者进攻或猎物挣扎时释放化学物质的过程。通过收集凝胶即可检测水母发射刺丝囊的种类、数量和状态，从而综合确定水母在防御和捕食过程中机械感受和化学感受的作用以及刺丝囊发射的动态过程，为分析刺丝囊发射的调控因素并寻找有效的干预措施提供可靠依据。

上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，其特征在于，包括：

压电陶瓷微位移驱动元件(1)；

驱动电源(2)，用于为压电陶瓷微位移驱动元件(1)供电；

凝胶探针(3)，固定于压电陶瓷微位移驱动元件(1)的下端；

手动微操作仪(4)，用于调节压电陶瓷微位移驱动元件(1)的位置。

2.根据权利要求1所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，其特征在于，所述压电陶瓷微位移驱动元件(1)包含两片陶瓷晶片(11)和一片电极片(12)，两个陶瓷晶片(11)同极化排列，电极片(12)紧密粘结在两个陶瓷晶片(11)之间。

3.根据权利要求2所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，其特征在于，所述陶瓷晶片(11)的规格为长60mm×宽20mm×厚0.8mm，电极片(12)与陶瓷晶片(11)等长宽。

4.根据权利要求3所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，其特征在于，所述压电陶瓷微位移驱动元件(1)还包含绝缘外壳(13)，绝缘外壳(13)的上端设有夹持部(14)，所述夹持部(14)机械固定在手动微操作仪(4)上。

5.根据权利要求1所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，其特征在于，所述凝胶探针(3)具有连接部(31)、杆部(32)以及探针部(33)，连接部(31)的上端可拆卸地固定在压电陶瓷微位移驱动元件(1)的下端，连接部(31)的下端与杆部(32)的上端固定连接，杆部(32)的下端与探针部(33)固定连接，探针部(33)外侧固着有诱饵(34)。

6.根据权利要求5所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，其特征在于，所述连接部(31)与压电陶瓷微位移驱动元件(1)为螺纹连接或卡嵌连接。

7.根据权利要求5所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，其特征在于，所述杆部(32)为长35cm直径约2mm的钢丝，钢丝末端经磨砂处理形成所述探针部(33)。

8.根据权利要求5所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，其特征在于，所述杆部(32)为伸缩套杆。

9.根据权利要求5所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，其特征在于，所述探针部(33)为10cm长的玻璃毛细管。

10.根据权利要求1所述的探测水母刺丝囊动态发射行为的压电陶瓷致动仿生装置，其特征在于，所述手动微操作仪(4)具有三个移动自由度，用于调节压电陶瓷微位移驱动元件(1)的位置。