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仿生结构与材料防护研究所简介
 

一、学科带头人介绍

仿生结构与材料防护研究所学科带头人戴振东是江苏省“青蓝工程”学科带头人,江苏省六大高峰人才计划、国防科技工业511 人才工程。

2000年在德国马普学会开始从事动物粘附与脱附的研究。发现机械工程与生命科学的交叉领域大有可为。2002年回国选择了跨机械工程、生物力学、神经科学和材料化学的交叉研究方向并组建研究团队。主要在运动仿生学、轻质强韧结构与材料和摩擦体系热力学三方面开展研究。主要学术贡献、重要创新成果及其科学价值或社会经济意义如下:

运动仿生学研究的科学价值和社会经济意义,揭示动物粘附的物理机制、脚掌结构和神经控制,启发TDOF(3维空间无障碍运动)机器人脚掌的研发。揭示动物运动机构的优异性能(地面适应性、越障能力、运动模式兼容性和运动代偿性)与其驱动原理和动力学协调方式的关系,启发非结构环境下(外空探测、搜救和军用)的机器人运动机构的设计和控制。其社会和经济意义在于TDOF机器人在反恐、救援、首脑保卫、特种侦察等公共和国家安全领域、狭小空间检测、城市市容服务等行业具有广泛需求,且发达国家限制对我出口。主要学术贡献及重要创新点:提出了昆虫脚爪与地面间的相互作用模型,被斯坦福大学机器人专家Cutkosky研制的脚爪型爬墙机器人时5次大篇幅引用。论文入选JEB《实验生物学》封面,前苏联院士Frantsevich、美国神经学家Ritzmann、德国昆虫学家Gorb、Fedler、Pearson等著名学者在PNAS《美国科学院院刊》、ARR《老化研究回顾》,JCP《化学物理学报》、JEB等国际生物学顶级杂志他引20次。成为动物脚爪运动力学的经典模型。发现结构和力学的冗余是这类动物运动高度稳定和灵活的主要原因。首次直接测得壁虎脚底毛在接触时有电位变化, 确认了壁虎粘附的生物电效应新机制,对 Full小组[Nature, 2000;PNAS, 2002]和Gorb 小组 [PNAS, 2005]的工作是一个很好的补充。且为防止仿生刚毛的相互粘连[Geim等,Nature Material,2003]指明了方向。发现脚趾的抓-展运动对壁虎的超级粘附-脱附能力有关键意义,实验证实该23个自由度的运动由3个外周神经完全支配。这种高效、简洁的运动控制策略和灵活、自适应的机构,使我们明确仿生脚掌必须从结构-驱动一体化角度入手,并开展了仿肌肉驱动材料(IPMC)的研究。对柔性光滑脚垫用有限元方法分析了其接触力学及对运动稳定性的影响。首次发现蝗虫的柔性光滑脚垫的几何结构和材料分布使其接触中产生冗余的摩擦力,该特点提高了接触的稳定性,降低了接触刚度和接触冲击力、增加了接触面积,并使处于体液中的承力肌腱在接触中仍然能够保持其位置(侧向约束力为0)。该项研究揭示了柔性光滑脚垫实现稳定、高粘附接触的结构和材料拓扑关系。该研究结果已经用于驱动部件(轮胎)的仿生摩擦学设计和我们开展的杆机构仿壁虎机器人脚,以降低脚接触时的冲击力。

领悟到这种杆式运动机构具有“非连续约束和变结构”的特点。赋予了杆机构机器人机构学、运动学和动力学研究以新的理论基础,表明支撑相机构的运动协调是杆机构实现高效驱动的关键。将测试到的壁虎3维运动步态用于机器人的步态规划,提高了壁虎机器人的爬壁能力。创制了系列实验设备和传感器,包括系列微小感量的多维(2~3维)传感器;开发了系列试验机;原创提出并研制了首套3维地面反力测定阵列系统,建立了国内外唯一的微牛级、多足力学量和运动图像同步采集的传感器阵列。测定了壁虎、臭虫、斑衣蜡蝉等粘附动物在不同表面上的地面反力,初步获得各脚掌地面反力间的力学协调关系,表明切向力有内聚特征,且数值上大于法向力,这些特点是提高仿生机器人稳定性、机动性和可靠性必须考虑的因素。上述工作形成了专著《壁虎的运动仿生》,将由国防工业出版社出版。所研制的实验设备,吸引了前苏联院士,联合国生物多样性保护委员会委员Frantsevich教授多次来所开展研究合作。日本京都大学的Goodwyn博士也慕名而来,用本实验室研制的3维力传感器首次测定了水上自由运动水黾的所有腿对水的作用力。上述工作表明,我们已经建立了有较高国际影响力的运动仿生的生物学实验研究平台,为后续高水平的研究奠定了基础。

 

二、研究所介绍

2002年3月,仿生结构与材料防护研究所依托机电学院“机械设计及理论”学科而成立,几年来,研究所迅速发展壮大,现研究团队包括学术带头人戴振东教授以及郭策教授等专职人员12人,在读博士、硕士生四十余人。形成了以机械电子、信息控制、材料化学、神经科学为核心的学科交叉交融的研究团队。研究所致力于材料结构和机电系统的仿生研究及材料结构的防护研究,承担了国家自然科学基金重点项目、面上项目,国家863计划、973计划,航空基金,教育部留学基金等各类科研项目,形成了(1)仿生与生物机器人,(2)生物运动力学,(3)轻质结构与材料,(4)摩擦学与表面工程等4个研究方向。主要研究内容有3DOF特种仿生机器人和生物机器人基础研究与开发,及与上述机器人配套的基础研究如生物神经信息学、轻质几何构型及材料的仿生制备研究、IPMC驱动感知一体化材料制备及测试、摩擦体系热力学及表面仿生技术的研究。

近年来,研究所已经推动并形成了良好的国内外跨学科合作氛围。在生命科学方面与北京大学生命科学学院、中科院动物研究所、中科院昆明动物研究所、广西师范大学、中科院武汉数学物理研究所等单位;在材料科学方面与中科院兰州化学物理研究所、中科院化学所等单位;在机器人与精密制造方面与吉林大学、北京航空航天大学、中科院合肥智能机械研究所、中国电子科技集团公司第55所、苏州SVG等单位建立了合作关系。为交叉学科的发展奠定了坚实的基础。

研究所重视学术交流,先后派出多名教师去国外大学和研究机构访问、进修或参加学术会议。主办了“International Symposium on Smart Materials for Engineering and Biomedical Applications SMEBA 2004”及“仿生科学的前沿暨发展战略研讨会(2005 中国)”等国际国内学术会议。邀请多名外国学者、专家来所讲学交流。与德国 Max Planck 学会发育生物研究所、美国 John Hopkins 大学生物系、日本 Kyoto 大学昆虫生态学实验室、韩国 Konkuk 大学人工肌肉研究中心、乌克兰国家科学院 Schmalhausen 动物研究所、美国University of California at Berkeley、加拿大 Calgary 大学机械制造工程系等单位建立了合作/协作关系。

依靠艰苦的探索精神、对研究的高度兴趣和敬业精神、依托国内外的广泛而深入的合作,我们在过去的几年中从无到有,超速发展,研究工作取得了重要进展。

至今研究所在重要核心期刊上发表学术论文57篇,其中,SCI/EI收录43篇;课题组率先自行开发研制的48通道三维微载荷测定阵列,揭示了一批以前未被观测到的生物运动力学现象;初步实现了对壁虎的运动调控;如戴振东教授主持的“国家自然科学基金重点项目”在中期检查中获得了优秀;研究所已成为我国摩擦学和仿生科学领域的重要团队之一。

 

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