跳甲后足内部结构、功能及仿生学研究

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基本信息

  • 批准号：
    31802004
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    26.0万
  • 负责人：
    阮用颖
  • 依托单位：
    深圳职业技术学院
  • 学科分类：
    C0402.动物系统与分类
  • 结题年份：
    2021
  • 批准年份：
    2018
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Most species of flea beetles (Alticinae) have extraordinary jumping ability and they have a set of unique spring device in the hind-leg; the mechanism resembles the catapult widely used in ancient Chinese military, which is extremely explosive; there is great value in science in the research of its morphology and bionics. Currently, the jumping mechanism of flea beetles is not entirely clear; international scientists have done little on the subject, domestic researchers also haven't explored this area; there have been no related bionic researches. This project focuses on the extraordinary jumping ability and the unique structures of the hind leg of flea beetles. With the aid of previous preliminary results of the flea beetle jumping mechanism achieved by the applicant in his doctoral research, here we aim to reveal the 3D morphology, surface morphology and the functional morphology of each structure inside the flea beetle hind leg, and to reveal a true and reliable diagram of flea beetle jumping mechanism. Finally, we will propose a bionic design in order to shed lights on the future application in the related industry (e.g., a design of jumping leg of a robot, aircraft catapult system and the catapult device of Mars probe) based on the mechanism of the flea beetle jumping. This project has great significance in both basic research and industrial application.
跳甲亚科（Alticinae）昆虫大多数种类都具有卓越的跳跃能力，其后足内部具有一套独特的弹射结构，具有很强的爆发力，其机理类似于中国古代应用于军事中的“弹弩”；在形态学和仿生学上对其后足进行研究具有重要科学意义。国际学者对跳甲跳跃的功能形态学仅有个别研究，其跳跃机制至今仍不明确；除申请人外，国内尚无其它学者研究；相关仿生学研究在国内外均处于空白阶段。本课题立足跳甲强大的跳跃能力及独特的后足内部结构，以申请人硕博连读期间取得的初步的跳甲跳跃机制研究结果为基础，拟进一步研究跳跃相关结构的三维形态特征、表面形态特征以及这些结构在跳跃过程中的功能和作用，并提出准确的跳甲跳跃的机制与模式。在此基础上仿照跳甲后足内部的独特结构提出可靠的人造弹射器的仿生学设计图，为未来相关工业领域（如：人造跳跃足、舰载机弹射器、火星探测器的弹射装置等）提供仿生学基础。本项目兼具有基础科学意义和工业领域应用前景。

结项摘要

跳甲都具有惊人的跳跃能力，其跳跃运动鲜有学者研究，人们对其运动机制并不完全明确。本项目立足跳甲强大的跳跃能力及独特的后足内部结构，开展了跳甲的跳跃机制及仿生研究，主要研究结果总结如下：（1）本项目对后足内部结构进行解剖和观察、应用三维重建技术重构了跳甲后足内部的结构，发现了跳甲后足内部一个新的结构：“弹性板”；它在前人的研究中未被发现，但实验证明它在跳跃的触发阶段担任着最重要的角色之一（触发器的角色）。（2）本项目明确了跳甲后足各个结构在跳跃过程中的作用、跳跃过程涉及到的生物力学机制等，最终提出了系统的跳甲跳跃机制。发现了爆发性的弹射机制能够形成的原因是因为能量的急速增加和力学结构的微妙变化。发现了三角片爆发式地脱离弹性板，促使弹性势能瞬间转化为胫节的动能，由此推动虫体跳跃。提出了分为四个阶段的跳甲弹射式跳跃的模式：准备阶段、协同收缩阶段、爆发和加速阶段、放松阶段。（3）最终，本项目在这些实验数据的基础上模仿跳甲的后足结构提出了一套仿生机械跳跃足的设计图。在本项目的支持下，共发表了SCI论文6篇，共获得专利授权4项。另外，在本项目的支持下课题组开展了一项后续拓展研究：叩甲弹跳运动的功能形态学研究，目前已经有部分数据已投稿，即将发表。

项目成果

期刊论文数量（6）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（4）
First report of the invasive Australian tortoise beetle Trachymela sloanei (Coleoptera: Chrysomelidae: Chrysomelinae) in Asia
亚洲首次报告入侵澳大利亚龟甲虫 Trachymela sloanei（鞘翅目：叶甲科：叶甲亚科）
  • DOI：
    10.1016/j.aspen.2020.03.003
  • 发表时间：
    2020-06
  • 期刊：
    Journal of Asia-Pacific Entomology
  • 影响因子：
    1.5
  • 作者：
    Mengna Zhang;Xiaoqin Chen;Yongying Ruan;Shihong Jiang;Jiaoxu Yang;Minbao Jiang;Xiaonan Ruan;You Li
  • 通讯作者：
    You Li
The jumping mechanism of flea beetles (Coleoptera, Chrysomelidae, Alticini), its application to bionics and preliminary design for a robotic jumping leg
跳蚤甲虫（鞘翅目、叶甲科、Alticini）的跳跃机制、仿生学应用及机器人跳腿的初步设计
  • DOI：
    10.3897/zookeys.915.38348
  • 发表时间：
    2020-02
  • 期刊：
    ZooKeys
  • 影响因子：
    1.3
  • 作者：
    Yongying Ruan;Alex;er S. Konstantinov;Guanya Shi;Yi Tao;You Li;Andrew J. Johnson;Xiaozhu Luo;Xinying Zhang;Mengna Zhang;Jianing Wu;Wenzhu Li;Siqin Ge;Xingke Yang
  • 通讯作者：
    Xingke Yang
The Biology and Immature Stages of the Moss-Eating Flea Beetle Cangshanaltica fuanensis sp. nov. (Coleoptera, Chrysomelidae, Galerucinae, Alticini), with Description of a Fan-Driven High-Power Berlese Funnel.
食苔跳甲虫 Cangshanaltica fuanensis sp 的生物学和未成熟阶段。
  • DOI：
    10.3390/insects11090571
  • 发表时间：
    2020-08-26
  • 期刊：
    Insects
  • 影响因子：
    3
  • 作者：
    Ruan Y;Konstantinov AS;Damaška AF
  • 通讯作者：
    Damaška AF
Revision of the Oriental Chaetocnema species (Coleoptera, Chrysomelidae, Galerucinae, Alticini)
东方毛线虫属物种（鞘翅目、叶甲科、Galerucinae、Alticini）的修订。
  • DOI：
    10.11646/zootaxa.4699.1.1
  • 发表时间：
    2019-11-15
  • 期刊：
    ZOOTAXA
  • 影响因子：
    0.9
  • 作者：
    Ruan，Yongying;Yang，Xingke;Zhang，Mengna
  • 通讯作者：
    Zhang，Mengna
Revision of Chinese Phorocardius species (Coleoptera, Elateridae, Cardiophorinae).
中国拟心甲属物种（鞘翅目、Elateridae、心甲亚科）的修订
  • DOI：
    10.3897/zookeys.993.53805
  • 发表时间：
    2020
  • 期刊：
    ZooKeys
  • 影响因子：
    1.3
  • 作者：
    Ruan Y;Douglas HB;Qiu L;Chen X;Jiang S
  • 通讯作者：
    Jiang S

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中国蚜小蜂科一新纪录属及一新纪录种(膜翅目,小蜂总科)
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2012
  • 期刊：
    动物分类学报
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    阮用颖;王竹红;黄建
  • 通讯作者：
    黄建
隐唇叩甲科昆虫分类学研究进展
  • DOI：
    --
  • 发表时间：
    2021
  • 期刊：
    湖南农业大学学报(自然科学版)
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    孟子烨;陈晓琴;孙玉娜;阮用颖;王丽君;江世宏
  • 通讯作者：
    江世宏

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阮用颖的其他基金

叩甲科爆发式弹跳运动的功能形态学及仿生学研究
  • 批准号：
    32270483
  • 批准年份：
    2022
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    54 万元
  • 项目类别：
    面上项目

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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