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动物斜面着陆运动模式及其与形态结构的匹配机制
结题报告
批准号:
31601870
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
18.0 万元
负责人:
王周义
依托单位:
学科分类:
C0403.动物生理与行为
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
丁利、宋逸、鲍传辉、周俊
国基评审专家1V1指导 中标率高出同行96.8%
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中文摘要
自然界中攀爬动物可以从一个近似竖直的斜面跳跃,并安全地着陆于另一个倾斜表面。与普通的地面着陆不同,为了在倾斜面着陆,特别是陡峭的倾斜面(倾斜角≥60°),动物不但需要缓解着陆瞬间的接触冲击力,同时要确保不会被冲击力反弹而脱离倾斜面,从而导致斜面着陆的失败。本项目拟以具有不同附着机制(黏附垫附着和钩爪附着)的壁虎为实验对象,开展壁虎斜面着陆模式及其形态结构(体型差异、附着机制差异、是否断尾)的适应机制研究。通过搭建适于研究不同壁虎斜面着陆过程的行为力学测试平台;测试起跳与着陆相对空间位置(高度、间距、斜度)变化时,动物着陆运动姿态的应对策略以及各步足的接触反力;揭示动物斜面着陆运动模式与形态结构的匹配机制。项目的完成将为动物行为学、仿生学、功能形态学等研究提供新的理论依据及方法支持。既有助于推动生物学家关于动物运动功能的进化研究,亦可为工程师研制新型仿生机器人提供灵感。
英文摘要
In nature, climbing animals can jump from an approximately vertical incline, and then land on other incline safely. Different from landing at ground, landing on steep incline whose angle is greater than or equal to 60 ° require animals not only to relieve the landing impacts, but also to keep themselves from being pulled from the substrate by the rebounds, which results in attachment failure. The project intends to carry out experiment with geckos, which have different attachment mechanisms (adhesion pad or claw), to study the adaptation mechanisms between their landing modes and morphological structures, such as somatotypes and tails. A suitable mechanical testing system will be built to investigate the adjusting strategies applied by geckos and the reaction forces at geckos’ feet when they jump and land at different positions, e.g. different heights, distances and angles, revealing the matching mechanism between the landing patterns and the morphological structures of animals. The findings of this project may provide theory and methodology supports to research the ethology, bionics and morphology of animals, not only helping to push biologist’s researches of locomotion evolution forward, but also providing inspirations for engineers to develop new bionic robots.
运动仿生是多学科交叉的领域,通过研究动物运动器官结构与功能、环境与行为、神经与控制,揭示动物卓越的运动能力的机构结构、驱动控制等规律,凝练运动仿生的原则,启发和指导仿生机器人研制。与普通的地面着落不同,为了在倾斜面着陆,动物不但需要缓解着陆瞬间的接触冲击力,同时要确保不会被冲击力反弹而脱离倾斜面,从而导致斜面着落的失败。壁虎这种在竖直面着落的行为和力学蕴含的力学机理与调控策略可为实现空间飞行器间安全着落提供必要的仿生启示。本项目主要开展了以下研究内容:a. 面向小尺寸柔性动物斜面着陆运动行为捕捉系统的建立与标定。从多目摄像机结构配置、标记识别与追踪、数据采集与处理等角度对运动捕捉技术进行了系统的研究,结合多目摄像机布局模式匹配、标记技术优化、数据采集及处理方法选择来完善运动捕捉系统;b.壁虎肢体结构、黏附接触模式及斜面着落调控机制。通过研究壁虎生理结构以及在斜面的安全着落,揭示其如何实现既满足运动对于力的需求,同时确保在倾斜基底上脚掌与基底间的可靠附着,以及壁虎在斜面运动中是如何在着落中瞬间实现与表面的可靠附着。c. 仿生黏附机构的仿生设计与黏附着落力学模型。对壁虎的黏附轨迹测绘实验和黏附锁合的运动轨迹进行分析,设计多级锁合仿生黏附机构并建立机构的力学模型。d.仿生黏附机构在目标表面黏附着落的仿真结果与试验验证。研究不同速度,不同角度下的黏附着落性能,以验证动物斜面着落运动的调控策略,同时以获得机构的适用边界参数范围以及最佳使用参数。在项目的支持下获得了2019年教育部自然科学二等奖(排名3/6);发表SCI论文5篇,中文核心论文1篇;申请发明专利4项,授权1项;参加国际会议7次,国内学术会议6次。培养硕士生2名,协助培养博士生1名。通过本项目的顺利实施,为后续开展动物运动仿生、航天着落器设计等相关的研究奠定了基础。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
The Method of Multi-Camera Layout in Motion Capture System for Diverse Small Animals
多种小动物运动捕捉系统中多摄像机布局的方法
DOI:10.3390/app8091562
发表时间:2018-09
期刊:Applied Sciences
影响因子:--
作者:Weijia Zong;Zhouyi Wang;Qiang Xing;Junjie Zhu;Liuwei Wang;Kai Qin;Hemin Bai;Min Yu;Zhendong Dai
通讯作者:Zhendong Dai
Contribution of friction and/or adhesion to the reliable attachment of a gecko to smooth inclines
摩擦力和/或粘附力对壁虎可靠附着在平滑斜坡上的贡献
DOI:--
发表时间:2018
期刊:Friction
影响因子:6.8
作者:Wang Zhouyi;Xing Qiang;Wang Wenbo;Ji Aihong;Dai Zhendong
通讯作者:Dai Zhendong
DOI:10.19356/j.cnki.1001-3997.2019.09.031
发表时间:2019
期刊:机械设计与制造
影响因子:--
作者:陆晓波;蔡雷;宗卫佳;王周义
通讯作者:王周义
DOI:--
发表时间:2019
期刊:Asian Herpetological Research
影响因子:1.4
作者:Zhouyi Wang;Weijia Zong;Bingcheng Wang;Junjie Zhu;Kai Qin;Zhendong Dai
通讯作者:Zhendong Dai
Bio-Inspired Adhesive Footpad for Legged Robot Climbing under Reduced Gravity: Multiple Toes Facilitate Stable Attachment
用于腿式机器人在低重力下攀爬的仿生粘合脚垫:多个脚趾有利于稳定附着
DOI:10.3390/app8010114
发表时间:2018-01
期刊:Applied Sciences
影响因子:--
作者:Wang Zhouyuan;Wang Zhouyi;Dai Zhendong;Stanislav N. Gorb
通讯作者:Stanislav N. Gorb
动物高稳定黏附与快速易脱附的跨尺度调控机制及仿生设计
  • 批准号:
    51975283
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2019
  • 负责人:
    王周义
  • 依托单位:
国内基金
海外基金