閆征 王立新 潘盼

摘 要：許多動(dòng)物依靠自然進(jìn)化形成能夠展現(xiàn)優(yōu)異功能的身體結(jié)構(gòu)，以其作為仿生原型，可為工程領(lǐng)域存在的復(fù)雜問題提供有效解決途徑。仿生原型毫-微牛級(jí)力測(cè)試技術(shù)可為揭示仿生原型運(yùn)動(dòng)力學(xué)機(jī)制提供必要的測(cè)試手段。從呈現(xiàn)優(yōu)異功能特性的典型仿生原型入手，綜述了用于仿生原型運(yùn)動(dòng)功能與材料物理特性定量表征的毫-微牛級(jí)力測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析了傳感器測(cè)力系統(tǒng)、離心運(yùn)動(dòng)測(cè)力系統(tǒng)、圖像處理測(cè)力系統(tǒng)的原理與功能，指出仿生原型毫-微牛級(jí)力測(cè)試技術(shù)后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下3個(gè)方面：1）傳感器測(cè)力系統(tǒng)應(yīng)提升其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性與測(cè)試精度，以精確表征仿生原型的運(yùn)動(dòng)特性;2）離心運(yùn)動(dòng)測(cè)力系統(tǒng)應(yīng)提升測(cè)試平臺(tái)轉(zhuǎn)速信息采集精度與高速攝像機(jī)圖像清晰度，以準(zhǔn)確表征微小仿生原型與材料表面的交互作用;3）圖像處理測(cè)力系統(tǒng)應(yīng)考慮如何從圖像中精確提取微位移信息，以提高測(cè)力系統(tǒng)的測(cè)試精度與準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué);仿生原型;毫-微牛級(jí)力;運(yùn)動(dòng)特性;測(cè)試技術(shù)

中圖分類號(hào)：TB17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx03001

Research progress on milli-micro Newton level force measurement technology of bionic prototype

YAN Zheng， WANG Lixin， PAN Pan

（School of Mechanical Engineering，Hebei University of Science and Technology，Shijiazhuang，Hebei 050018，China）

Abstract：Depending on the excellent functional body structure obtained by the natural evolution， many animals have become bionic prototypes， which provide effective solutions for complex problems in the engineering field. The milli-micro Newton level force measurement technology of bionic prototype can provide the necessary testing instrument for revealing the locomotion mechanical mechanism of these bionic prototypes. Starting from the excellent functional characteristic of typical bionic prototypes， the research progress of milli-micro Newton level force measurement technology for quantitative characterization of the locomotion function and material physical properties of bionic prototypes was summarized. Especially， the principle and function of force measurement system with sensor， the principle and function of centrifugal movement force measurement system and the principle and function of image processing force measurement system were analyzed. Three aspects are pointed out some important aspects that bionic prototype milli-micro Newton level force measurement technology should focus on in the future：the force measurement system with sensor should improve the dynamic response characteristicsand test accuracy， in order to accurately characterizethe motion propertyof the biomimetic prototype; the centrifugal movement force measurement system shouldpromote the accuracy of test platform speed information collection and the imagedefinition of high-speed camera， in order to accurately characterize interaction between the micro-bionic prototype and material surface;theimage processing force measurement systemshould consider how to accurately extract micro-displacement information from images， in order to improve the test precision and accuracyof the force measurement system.

Keywords：bionic;bionic prototype;milli-micro Newton level force;locomotion characteristic;measurement technology

工程仿生學(xué)依靠學(xué)科前沿性正逐步滲透到人類日常生活各個(gè)領(lǐng)域，因通過模擬生物獨(dú)特的身體結(jié)構(gòu)與功能特性可為復(fù)雜問題提供有效解決途徑，而受到國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。大自然數(shù)百萬(wàn)年的發(fā)展演變使得生物逐步獲得適應(yīng)棲息環(huán)境的生存能力和獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)功能特性。運(yùn)動(dòng)是動(dòng)物繁衍、生殖、捕食的基礎(chǔ)，同時(shí)也是進(jìn)行遷徙活動(dòng)的必備技能，許多動(dòng)物依靠自然進(jìn)化形成能夠展現(xiàn)優(yōu)異功能的身體結(jié)構(gòu)，成為備受關(guān)注的仿生原型[2-3]?；跒閺?fù)雜工程問題提供針對(duì)性解決途徑的意圖，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開展對(duì)仿生原型運(yùn)動(dòng)功能與材料物理特性的定量表征研究，為仿生原型優(yōu)異功能特性產(chǎn)生機(jī)制的科學(xué)揭示提供了必要的測(cè)試手段，極大促進(jìn)了仿生原型毫-微牛級(jí)力測(cè)試技術(shù)的發(fā)展。本文綜述了仿生原型運(yùn)動(dòng)功能與材料物理特性定量表征的毫-微牛級(jí)力測(cè)試技術(shù)研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析傳感器測(cè)力系統(tǒng)、離心運(yùn)動(dòng)測(cè)力系統(tǒng)、圖像處理測(cè)力系統(tǒng)的原理與功能，指出仿生原型毫-微牛級(jí)力測(cè)試技術(shù)后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的方面。

1 仿生原型的優(yōu)異功能特性

人類借助動(dòng)植物數(shù)百萬(wàn)年進(jìn)化而來(lái)的奇特身體結(jié)構(gòu)與優(yōu)異功能特性來(lái)服務(wù)于自身，以期獲取工程復(fù)雜問題的有效解決途徑[4]。水黽、蝗蟲、蚊子、壁虎等動(dòng)物具有優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)功能，憑借自身優(yōu)化而成的身體結(jié)構(gòu)可完成水面站立、表面附著、刺穿皮膚、運(yùn)動(dòng)爬行等功能。水黽可在水面穩(wěn)定站立并能劃水前行（見圖1 a）），其腿部由微米級(jí)剛毛與剛毛表面附著的納米級(jí)螺旋溝槽共同構(gòu)成的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠呈現(xiàn)顯著的超疏水潤(rùn)濕特性，這對(duì)其奇特運(yùn)動(dòng)特性發(fā)揮著關(guān)鍵作用。有學(xué)者開展了水黽腿部脫離水面的運(yùn)動(dòng)力學(xué)研究，通過PVDF壓電傳感器來(lái)測(cè)量脫離力，約為0.31 μN(yùn)，這為以水黽為仿生原型研制微型水面機(jī)器人提供了重要基礎(chǔ)[5]?；认x擁有獨(dú)特的附著、彈跳等運(yùn)動(dòng)特性（見圖1 b）），其彈跳運(yùn)動(dòng)原理可為仿生跳躍機(jī)器人研制提供設(shè)計(jì)靈感。蚊子依靠其特有的刺吸式口器能夠低阻力刺入人體皮膚，達(dá)到吸取血液而不被輕易覺察的目的（見圖1 c）），這為無(wú)痛注射器仿生研制提供了明確的仿生原型，學(xué)者們?yōu)榇碎_展了仿生原型、無(wú)痛注射針頭仿生樣件刺入人體皮膚過程中的穿刺阻力測(cè)試研究[6-10]。壁虎腳掌表面具有剛毛附著器官（見圖1 d）），研究壁虎腳掌剛毛在接觸表面迅速黏附、脫黏附的力學(xué)機(jī)制，測(cè)試壁虎在材料表面的運(yùn)動(dòng)力學(xué)行為，對(duì)壁虎運(yùn)動(dòng)力學(xué)機(jī)制揭示和仿生爬壁機(jī)器人在結(jié)構(gòu)功能、步態(tài)規(guī)劃和控制規(guī)律等方面的設(shè)計(jì)具有重要意義[11-13]。

東南大學(xué)王玉娟團(tuán)隊(duì)[14-16]利用手動(dòng)懸臂移動(dòng)法將二氧化硅微球（直徑15 μm）與豬籠草葉籠滑移區(qū)表面接觸并施加法向力，測(cè)試黏附力和摩擦力用以揭示滑移區(qū)的反黏附特性，這為接觸力提供了測(cè)試手段。昆蟲附著系統(tǒng)在材料表面接觸力的測(cè)試表征是揭示昆蟲附著機(jī)理的必要環(huán)節(jié)，以豬籠草滑移區(qū)為仿生原型研制致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲捕集滑板，需要測(cè)試蝗蟲、螞蟻和飛蛾等致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲在滑移區(qū)、捕集滑板的毫牛級(jí)附著力和摩擦力[17]。壁虎在墻面、天花板能夠平穩(wěn)附著與自如行走，這得益于其腳掌產(chǎn)生的強(qiáng)大黏附力。南京航空航天大學(xué)戴振東團(tuán)隊(duì)[18-20]測(cè)試壁虎在地面、墻面、天花板的運(yùn)動(dòng)接觸力以揭示單步態(tài)周期內(nèi)大壁虎的運(yùn)動(dòng)特征，結(jié)果表明，壁虎采用前腳緩沖、后腳加速的運(yùn)動(dòng)方式使其在短時(shí)間內(nèi)以最少能量損耗來(lái)達(dá)到期望的運(yùn)動(dòng)速度，在天花板運(yùn)動(dòng)時(shí)其前后腳將產(chǎn)生較大的法向反力來(lái)確保自身不會(huì)掉落，以此顯著提高自身運(yùn)動(dòng)的安全性和可控性。仿生原型功能特性的定量表征依賴于性能優(yōu)異的毫-微牛級(jí)測(cè)力系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)此開展了廣泛研究。

2 仿生原型毫-微牛級(jí)力測(cè)試技術(shù)

2.1 傳感器測(cè)力系統(tǒng)原理與功能

AUTUMN等[21-22]研制出二維微牛級(jí)壓阻式傳感器來(lái)測(cè)試壁虎腳掌剛毛受預(yù)加法向載荷作用下在材料表面滑移的黏附力，該測(cè)力裝置具有2個(gè)獨(dú)立并呈水平、垂直方向的傳感器分支，壁虎腳掌剛毛在基底材料滑移5 μm后切向黏附力最大值為（194±25）pN;分析指出壁虎與物體表面產(chǎn)生的黏附作用源于分子間范德華力，這可揭示壁虎爬行時(shí)其腳掌剛毛與接觸面的黏附機(jī)制;測(cè)力端硅尖懸臂梁極其精細(xì)，制備難度極高，后續(xù)研究應(yīng)對(duì)測(cè)力端靈敏元件進(jìn)行等效替代以降低其研制難度。對(duì)壁虎腳掌剛毛黏附功能的深入測(cè)試表征顯示，其黏附功能易受空氣濕度影響，黏附力會(huì)隨濕度增加而增大，這使壁虎黏附機(jī)制研究進(jìn)入了新階段[23-24]。HUBER等[25]為測(cè)試壁虎腳掌剛毛黏附力，將從壁虎腳掌上切下的剛毛粘在原子力顯微鏡懸臂末端，再與基底接觸用以測(cè)試黏附力，測(cè)試過程中獲取懸臂梁的位移信息，再根據(jù)力-位移特性方程計(jì)算得到黏附力數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示剛毛拉脫試驗(yàn)中的黏附力約為10 nN，該測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確表征了壁虎腳掌單根剛毛在材料表面的黏附強(qiáng)度。上述測(cè)力設(shè)備僅適用于測(cè)試非活體生物，應(yīng)研制適用于測(cè)試活體生物足掌剛毛黏附力的測(cè)試系統(tǒng)，以使結(jié)果數(shù)據(jù)更加接近真實(shí)狀況。

南京航空航天大學(xué)戴振東團(tuán)隊(duì)[26]研制出多量程三維力傳感器來(lái)測(cè)試水黽運(yùn)動(dòng)接觸力（見圖2 a）），由16個(gè)三維微力傳感器組成4×4式傳感器陣列，量程為10 mN，分辨力可達(dá)10 μN(yùn)，研究發(fā)現(xiàn)水黽在水面的劃行力為0.87～1.32 mN，且單位腿長(zhǎng)的劃行力為0.3～0.4 mN/cm;數(shù)據(jù)顯示水黽運(yùn)動(dòng)劃行力與自身體重成正比，水黽還會(huì)依靠水面安全裕度來(lái)保證身體不陷入水花。該團(tuán)隊(duì)后續(xù)研制出測(cè)試壁虎足掌三維接觸力的測(cè)試系統(tǒng)（見圖2 b）和圖2 c）），由16個(gè)傳感器組成2×8式傳感器陣列，用于測(cè)試壁虎行走過程中在材料表面產(chǎn)生的接觸力，量程為1.5 N，分辨力為3 mN[27]。該測(cè)力設(shè)備獲取的壁虎運(yùn)動(dòng)特征數(shù)據(jù)，可加深學(xué)者對(duì)壁虎運(yùn)動(dòng)功能的認(rèn)知，并能推動(dòng)仿生爬壁機(jī)器人的研制，未來(lái)應(yīng)研制適合壁虎遠(yuǎn)距離爬行的測(cè)試平臺(tái)，以獲取更加符合實(shí)際的運(yùn)動(dòng)特征信息。

田樹林等[28]研制三維力傳感器測(cè)試系統(tǒng)用來(lái)測(cè)試動(dòng)物爬壁過程中腳掌與材料表面的接觸力，該測(cè)力系統(tǒng)由測(cè)力傳感器陣列、信號(hào)調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、動(dòng)態(tài)圖像記錄模塊等部分組成，其中測(cè)力傳感器為自行研制的H型雙孔平行梁式毫牛級(jí)力傳感器，高速攝像機(jī)可獲取爬壁過程中的直觀影像資料;將樹蛙作為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行垂直表面上的運(yùn)動(dòng)力學(xué)測(cè)試，結(jié)果顯示樹蛙爬行過程中的橫向接觸力為7 mN，縱向接觸力為170 mN，法向接觸力為68 mN;靜止?fàn)顟B(tài)下樹蛙的橫向接觸力為3 mN，縱向接觸力為 63 mN，法向接觸力為30 mN。這些力學(xué)數(shù)據(jù)可加深學(xué)者對(duì)樹蛙運(yùn)動(dòng)特性的認(rèn)知，為深入研究動(dòng)物爬壁過程中運(yùn)動(dòng)規(guī)律和功能特性提供測(cè)試手段，并為性能優(yōu)異的仿樹蛙爬壁機(jī)器人的研制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ);未來(lái)研究應(yīng)提升測(cè)力傳感器的制造工藝，充分考慮測(cè)力傳感器的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，以使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更具準(zhǔn)確性。

JI等[29]研制出由上下交錯(cuò)共24個(gè)三維力傳感器組成的仿圓柱正八邊形陣列測(cè)力系統(tǒng)，選擇T型三維毫牛級(jí)力傳感器作為測(cè)量元件，以樹蛙為測(cè)試對(duì)象進(jìn)行爬壁過程的接觸反力測(cè)試，結(jié)果顯示樹蛙在高曲率表面運(yùn)動(dòng)時(shí)其腳掌將產(chǎn)生用以黏附于曲面或非黏性材料表面的法向力，分析指出樹蛙運(yùn)動(dòng)時(shí)其前肢起主導(dǎo)作用而后肢起輔助冗余作用。該測(cè)試系統(tǒng)用以獲取動(dòng)物在仿圓柱體表面上爬壁過程的黏附力，但該項(xiàng)測(cè)試僅研究動(dòng)物在基底的局部表面運(yùn)動(dòng)，不能進(jìn)行其他復(fù)雜表面的黏附力測(cè)試，后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注樹蛙在不同層次表面、復(fù)雜曲面上的運(yùn)動(dòng)力學(xué)測(cè)試，以推動(dòng)仿爬壁機(jī)器人的研制。SUN等[30]利用PVDF材料研制出新型動(dòng)態(tài)力傳感器來(lái)測(cè)定不同提升速度下水黽腿部脫離水面的附著力，測(cè)試方法為將體積為5 μL的液滴滴落至力傳感器表面，隨后將水黽腿部與液滴脫離并建立脫離水面模型，通過光學(xué)顯微鏡和高幀數(shù)攝像機(jī)來(lái)觀測(cè)水面變形程度，根據(jù)力與提升速度的關(guān)系來(lái)分析附著力的影響因素以調(diào)控機(jī)制，測(cè)試結(jié)果顯示提升速度由0.02 m/s上升至0.40 m/s時(shí)水黽腿部附著力明顯下降，分析指出微納復(fù)合結(jié)構(gòu)是保證其在水面快速劃行的關(guān)鍵因素。

為滿足工程仿生研究對(duì)仿生原型產(chǎn)生的毫-微牛級(jí)力測(cè)試需求，人們研制出毫-微牛級(jí)二維力測(cè)試系統(tǒng)（見圖3），量程為800 mN，精度可達(dá)50 μN(yùn);基于LabVIEW編寫數(shù)據(jù)處理與界面顯示程序，可顯示與存儲(chǔ)仿生原型產(chǎn)生的毫-微牛級(jí)力;運(yùn)行結(jié)果顯示酸棗樹鉤刺刺入動(dòng)物肝臟的刺穿阻力最大為329.76 mN，表明該系統(tǒng)能夠滿足仿生原型的測(cè)試需求[31]。該毫-微牛級(jí)二維力測(cè)試系統(tǒng)所采用的平行雙簧片懸臂梁的彈簧片厚度為100～200 μm，易受到溫度、濕度、振動(dòng)等外界環(huán)境因素影響，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性造成不利影響;后續(xù)研究需要研制功效持久穩(wěn)定且不受外界因素干擾的平行雙簧片懸臂梁。

學(xué)者研制出的附著力測(cè)試系統(tǒng)量程為0～3 N，精度為1 mN，基于LabWindows/CVI編寫的數(shù)據(jù)采集程序能夠?qū)崟r(shí)顯示附著力的變化;該測(cè)試系統(tǒng)可準(zhǔn)確獲取蝗蟲在不同材料與傾斜角度捕集滑板的附著力，可為昆蟲附著系統(tǒng)與材料表面交互作用的定量表征提供可供選擇的測(cè)試手段[32-34]。后續(xù)需對(duì)該測(cè)力系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，研制出拉壓式微力測(cè)試系統(tǒng)，可滿足致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲捕集滑板仿生研制過程中需要測(cè)試?yán)ハx在材料表面的附著力、摩擦力和剪切力、斷裂力的需求[35];利用該拉壓式微力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試蝗蟲爪尖的剪切力，結(jié)果為197.4～243.6 mN[36-37]。該測(cè)力系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確獲取仿生原型在材料表面產(chǎn)生的附著力與摩擦力，還可準(zhǔn)確表征仿生原型本身的剪切力與斷裂力，為仿生原型運(yùn)動(dòng)特性與材料特性的精確表征提供了必要的技術(shù)手段。

AZUMA等[38-39]利用自行研制的三維力傳感器測(cè)試果蠅運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的飛行力，果蠅身體質(zhì)量為1 mg且身體長(zhǎng)度為3 mm，翅膀的撲動(dòng)頻率為200 Hz，通過固化膠將探針與果蠅背部進(jìn)行黏合，懸臂探針發(fā)生形變時(shí)會(huì)使得壓敏電阻阻值發(fā)生變化，利用探針產(chǎn)生的形變量與彈性系數(shù)相乘進(jìn)行微力測(cè)量，測(cè)力數(shù)值會(huì)隨著果蠅翅膀拍打頻率實(shí)時(shí)變化，測(cè)試發(fā)現(xiàn)果蠅飛行力的最大值為40 μN(yùn)。該測(cè)力系統(tǒng)可為研究飛行昆蟲運(yùn)動(dòng)功能提供必要的測(cè)力設(shè)備，能夠?yàn)樾⌒惋w行機(jī)器人仿生研制提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù);后續(xù)工作應(yīng)研制無(wú)干擾狀態(tài)下飛行昆蟲運(yùn)動(dòng)功能定量表征的測(cè)力設(shè)備，以獲取更加切合實(shí)際的數(shù)據(jù)信息。

2.2 離心運(yùn)動(dòng)測(cè)力系統(tǒng)原理與功能

離心式測(cè)力系統(tǒng)的研制主要基于離心原理設(shè)計(jì)，測(cè)試對(duì)象被放置在測(cè)試平臺(tái)表面，測(cè)試對(duì)象與測(cè)試平臺(tái)表面產(chǎn)生的附著力為其提供離心運(yùn)動(dòng)所需要的離心力，電機(jī)轉(zhuǎn)速不斷增大，測(cè)試平臺(tái)轉(zhuǎn)速增加，測(cè)試對(duì)象與測(cè)試平臺(tái)間產(chǎn)生的附著力不足以維持離心運(yùn)動(dòng)所需要的離心力，導(dǎo)致測(cè)試對(duì)象脫離測(cè)試平臺(tái)，測(cè)試對(duì)象與測(cè)試平臺(tái)發(fā)生脫離時(shí)的離心力即為測(cè)試對(duì)象的最大附著力。

LABONTE等[40]和FEDERLE等[41]利用離心原理測(cè)試?yán)ハx在材料表面產(chǎn)生的附著力，根據(jù)高幀數(shù)攝像機(jī)在臨界脫離時(shí)刻采集到的圖像即可獲取離心運(yùn)動(dòng)半徑信息，結(jié)合該時(shí)刻的離心運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速與測(cè)試對(duì)象質(zhì)量，便可計(jì)算獲取最大附著力。后續(xù)有學(xué)者對(duì)上述離心測(cè)力運(yùn)動(dòng)裝置進(jìn)行優(yōu)化，研制出可調(diào)整測(cè)試平臺(tái)角度的離心運(yùn)動(dòng)測(cè)力系統(tǒng)，結(jié)果顯示當(dāng)測(cè)試平臺(tái)傾斜角度為90°時(shí)，螞蟻在垂直玻璃表面上的脫離轉(zhuǎn)速為305 r/min，垂直方向的最大附著力為1.02 mN[42-43]。學(xué)者持續(xù)優(yōu)化基于離心原理的測(cè)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使其運(yùn)行更加平穩(wěn)并可顯著提高測(cè)試精度（0.1 mN），可用于精確表征螞蟻、甲蟲和飛蛾等仿生原型在不同材料表面的運(yùn)動(dòng)特性[44]。該類測(cè)力儀器可定量表征體型較小昆蟲的運(yùn)動(dòng)功能，獲取的運(yùn)動(dòng)特征信息能夠揭示仿生原型與接觸表面的相互作用機(jī)制;后續(xù)研究應(yīng)關(guān)注轉(zhuǎn)速信息采集精度與高速攝像機(jī)圖像清晰度，以提高吸附力信息的精確度。

2.3 圖像處理測(cè)力系統(tǒng)原理與功能

圖像處理技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的圖像處理功能將高速攝像機(jī)所拍攝的圖像進(jìn)行分析處理以獲取微小變形量，據(jù)此計(jì)算出測(cè)試對(duì)象與材料表面、液態(tài)環(huán)境等所產(chǎn)生的微-納級(jí)運(yùn)動(dòng)力。清華大學(xué)田煜團(tuán)隊(duì)[45-47]利用陰影提取法觀測(cè)水黽腿部與水面接觸產(chǎn)生的陰影面積來(lái)計(jì)算獲取運(yùn)動(dòng)支撐力，根據(jù)水黽在水面上劃行產(chǎn)生的陰影，通過阿基米德原理對(duì)水黽腿部進(jìn)行三維模型重建并計(jì)算獲取所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)支撐力;結(jié)果表明水黽運(yùn)動(dòng)支撐力受水面凹陷深度、寬度和長(zhǎng)度影響，最大水面凹陷深度與運(yùn)動(dòng)支撐力不成正比，水黽腿部產(chǎn)生的水渦深度為0.02～0.09 mm，支撐力為0.3～1.0 μN(yùn)，這為揭示水黽腿部運(yùn)動(dòng)支撐力的大小并為研制出功能優(yōu)異的仿生水黽機(jī)器人提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。后續(xù)該團(tuán)隊(duì)利用陰影提取法觀測(cè)水黽腿部的運(yùn)動(dòng)陰影圖像（見圖4），測(cè)試裝置的正上方放置點(diǎn)光源，通過照射水黽體表而在水面底部產(chǎn)生陰影區(qū)域，照相機(jī)放置于水容器正下方可拍攝獲取水黽在水面站立時(shí)產(chǎn)生的陰影面積，通過對(duì)所拍攝的陰影圖像進(jìn)行分析，計(jì)算獲取運(yùn)動(dòng)支撐力;結(jié)合水黽運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)和運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)其腿部功能特性與運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行研究，結(jié)果表明水黽前肢和后肢支撐身體重量以起到穩(wěn)定作用，后腿可調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向和行進(jìn)速度，這為研制可在水面行走并具備高推進(jìn)效率的微型水面機(jī)器人提供了理論支持[48]。基于圖像處理技術(shù)進(jìn)行昆蟲運(yùn)動(dòng)支撐力測(cè)試需要采集大量高清圖片并提取微位移數(shù)據(jù)信息，高速攝像機(jī)在幀數(shù)、像素等方面的選擇至關(guān)重要，后續(xù)研究應(yīng)考慮如何從圖像中更加精確地提取微位移信息，以提高測(cè)力系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

ZHANG等[49]搭建摩擦力測(cè)試裝置用來(lái)定量分析豬籠草葉籠滑移區(qū)的減摩效應(yīng)，將蟋蟀前腿與測(cè)試材料表面接觸并施加法向力，使兩者間產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)以使懸臂梁產(chǎn)生撓度，用來(lái)間接獲取摩擦力，結(jié)果顯示昆蟲因其體重不同而在滑移區(qū)產(chǎn)生的減摩效果也不同，滑移區(qū)因月骨體產(chǎn)生的各向異性能夠顯著影響測(cè)試對(duì)象的摩擦行為。遼寧工業(yè)大學(xué)孔祥清團(tuán)隊(duì)[50]研制精度可達(dá)0.1 μN(yùn)的新型微力測(cè)試裝置，量程為2 000 μN(yùn)，該測(cè)力裝置具有較高的測(cè)試精度，可為水生昆蟲腿部運(yùn)動(dòng)支撐力測(cè)試系統(tǒng)研制提供技術(shù)參考，并可推動(dòng)仿生水面機(jī)器人的研制。運(yùn)用高幀數(shù)攝像機(jī)獲取仿生原型運(yùn)動(dòng)視頻并轉(zhuǎn)換成圖像，再基于圖像處理技術(shù)分析圖像計(jì)算獲取腿部結(jié)構(gòu)在水面的浮力，具有測(cè)試精度高、易于操作等特點(diǎn)。

3 研究與展望

生物在經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)年的自然進(jìn)化后逐漸形成了適應(yīng)棲息環(huán)境的生存能力，以水黽、蝗蟲、蚊子、壁虎等動(dòng)物為仿生原型進(jìn)行支撐力、附著力、跳躍力、刺穿力、爬行力等運(yùn)動(dòng)特性與材料特性研究，可定量表征仿生原型的功能機(jī)制，形成明確的仿生原理，為解決復(fù)雜工程問題提供理論基礎(chǔ)。本文從自然界生物所擁有的優(yōu)異功能特性入手，綜述了用于仿生原型運(yùn)動(dòng)特性與材料特性定量表征的測(cè)力技術(shù)研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析了傳感器測(cè)力系統(tǒng)、離心運(yùn)動(dòng)測(cè)力系統(tǒng)、圖像處理測(cè)力系統(tǒng)的原理與功能。

仿生原型測(cè)力技術(shù)目前存在的問題與后續(xù)研究需要重點(diǎn)關(guān)注的方面主要有以下4點(diǎn)。

1）測(cè)力傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性低與仿生原型運(yùn)動(dòng)空間小 測(cè)力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是準(zhǔn)確測(cè)試?yán)ハx運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征的關(guān)鍵，材料屬性、制備工藝等會(huì)對(duì)測(cè)力傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而影響測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。未來(lái)研究應(yīng)優(yōu)化測(cè)力傳感器的制備工藝，提升傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，以精確表征仿生原型的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性。昆蟲運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性測(cè)試過程中，運(yùn)動(dòng)空間小會(huì)影響昆蟲的生理活性，導(dǎo)致無(wú)法準(zhǔn)確獲取昆蟲正常狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特征信息，因此應(yīng)增大測(cè)力系統(tǒng)的測(cè)試平臺(tái)，以獲取更加切合真實(shí)狀況的昆蟲運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性信息。

2）基于離心運(yùn)動(dòng)測(cè)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信息獲取精度低 小型昆蟲附著力的準(zhǔn)確測(cè)試依賴于離心運(yùn)動(dòng)測(cè)力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信息的精確獲取，應(yīng)保證轉(zhuǎn)速信息的采集精度，提高對(duì)微小仿生原型附著系統(tǒng)與材料表面交互作用的定量表征準(zhǔn)確性。

3）基于圖像處理測(cè)力系統(tǒng)的圖像采集清晰度低 高速攝像機(jī)所采集圖像的清晰度會(huì)對(duì)測(cè)力準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，應(yīng)選擇幀數(shù)和像素相匹配的高速攝像機(jī)來(lái)獲取像素較高的圖像，并對(duì)圖像進(jìn)行后期處理，以提高微位移信息的提取準(zhǔn)確度，獲取更加精確的昆蟲運(yùn)動(dòng)力學(xué)信息。

4）無(wú)干擾狀態(tài)下仿生原型接觸反力測(cè)試系統(tǒng)研制不足 仿生原型（甲蟲、蒼蠅等飛行昆蟲）運(yùn)動(dòng)特性的定量表征需要獲取其在無(wú)干擾狀態(tài)下的接觸反力測(cè)試數(shù)據(jù)，這需要研制測(cè)試過程無(wú)干擾的昆蟲接觸反力測(cè)試系統(tǒng)，滿足測(cè)試過程無(wú)干擾，精確獲取仿生原型起飛/降落過程中的運(yùn)動(dòng)力學(xué)特性，為微型飛行器仿生研制提供原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

生物在經(jīng)歷數(shù)百萬(wàn)年的自然進(jìn)化后逐漸形成了適應(yīng)棲息環(huán)境的生存能力，以水黽、蝗蟲、蚊子、壁虎等動(dòng)物為仿生原型進(jìn)行支撐力、附著力、跳躍力、刺穿力、爬行力等運(yùn)動(dòng)特性與材料特性研究，可定量表征仿生原型的功能機(jī)制，形成明確的仿生原理，為解決復(fù)雜工程問題提供理論基礎(chǔ)。后續(xù)研究過程中，傳感器測(cè)力系統(tǒng)應(yīng)提升傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，降低外部環(huán)境因素的干擾，以精確表征無(wú)干擾狀態(tài)下仿生原型的運(yùn)動(dòng)特性與材料特性;離心運(yùn)動(dòng)測(cè)力系統(tǒng)應(yīng)關(guān)注轉(zhuǎn)速信息采集精度與高速攝像機(jī)圖像清晰度，提高對(duì)微小仿生原型附著系統(tǒng)與材料表面交互作用的定量表征準(zhǔn)確性;圖像處理測(cè)力系統(tǒng)應(yīng)考慮如何從圖像中更加精確地分析提取微位移信息，提高測(cè)力系統(tǒng)的測(cè)試精度。

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