模拟流体中真核状态鞭毛运动和纤毛运动的放大推进机构_cropped

模拟流体中真核状态鞭毛运动和纤毛运动的放大推进机构_cropped ()Vol . 24 No . 5 第 24 卷第 5 期 苏 州 大 学 学 报 工 科 版 2004 年 10 月 JO URNAL OF SOOCHOW UNIVERSITY( ENGINEERING SCIENCE ED ITIO N) Oct . 2004 ( ) 文章编号 :1000 - 1999 200405 - 0008 - 03 模拟流体中真核状态鞭毛运动和 Ξ 纤毛运动的放大推进机构 Shunichi KOBA YA SH I , Kozo FU R I HA TA , To moa ki MA SH IMA , Hiro hisa MO R I KA WA ( )Shinshu U niversit y , Ueda , Nagano , 386 - 8567 J apan 0 引言 由于大部分的生物体都具有相对的自发性 、功能性和有效率性 ,模仿生物体动作的机械研究在领域 是非常重要的 。根据这个观点 ,我们研究了一种基于水中微生物动作的微型推进机构 。 作为微型机器人设 计的指导 ,我们提出了一种水中基于真核细胞鞭毛微管主动滑行原理的微型推进机 构 ,并在计算机中进行了模拟 。这个机构是一种新型的人造弯曲水中推进机构 ,并且仿效微管及其弹性变形产生滑行 。这是一个相对较为简单的机构 ,由激励物自己产生推进力 。为了实现这种基于真核细胞鞭毛主 动滑行原理的推进机构 ,我们制作了一个放大的推进机构 , 它由电磁石来模拟微管滑行 。这个机构并不是基于显微加 工 ,并且能够替代螺旋推进新型推进机构 ,特别适用于粘性 流体中 。此外 ,这种机构能够为将来使用的微型机构的设计 提供基本科学数据 。 微生物在水中的运动不仅仅是靠鞭毛运动 ,还有利用纤 毛运动的 。如果身体上长有许多纤毛比如草履虫 ,利用纤毛 运动就会有这样一个优势 :身体可以在原地旋转并且可以利 用很小的空间改变方向 。所以 ,我们利用纤毛运动原理制作 了一个放大的推进机构 ,它的底部安装了一个马达和一个可 变弯曲硬性叶片来实现类似纤毛运动的有效划动和恢复划 动 。可变弯曲硬性叶片是由两片易弯曲的薄片和电磁石组 图 1 两个微管的弯曲机构 成的 。电磁石控制两片易弯曲的薄片间的摩擦 。目前在这 一领域还没有关于可变弯曲硬性叶片在流体推进中的研究 ,可以说这是一种新的机械装置 。 1 基于真核细胞鞭毛微管主动滑行原理的推进机构 在真核状态的鞭毛 ,分布有九对外部微管和位于中心的单独微管 。动力蛋白位于微管的旁边 ,能够驱动 相邻微管的运动 。鞭毛中有固定的区域来抵抗主动滑行和被动弯曲的产生 。在主动滑行过程中 ,微管弯曲 分为 3 部分结构 ,如图 1 所示 ,波的传播由每个区域的鞭毛顶端的运动产生 。 Ξ 收稿日期 :2004 - 08 - 03 ( ) 基金项目 :本研究得到了造船和海洋研究组织的支持 ,得到了日本社会科学促进项目的资助 13450096 ,16560224,得到了教育 、文化 、 运动 、科学和技术部门的 21 世纪 CEO 项目的资助 。 大约为 530,620 mm 。 ( ) λ图 3 示了在一个弯曲循环周期中推进机构形状的变化 机构中心线形状的变化。A = 42 mm 和 360 mm 的波从头到尾连续传播 。图 4 表示推力的变化 ,表示 X 轴方向上在一个弯曲周期推进机构的推 是循环 。一般来说 ,推力在一个弯曲周期中变化两次 。这是因为机械在前半周期和后半周期的形状是关 X 轴方向对称的 。图 4 表示 0?,180中负? X 轴方向的推动力 。可以看到 ,水的反作用力在 0和? 180是最? 的 ,并且电磁石的间歇滑动引起的机构变化减小了推力 。 () ( ) a照片 b弯曲机构 图 2 利用电磁石带动两个微管实现弯曲的推进装置的弯曲结构图和照片 () 图 3 水中推进机构的形状变化 只表示中心线。 4 当推进力为周期变化时 , 图 沿 X 轴方向的推进力 F的变化时间间隔为 1/ 25 个周期X 2 基于纤毛运动原理的推进机构 图 5 为可变弯曲硬性叶片的结构说明图 。叶片由两个可弯曲的聚丙烯薄片 、三组电磁石和钢制圆盘 成 。三个电磁石与一个薄片相连 ,三个钢制圆盘与另一个薄片相连 。这个叶片与直流补助电动机联动轴 () 连 。叶片的长度和深度分别为 100 mm 和 40 mm 。如图 5 a所示 ,可以通过控制两个可弯曲薄片的滑动摩 力来改变叶片的弯曲硬度 ,具体如下 : ()() 低弯曲硬度 :由于缺少电磁力 ,两个薄片自由滑动 。叶片的弯曲由水的拉力引起 。图 5 a? ()() 高弯曲硬度 :两个薄片被电磁力固定 ,并且两个薄片间无相对移动 。叶片几乎是直的 。图 5 a? 在实验中 ,最大摇摆角度为 60。?我们测量了叶片侧面的力作为 X 轴方向的推动力 。 () 图 6 表示叶片的形状变化 叶片的中心线形状变化 ,按照片绘制的和一个运动周期中 X 轴方向的推 力的变化 。下面介绍以下在三种电磁石激励方式下弯曲硬度对叶片形状和推动力的作用 。 ( ) ( ) A 类在运动周期的前半段激励 0,?180?,后半段不激励 180,?360?。B 类在整个循环运动中都不 励 。C 类在整个循环运动中都激励 。 () ( ) a照片 b结构 图 5 在水中可变弯曲硬度叶片的结构和照片 A 类叶片的形状类似于纤毛运动 。在运动周期的前半段 ,叶片是直的 ,起到有效划动的作用 ; 在运动周 期的另一半 ,叶片由于水的拉力而弯曲起到恢复划动的作用 。有效划动时的推力比恢复时的推力要大 。B 类叶片在整个运动周期中都是被弯曲的 。前半段周期有效划动时的推力比 A 和 C 类要小 ,后半段周期的推 动力与 A 类的相同 。C 类叶片在整个运动周期中都不弯曲 。后半段周期的推动力比 A 和 B 类的大 。在一 - 3 - 3 - 3 个运动周期中 ,A 、B 、C 类的平均推力 F分别为 1615 ×10 N ,71010 N 和 51910 N ,在一个运动周期中 xave Δ( ) 推力差 F= F- F分别为 0118 N , 0112 N 和 0125 N 。因此 ,可以看出激励具有高的平均推动力 x xmax xmin 和低的驱动力差 。 () 图 6 叶片形状的变化 中心线形状 ,从照片中描出和当推进力具周期性时 ,在一个运动周期 X 轴方向下的推动力 F变化 X 3 总结 对于基于真核鞭毛运动的推进机构 ,在水中产生前进的波浪和推动力 。对于基于纤毛运动的推力机构 , 弯曲硬度叶片实现了纤毛运动的有效划动和恢复划动 。 参 考 文 献 1 Ko bayashi , S1 , Takizawa , O1 , Mo rikawa , H1Simulatio n St udy of Elastic Microp rop ulsio n Mechanism Mo deled o n Sliding Mechanism of Micro2 ( ) t ubules in Flagella in Liquid1 J S M E I nt 1 J 1 , S eries C ,2000 ,43 4:845 - 8521 Murase , M1 The dynamics of cellular motilit y1Jo hn Wiley & So ns , Chichester New Yo r k Brisbane To ro nto Singapo re ,1992 :89 - 1341 2