仿生原型毫-微牛級力測試技術(shù)研究進(jìn)展

閆征 王立新 潘盼

摘 要：許多動物依靠自然進(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-微牛級力測試技術(shù)可為揭示仿生原型運(yùn)動力學(xué)機(jī)制提供必要的測試手段。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)動功能與材料物理特性定量表征的毫-微牛級力測試技術(shù)研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析了傳感器測力系統(tǒng)、離心運(yùn)動測力系統(tǒng)、圖像處理測力系統(tǒng)的原理與功能，指出仿生原型毫-微牛級力測試技術(shù)后續(xù)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下3個(gè)方面：1）傳感器測力系統(tǒng)應(yīng)提升其動態(tài)響應(yīng)特性與測試精度，以精確表征仿生原型的運(yùn)動特性;2）離心運(yùn)動測力系統(tǒng)應(yīng)提升測試平臺轉(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，以提高測力系統(tǒng)的測試精度與準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞：仿生學(xué);仿生原型;毫-微牛級力;運(yùn)動特性;測試技術(shù)

中圖分類號：TB17 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：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，而受到國內(nèi)外眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。大自然數(shù)百萬年的發(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)動功能特性。運(yùn)動是動物繁衍、生殖、捕食的基礎(chǔ)，同時(shí)也是進(jìn)行遷徙活動的必備技能，許多動物依靠自然進(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性解決途徑的意圖，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展對仿生原型運(yùn)動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試手段，極大促進(jìn)了仿生原型毫-微牛級力測試技術(shù)的發(fā)展。本文綜述了仿生原型運(yùn)動功能與材料物理特性定量表征的毫-微牛級力測試技術(shù)研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析傳感器測力系統(tǒng)、離心運(yùn)動測力系統(tǒng)、圖像處理測力系統(tǒng)的原理與功能，指出仿生原型毫-微牛級力測試技術(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

人類借助動植物數(shù)百萬年進(jìn)化而來的奇特身體結(jié)構(gòu)與優(yōu)異功能特性來服務(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、壁虎等動物具有優(yōu)異的運(yùn)動功能，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）），其腿部由微米級剛毛與剛毛表面附著的納米級螺旋溝槽共同構(gòu)成的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠呈現(xiàn)顯著的超疏水潤濕特性，這對其奇特運(yùn)動特性發(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)動力學(xué)研究，通過PVDF壓電傳感器來測量脫離力，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)動特性（見圖1 b）），其彈跳運(yùn)動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、無痛注射針頭仿生樣件刺入人體皮膚過程中的穿刺阻力測試研究[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，測試壁虎在材料表面的運(yùn)動力學(xué)行為，對壁虎運(yùn)動力學(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]利用手動懸臂移動法將二氧化硅微球（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試手段。昆蟲附著系統(tǒng)在材料表面接觸力的測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]測試壁虎在地面、墻面、天花板的運(yùn)動接觸力以揭示單步態(tài)周期內(nèi)大壁虎的運(yùn)動特征，結(jié)果表明，壁虎采用前腳緩沖、后腳加速的運(yùn)動方式使其在短時(shí)間內(nèi)以最少能量損耗來達(dá)到期望的運(yùn)動速度，在天花板運(yùn)動時(shí)其前后腳將產(chǎn)生較大的法向反力來確保自身不會掉落，以此顯著提高自身運(yùn)動的安全性和可控性。仿生原型功能特性的定量表征依賴于性能優(yōu)異的毫-微牛級測力系統(tǒng)，國內(nèi)外眾多學(xué)者對此開展了廣泛研究。

2 仿生原型毫-微牛級力測試技術(shù)

2.1 傳感器測力系統(tǒng)原理與功能

AUTUMN等[21-22]研制出二維微牛級壓阻式傳感器來測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)對測力端靈敏元件進(jìn)行等效替代以降低其研制難度。對壁虎腳掌剛毛黏附功能的深入測試表征顯示，其黏附功能易受空氣濕度影響，黏附力會隨濕度增加而增大，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試黏附力，測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。上述測力設(shè)備僅適用于測試非活體生物，應(yīng)研制適用于測試活體生物足掌剛毛黏附力的測試系統(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測試水黽運(yùn)動接觸力（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，且單位腿長的劃行力為0.3～0.4 mN/cm;數(shù)據(jù)顯示水黽運(yùn)動劃行力與自身體重成正比，水黽還會依靠水面安全裕度來保證身體不陷入水花。該團(tuán)隊(duì)后續(xù)研制出測試壁虎足掌三維接觸力的測試系統(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]。該測力設(shè)備獲取的壁虎運(yùn)動特征數(shù)據(jù)，可加深學(xué)者對壁虎運(yùn)動功能的認(rèn)知，并能推動仿生爬壁機(jī)器人的研制，未來應(yīng)研制適合壁虎遠(yuǎn)距離爬行的測試平臺，以獲取更加符合實(shí)際的運(yùn)動特征信息。

田樹林等[28]研制三維力傳感器測試系統(tǒng)用來測試動物爬壁過程中腳掌與材料表面的接觸力，該測力系統(tǒng)由測力傳感器陣列、信號調(diào)理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、動態(tài)圖像記錄模塊等部分組成，其中測力傳感器為自行研制的H型雙孔平行梁式毫牛級力傳感器，高速攝像機(jī)可獲取爬壁過程中的直觀影像資料;將樹蛙作為測試對象進(jìn)行垂直表面上的運(yùn)動力學(xué)測試，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)者對樹蛙運(yùn)動特性的認(rèn)知，為深入研究動物爬壁過程中運(yùn)動規(guī)律和功能特性提供測試手段，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);未來研究應(yīng)提升測力傳感器的制造工藝，充分考慮測力傳感器的動態(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力系統(tǒng)，選擇T型三維毫牛級力傳感器作為測量元件，以樹蛙為測試對象進(jìn)行爬壁過程的接觸反力測試，結(jié)果顯示樹蛙在高曲率表面運(yùn)動時(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)動時(shí)其前肢起主導(dǎo)作用而后肢起輔助冗余作用。該測試系統(tǒng)用以獲取動物在仿圓柱體表面上爬壁過程的黏附力，但該項(xiàng)測試僅研究動物在基底的局部表面運(yùn)動，不能進(jìn)行其他復(fù)雜表面的黏附力測試，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)動力學(xué)測試，以推動仿爬壁機(jī)器人的研制。SUN等[30]利用PVDF材料研制出新型動態(tài)力傳感器來測定不同提升速度下水黽腿部脫離水面的附著力，測試方法為將體積為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)來觀測水面變形程度，根據(jù)力與提升速度的關(guān)系來分析附著力的影響因素以調(diào)控機(jī)制，測試結(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仿生原型產(chǎn)生的毫-微牛級力測試需求，人們研制出毫-微牛級二維力測試系統(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，可顯示與存儲仿生原型產(chǎn)生的毫-微牛級力;運(yùn)行結(jié)果顯示酸棗樹鉤刺刺入動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試需求[31]。該毫-微牛級二維力測試系統(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、振動等外界環(huán)境因素影響，對測試系統(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試手段[32-34]。后續(xù)需對該測力系統(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試系統(tǒng)測試蝗蟲爪尖的剪切力，結(jié)果為197.4～243.6 mN[36-37]。該測力系統(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試果蠅運(yùn)動產(chǎn)生的飛行力，果蠅身體質(zhì)量為1 mg且身體長度為3 mm，翅膀的撲動頻率為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)行微力測量，測力數(shù)值會隨著果蠅翅膀拍打頻率實(shí)時(shí)變化，測試發(fā)現(xiàn)果蠅飛行力的最大值為40 μN(yùn)。該測力系統(tǒng)可為研究飛行昆蟲運(yùn)動功能提供必要的測力設(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)研制無干擾狀態(tài)下飛行昆蟲運(yùn)動功能定量表征的測力設(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)動測力系統(tǒng)原理與功能

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

LABONTE等[40]和FEDERLE等[41]利用離心原理測試?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)動半徑信息，結(jié)合該時(shí)刻的離心運(yùn)動轉(zhuǎn)速與測試對象質(zhì)量，便可計(jì)算獲取最大附著力。后續(xù)有學(xué)者對上述離心測力運(yùn)動裝置進(jìn)行優(yōu)化，研制出可調(diào)整測試平臺角度的離心運(yùn)動測力系統(tǒng)，結(jié)果顯示當(dāng)測試平臺傾斜角度為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)動特性[44]。該類測力儀器可定量表征體型較小昆蟲的運(yùn)動功能，獲取的運(yùn)動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)算出測試對象與材料表面、液態(tài)環(huán)境等所產(chǎn)生的微-納級運(yùn)動力。清華大學(xué)田煜團(tuán)隊(duì)[45-47]利用陰影提取法觀測水黽腿部與水面接觸產(chǎn)生的陰影面積來計(jì)算獲取運(yùn)動支撐力，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)動支撐力;結(jié)果表明水黽運(yùn)動支撐力受水面凹陷深度、寬度和長度影響，最大水面凹陷深度與運(yùn)動支撐力不成正比，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水黽腿部的運(yùn)動陰影圖像（見圖4），測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，通過對所拍攝的陰影圖像進(jìn)行分析，計(jì)算獲取運(yùn)動支撐力;結(jié)合水黽運(yùn)動數(shù)據(jù)和運(yùn)動軌跡對其腿部功能特性與運(yùn)動機(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]?；趫D像處理技術(shù)進(jìn)行昆蟲運(yùn)動支撐力測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，以提高測力系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

ZHANG等[49]搭建摩擦力測試裝置用來定量分析豬籠草葉籠滑移區(qū)的減摩效應(yīng)，將蟋蟀前腿與測試材料表面接觸并施加法向力，使兩者間產(chǎn)生相對滑動以使懸臂梁產(chǎn)生撓度，用來間接獲取摩擦力，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試對象的摩擦行為。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)的新型微力測試裝置，量程為2 000 μN(yùn)，該測力裝置具有較高的測試精度，可為水生昆蟲腿部運(yùn)動支撐力測試系統(tǒng)研制提供技術(shù)參考，并可推動仿生水面機(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)動特性與材料特性定量表征的測力技術(shù)研究進(jìn)展，重點(diǎn)分析了傳感器測力系統(tǒng)、離心運(yùn)動測力系統(tǒng)、圖像處理測力系統(tǒng)的原理與功能。

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

2）基于離心運(yùn)動測力系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信息獲取精度低 小型昆蟲附著力的準(zhǔn)確測試依賴于離心運(yùn)動測力系統(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對測力準(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)來獲取像素較高的圖像，并對圖像進(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)動力學(xué)信息。

4）無干擾狀態(tài)下仿生原型接觸反力測試系統(tǒng)研制不足 仿生原型（甲蟲、蒼蠅等飛行昆蟲）運(yùn)動特性的定量表征需要獲取其在無干擾狀態(tài)下的接觸反力測試數(shù)據(jù)，這需要研制測試過程無干擾的昆蟲接觸反力測試系統(tǒng)，滿足測試過程無干擾，精確獲取仿生原型起飛/降落過程中的運(yùn)動力學(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，傳感器測力系統(tǒng)應(yīng)提升傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性，降低外部環(huán)境因素的干擾，以精確表征無干擾狀態(tài)下仿生原型的運(yùn)動特性與材料特性;離心運(yùn)動測力系統(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，提高測力系統(tǒng)的測試精度。

參考文獻(xiàn)/References：

[1] 孫久榮，戴振東.仿生學(xué)的現(xiàn)狀和未來[J].生物物理學(xué)報(bào)，2007，23（2）：109-115.

SUN Jiurong，DAI Zhendong.Bionics today and tomorrow[J].Acta Biophysica Sinica，2007，23（2）：109-115.

[2] 梁云虹，任露泉.自然生境及其仿生學(xué)初探[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2016，46（5）：1746-1756.

LIANG Yunhong，REN Luquan.Preliminary study of habitat and its bionics[J].Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition），2016，46（5）：1746-1756.

[3] 羅靜，樊俊兵，王樹濤.納米生物仿生技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國科學(xué)：生命科學(xué)，2020，50（7）：715-733.

LUO Jing，F(xiàn)AN Junbing，WANG Shutao.Research progress of nano-bio-inspired technology[J].Scientia Sinica（Vitae），2020，50（7）：715-733.

[4] BUSH J W M，HU D L.Walking on water：Biolocomotion at the interface[J].Physics Today，2005，38（1）：339-369.

[5] 韓亞倩.基于靜電力的微力傳感器標(biāo)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[D].天津：天津大學(xué)，2017.

HAN Yaqian.Design and Application of the Microforce Sensor Calibration System Based on Electrostatic Force[D].Tianjin：TianjinUniversity，2017.

[6] 王京春，陳禹，李因武.仿生針刺作用下的高粘彈性材料減阻性能分析[J].科技通報(bào)，2017，33（11）：44-46.

WANG Jingchun，CHEN Yu，LI Yinwu.Resistance reduction analysis for high viscoelastic material pierced by bionic-pinhead[J].Bulletin of Science and Technology，2017，33（11）：44-46.

[7] 齊迎春，叢茜，齊欣.仿生減阻針頭穿刺過程中力學(xué)行為分析[J].醫(yī)用生物力學(xué)，2012，27（4）：427-431.

QI Yingchun，CONG Qian，QI Xin.Mechanical behavior of bionic drag reduction needle during puncturing process[J].Journal ofMedical Biomechanics，2012，27（4）：427-431.

[8] 王驥月，叢茜，齊欣，等.基于蟬口針形態(tài)的仿生針頭結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及減阻機(jī)理分析[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2014，44（3）：696-700.

WANG Jiyue，CONG Qian，QI Xin，et al.Optimum structural design and analysis of drag reductionmechanism of bionic needlesinspired by cicada stylet[J].Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2014，44（3）：696-700.

[9] 彎艷玲，叢茜，齊迎春，等.凹槽形仿生針頭減阻試驗(yàn)及機(jī)理分析[J].中國機(jī)械工程，2013，24（7）：922-925.

WAN Yanling，CONG Qian，QI Yingchun，et al.Drag reduction experiment and mechanism analysis of concave groove needle[J].China Mechanical Engineering，2013，24（7）：922-925.

[10]齊迎春，叢茜，王驥月，等.凹槽形仿生針頭優(yōu)化設(shè)計(jì)與減阻機(jī)理分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（15）：126-130.

QI Yingchun，CONG Qian，WANG Jiyue，et al.Optimization design and drag reduction mechanism research on groove shape bionicneedle[J].Journal of Mechanical Engineering，2012，48（15）：126-130.

[11]王周義，王金童，吉愛紅，等.大壁虎在天花板表面的運(yùn)動行為與動力學(xué)研究[J].科學(xué)通報(bào)，2010，55（9）：841-848.

WANG Zhouyi，WANG Jintong，JI Aihong，et al.Gecko′s movement behavior and dynamics research on ceiling surface[J].Chinese Science Bulletin，2010，55（9）：841-848.

[12]趙林林，于敏，戴振東.壁虎腳掌剛毛接觸力學(xué)性能試驗(yàn)研究[J].潤滑與密封，2011，36（7）：40-42.

ZHAO Linlin，YU Min，DAI Zhendong.Experimental studies on contact mechanics of geckos′ foot setae[J].Lubrication Engineering，2011，36（7）：40-42.

[13]吉愛紅，葛承濱，王寰，等.壁虎在不同粗糙度的豎直表面的黏附[J].科學(xué)通報(bào)，2016，61（23）：2578-2586.

JI Aihong，GE Chengbin，WANG Huan，et al.Adhesion of gecko on vertical surfaces with different roughness[J].Chinese Science Bulletin，2016，61（23）：2578-2586.

[14]畢可東，宋小闖，王玉娟，等.豬籠草蠟質(zhì)滑移區(qū)表面反粘附特性的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，51（23）：103-109.

BI Kedong，SONG Xiaochuang，WANG Yujuan，et al.Anti-adhesion mechanisms of nepenthes waxy slippery zone surface[J].Journal of Mechanical Engineering，2015，51（23）：103-109.

[15]王玉娟，宋小闖，陳云飛.豬籠草捕蟲籠超滑表面黏附特性測量和抗黏穩(wěn)定性分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，47（2）：259-264.

WANG Yujuan，SONG Xiaochuang，CHEN Yunfei.Measurement of adhesion properties and analysis of anti-adhension stability onsuper-slippery surfaces of nepenthes pitchers[J].Journal of Southeast University（Natural Science Edition），2017，47（2）：259-264.

[16]王玉娟，宋小闖，楊決寬，等.典型構(gòu)筑植物表面不同濕度條件下黏附和摩擦特性研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，53（21）：86-94.

WANG Yujuan，SONG Xiaochuang，YANG Juekuan，et al.Adhesion and friction properties of plant surfaces with typical architectures in different humidity conditions[J].Journal of Mechanical Engineering，2017，53（21）：86-94.

[17]王立新，周強(qiáng).基于豬籠草葉籠滑移區(qū)仿生的蝗蟲捕集滑板功效測試[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011，42（5）：222-225.

WANG Lixin，ZHOU Qiang.Function testing of locust slippery plate manufactured based on waxy zone of nepenthes pitchers[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2011，42（5）：222-225.

[18]DAI Zhendong，WANG Zhouyi，JI Aihong.Dynamics of gecko locomotion：A force-measuring array to measure 3D reaction forces[J]. The Journal of Experimental Biology，2011，214（5）：703-708.

[19]王周義，顧文華，吳強(qiáng)，等.墻面及天花板上大壁虎腳趾作用力測試和腳掌形態(tài)研究[J].中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)，2011，41（9）：1161-1166.

WANG Zhouyi，GU Wenhua，WU Qiang，et al.Morphology and reaction force of toes of geckos freely moving on ceilings and walls [J].Scientia Sinica Technologica，2011，41（9）：1161-1166.

[20]WANG Zhouyi，WANG Jintong，JI Aihong.Behavior and dynamics of geckos locomotion：The effects of moving directions on avertical surface[J].Chinese Science Bulletin，2011，56（6）：573-583.

[21]AUTUMN K，PEATTIEA M.Mechanisms of adhesion in geckos[J].Integrative & Comparative Biology，2002，42（56）：1081-1090.

[22]AUTUMN K，LIANG Y A，HSIEH S T，et al.Adhesive force of a single gecko foot-hair[J].Nature，2000，405（6787）：681-685.

[23]HUBER G，MANTZ H，SPOLENAK R，et al.Evidence for capillarity contributions to gecko adhesion from single spatula nanomechanical measurements[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2005，102（45）：16293-16296.

[24]SUN Wanxin，NEUZIL P，KUSTANDI T S，et al.The nature of the gecko lizard adhesive force[J].Biophysical Journal，2005，89（2）：14-17.

[25]HUBER G，GORB S N，SPOLENAK R，et al.Resolving the nanoscale adhesion of individual gecko spatulae by atomic force microscopy[J].Biology Letters，2005，1（1）：2-4.

[26]吉愛紅.動物運(yùn)動接觸反力測試系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)與分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

JI Aihong.Animals Surface Reaction Forces：Measuring System，Experiments and Analysis[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2007.

[27]張正杰.壁虎腳掌3維接觸力測試系統(tǒng)研制[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2006.

ZHANG Zhengjie.Development of Measuring System for Insect′ 3-dimensional Ground Reaction Force[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2006.

[28]田樹林，王衛(wèi)英，李偉.動物接觸力測試系統(tǒng)的研制與應(yīng)用[J].測控技術(shù)，2011，30（4）：5-7.

TIAN Shulin，WANG Weiying，LI Wei.Development of measuring system for animal′s surface reaction force[J].Measurement & Control Technology，2011，30（4）：5-7.

[29]JI Aihong，YUAN Shanshan，ENDLEIN T，et al.A force-measuring and behaviour-recording system consisting of 24 individual 3D force plates for the study of single limb forces in climbing animals on a quasi-cylindrical tower[J].Bioinspiration & Biomimetics，2019，14（4）：046004.

[30]SUN Peiyuan，ZHAO Meirong，JIANG Jile，et al.The study of dynamic force acted on water strider leg departing from water surface[J].AIP Advances，2018，8（1）：015228.

[31]李云鵬，王立新，閆世興，等.仿生原型毫-微牛級二維力測試系統(tǒng)研制[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，41（2）：105-113.

LI Yunpeng，WANG Lixin，YAN Shixing，et al.Design of bionic prototype milli-micro Newton level two-dimensional force testsystem[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2020，41（2）：105-113.

[32]王立新，周強(qiáng)，羅瑞龍，等.蝗蟲在滑移捕集滑板上的附著力測試[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（12）：195-198.

WANG Lixin，ZHOU Qiang，LUO Ruilong，et al.Attachment force test of locust on slippery trapping plates[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，41（12）：195-198.

[33]WANG L X，ZHOU Q.Friction force of locust locusta migratoria manilensis （Orthoptera，Locustidae） on slippery zones of pitchers from four nepenthes species[J].Tribology Letters，2011，44（3）：345-353.

[34]WANG Lixin，ZHOU Qiang，XU Shuyan.Role of locust Locusta migratoria manilensis claws and pads in attaching to substrates[J].Science Bulletin，2011，56（8）：789-795.

[35]王立新，李榮廷.基于虛擬儀器Labwindows/CVI的拉壓式微力測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（6）：487-493.

WANG Lixin，LI Rongting.Design of tension & compression micro force measuring system based on virtual instrument Labwindows/CVI[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2013，34（6）：487-493.

[36]王立新，崔彥平，周強(qiáng).災(zāi)害蝗蟲附著系統(tǒng)爪尖的剪切強(qiáng)度測算[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30（17）：71-77.

WANG Lixin，CUI Yanping，ZHOU Qiang.Shear strength calculation of claw tip in attachment system of plague locust Locusta migratoria manilensis[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2014，30（17）：71-77.

[37]王立新，黃風(fēng)山，周強(qiáng).致災(zāi)農(nóng)業(yè)昆蟲捕集滑板表面結(jié)構(gòu)仿生構(gòu)建與性能驗(yàn)證[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31（20）：34-40.

WANG Lixin，HUANG Fengshan，ZHOU Qiang.Surface structure biomimetic design and performance testing of slippery trapping plate used for controlling agricultural insect[J].Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering，2015，31（20）：34-40.

[38]AZUMA K，TAKAHASHI H，KAN T，et al.Triaxial force sensor with strain concentration notch beam for measurement of insect flight force[C]// IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems.Paris：IEEE，2012：140-143.

[39]AZUMA K，TAKAHASHI H，KAN T，et al.Quantitative evaluation of the influence of dopaminergic neuron on flapping locomotion[C]// 2013 IEEE 26th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems （MEMS）.[S.l.]：IEEE，2013：5-8.

[40]LABONTE D，F(xiàn)EDERLE W.Scaling and biomechanics of surface attachment in climbing animals[J].Philosophical Transactions ofthe Royal Society of London，2015，370（1661）：20140027.

[41]FEDERLE W，ROHRSEITZ K，HOLLDOBLER B.Attachment forces of ants measured with a centrifuge：Better ‘wax-runners have a poorer attachment to a smooth surface[J].Journal of Experimental Biology，2000，203（3）：505-512.

[42]周群，何斌，岳繼光.螞蟻的吸附力來源及其分泌液作用[J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39（3）：428-432.

ZHOU Qun，HE Bin，YUE Jiguang.Source of attachment forces of ants and the secretion effect[J].Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics，2007，39（3）：428-432.

[43]周群，何斌，錢明剛，等.昆蟲足墊吸附系統(tǒng)的摩擦力和吸附力實(shí)驗(yàn)分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（2）：143-146.

ZHOU Qun，HE Bin，QIAN Minggang，et al.Analysis on friction and adhesive force of insects pads[J].Journal of University of Shanghai for Science and Technology，2008，30（2）：143-146.

[44]王立新，翟利剛.離心式昆蟲微力測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，35（1）：1-5.

WANG Lixin，ZHAI Ligang.Design of centrifugal insect micro-force measuring system[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（1）：1-5.

[45]ZHENG Yelong，LU Hongyu，YIN Wei，et al.Elegant shadow making tiny force visible for water-walking arthropods and updated archimedes′ principle[J].Langmuir，2016，32（41）：10522-10528.

[46]YIN Wei，ZHENG Yelong，LU Hongyu，et al.Three-dimensional topographies of water surface dimples formed by superhydrophobic water strider legs[J].Applied Physics Letters，2016，109（16）：163701.

[47]ZHENG Yelong，LU Hongyu，JIANG Jile，et al.Walking of spider on water surface studied from its leg shadows[J].Chinese PhysicsB，2018，27（8）：084702.

[48]LU Hongyu，ZHENG Yelong，YIN Wei，et al.Propulsion principles of water striders in sculling forward through shadow method[J].Journal of Bionic Engineering，2018，15（3）：516-525.

[49]ZHANG Pengfei，CHEN Huawei，ZHANG Deyuan.Investigation of the anisotropic morphology-induced effects of the slippery zone in pitchers of nepenthes alata[J].Journal of Bionic Engineering，2015，12（1）：79-87.

[50]吳宏福，孔祥清，曲艷東.一種微小水生昆蟲水面浮力測量裝置的設(shè)計(jì)[J].科技通報(bào)，2017，33（10）：15-19.

WU Hongfu，KONG Xiangqing，QU Yandong.Design of the measuring system for water-supporting force of small aquatic insects[J].Bulletin of Science and Technology，2017，33（10）：15-19.