设为首页  |  加入收藏
 
   
 
 
 
 
  经典案例
当前位置: 首页>>创新教育>>大学生创新创业训练计划项目>>经典案例>>正文
 
昆虫生物力学及生物材料结构的奥秘
2012-03-03 16:22  

昆虫生物力学及生物材料结构的奥秘

案例摘要

成员 邵祝涛 运载与力学学部 0502班 工程力学专业

张 皓 运载与力学学部 0501班 工程力学专业

徐小明 运载与力学学部 0502班 工程力学专业

指导教师 吴承伟 运载与力学学部 教授

通过研究蚊子口针的微观结构以及蚊子吸血的全过程,根据仿生学原理和力学的计算规律,设计制造了一款新型医用刀。这种医用刀具备振动机构和锯齿状结构两大特点。通过数次可靠的实验,验证该结构的优越性,并对其进行进一步的优化设计,而其基本原理可以在其它相关领域进行应用。

一、 项目的选题背景

蚊子是人类的害虫,医学家们主要集中于研究蚊子对人类带来的危害和疾病传播以及预防措施,生物学家们主要研究蚊子的生理结构、习性、繁衍与生活规律等,直到近些年对于蚊子口针进入皮肤的过程才有深入的研究。

蚊子口针无论从材料的力学性能或者吸血功能等方面都有令人惊奇的特殊性能和功能。蚊子口针是由针状的一个上唇、一个喉咽道、一对上颚和一对下颚粘附在一起所组成的微管状结构,它又被包入一条有沟槽的下唇中而构成整个口器(图1)。

上唇

下颚

下唇

唾液管

喉咽道

上额

下额颚

上额

上唇

下唇开口处

气管

神经

下唇

图1 蚊子头部及口器的结构组成示意图

蚊子口器可以看成是由双层微米尺度的生物管组成的,口针形成了内层吸管用于进食,下唇本身形成一个外层开口管,主要起保护口针的作用。下唇较厚,但弹性极好,当蚊子吸血时下唇并不刺入皮肤,而是弯曲在皮肤外面。上唇的横断面似马蹄铁形,它的缺口处与下颚和侯咽道相吻合从而构成一个食物通道用以吸取血液或其它液体。

蚊子口针刺入皮肤的过程不是简单的直接刺入,而是先用上唇针尖刺入并用下颚上精致的小锯齿将皮肤锯开,然后再逐渐刺入和锯入皮肤深层的。

蚊子上唇端部结构与医用针头形状相似,但微观几何形状和结构比医用针头受力更为合理,端部在轴向上有明显的加筋结构。尖端部位很尖,曲率半径约为100-200nm,远小于常规金属材料的晶粒尺寸,同时蚊子口针的吸管内壁有高超的自清洁功能。

图2 蚊子吸血全过程模拟图

真实的医用刀刀片只是在刀片形状上做了改变,没有做出实质性的改变。如图4所示,目前并没有锯齿状刀,特别是振动刀的相关研究,而这种类型的刀恰恰有着值得应用的优良特性。

对于微针研究方面,虽已有国外学者进行过相关的研究,但大都集中于增强材料的强度方面,很少有涉及在减小力的途径上入手。而国内的研究几乎是空白。其中日本大阪工业大学和泰尔茂医疗器械公司、美国乔治亚技术学院、新加坡科技研究局等研制出了微型列阵医用注射器,针头长度约1.5mm,外径约60mm—400mm不等,给患者扎针时没有疼痛感,对人体肌肉组织的破坏很小。但是这种针头的致命弱点是容易断裂,目前还不能用于人体,并且针管污染后很难清洗因而只能一次性使用。

经过大自然的优胜劣汰,昆虫的许多组织器官都在不断进化和优化,其结构具有很高的优越性,我们从蚊子口腔结构及蚊子吸血过程中得到启发,运用仿生学原理对目前应用的医用刀进行改进,设计研究并制作了一款新型微纳米振动医用刀,从而在一定程度上改善了现代外科手术的条件。

该医用刀锯齿状刀头体积小,采用低压直流电源使其作微幅纵向振动,使用后可方便替换。整个医用刀与目前广泛应用的类型相比,可控性强,省力并且操作简便,具有很高的应用价值,如若应用到医用微型针、MEMS中的机械控制等领域,都将使其应用拓展到一个新的层次。

二、 项目成员的组成特长分工及成员间相互协调配合的情况

本项目共有成员三人。其中项目负责人邵祝涛,有比较强的组织和沟通能力,负责项目的统筹管理和具体实施过程中的问题处理,整理项目进展过程中的收获和经验,协调组员之间的分工协作和困难问题的带头攻关工作等。成员之一张皓,有很强的动手能力,在具体试验操作过程中,发挥了其优势,同时也主要负责项目所需资料的收集整理。小组成员之二徐小明,思维活跃,在每一次讨论中总能提出新的见解,而且在电脑建模方面也很熟练。我们的指导教师吴承伟教授非常热心、负责,对于我们的研究给予了悉心的指导,每一次与老师的交流都能让我们增长见识,也保证了我们的研究不偏离方向,少走了许多弯路。

正是在各位组员的积极协作、配合和吴老师的耐心指导下,每一个人都按期保质的完成自己的任务,从而保证了项目的顺利进行。

三、 项目的创新点与特色

我们查阅了大量的国内外有关蚊子、生物纳米力学和生物纳米材料的研究资料和文献,在国内外尚没有见到相同的研究。

蚊子是人类的害虫,医学家们主要集中于研究蚊子对人类带来的危害和疾病传播以及预防措施,生物学家们主要研究蚊子的生理结构、习性、繁衍与生活规律等。但是对于蚊子实现口针进入皮肤的过程却没有深入的研究。根据已有资料和实际观测,我们发现蚊子的口针具有特殊纳/微观结构并且是在纵向振动的情况下刺入人体皮肤。蚊子嘴具有尺寸小,振动刺入皮肤省力,材料性能优越等优点,如果对上述优势加以利用,极有可能做出一款可控性强,体积小,省力并且操作简便的微型手术刀。

这种手术刀的创新之处主要体现在以下几个方面:

1、采用锯齿状结构,减小与皮肤等物体的接触面积,减小连带作用;

2、微幅振动方式能有效地减小阻力,省力;

3、近乎自动形成刀口,最大限度地较小了人工操作误差;

3、结构简单,操作方便,刀头易于更换。

四、 项目实施的进展情况及初步取得的创新成果

在项目开展之初,我们确定了项目的总体规划图如下:

预备知识

学习使用电镜

寻找直线驱动装置

观察非生物标本

建模

制作模型

观察生物体征

改进

实验

申请专利

发表论文

发现新生物现象

分析其优越性

结题

提出应用设想

图3 项目总体规划图

经过历时一年的创新性实验计划项目的学习与研究工作,目前已圆满完成了各阶段的即期目标。项目执行期间,通过总结生物现象中的规律,完成了作品——新型微纳米锯齿振动手术刀的设计、制作与实验研究工作,参考了数篇中外文献及著作,顺利进行了可靠性实验方案的设计与实施阶段,其理论分析与实验结果的后期整理工作也已顺利完成。

我们的作品也曾获第七届大连理工大学攀登杯科技竞赛一等奖。目前,作品发明专利的申请工作还在进行中,预估需要近三年时间完成。

五、 项目实施过程中的收获与体会

在参加创新性项目的过程中,我们体会到了科研的酸甜苦辣,会为课题没有进展而着急,也会为取得一些进展而欣喜。一个好的研究成果也许很重要,但是最大的收获还是科研的过程。

项目的初始阶段,我们与老师进行了广泛的交流,了解到了生物力学的相关知识。在老师的指导下,我们学习了生物材料,微纳米生物摩擦学以及扫描电镜的有关知识。例如,我们在查阅资料中了解到很多仿生学知识。科学家从荷叶表面的自清洁功能得到启示研究出了超级疏水材料,从鲨鱼皮等生物表面减阻性能的研究中得到启示研制出了仿生减阻表面,从壁虎脚垫的吸附原理得到启发研究出了高强度吸附材料,从牙齿、骨头和贝壳等材料纳/微观结构和力学行为的研究中发现了这些高强度生物材料的力学原理等,另外,通过扫描电镜的使用,我们对生物力学的了解从感性认识上升到理性认识提供了可能。在整个研究过程中真正使我们开阔了视野,增长了见识!

图4 改进后模型实物图

敏锐的科研意识往往来源于生活,日常的工作、学习、生活中,只有多观察,多思考,多动脑筋,才能发现其中蕴含的科学问题。我们的研究课题从蚊子的口针结构得到灵感,对其进行进一步观察和科学抽象,确定这是一个全新的科学问题并且极有可能在工程中应用。生物学家们主要研究蚊子的生理结构、习性、繁衍与生活规律等,但是对于蚊子实现口针进入皮肤的过程却没有深入的研究。正是已有知识的局限性给了我们更广阔的空间去探索与发现。

作为本科生,学习是我们当前的主要任务,而参与科研实践,高质量的文章是必不可少的,因此选择一个切实可行研究题目就显得尤为重要。在选题的时候,我们与老师进行了广泛的讨论,了解课题的相关内容。生物力学是一个新的领域,有很多等待我们去发现,只有综观全局,才能站得高、看得远。否则,很可能去解决那些当前已经发展得很成熟的领域,或是没有什么研究价值的问题,在错误的道路上越走越远。

科研的道路不是平坦的,常常会遇到许多不可预知的困难。例如,项目进行初期我们为寻找直线驱动装置耗费了大量时间和精力,而成效甚微。后来在老师的指导下,我们改变思路从多个角度寻求方案,终于制作出了成品并试验成功。虽然在一些方面还有待完善。从事科研工作不可避免地遭遇失败,而正是在反复的失败中磨练着意志,培养我们正确对待困难和挫折的态度。

我们也渐渐地感受到:科研不是一项任务,而是一种乐趣!

关闭窗口
 
 
设为首页  |  加入收藏
 

版权所有:实验室与设备管理处