答辯博士：李龍海

指導教師：郭策教授/博導

論文題目：長足大竹象頭管-口器結構形态功能解析及其仿生研究

答辯委員會：

主席：陳南     教授/博導   東南大學

委員：陳南     教授/博導   東南大學

李普     教授/博導   東南大學

洪榮晶   教授/博導   南京工業大學

田宗軍   教授/博導   ag真人百家家乐平台

嶽林     教授/博導    ag真人百家家乐平台

秘書：陳光明   講師/碩導   ag真人百家家乐平台

答辯時間：2019年12月18日16：00

地    點：南航明故宮校區12-517

學位論文簡介：

本課題以航空航天和深空探測領域對輕質、高強、耐沖擊的輕質結構和複合材料的需求為背景，以長足大竹象為研究對象，以生物結構形态學、力學及其功能為主線，以解釋生物作用機理及仿生應用為目的，對長足大竹象頭管-口器的微/宏觀結構形态-功能關系，力學特性，生物結構工作機理及相關運動學進行深入研究。并且采用仿生學原理，從多學科交叉的角度，在生物輕質結構幾何構形方面獲得設計理念和啟示，提出新型仿生輕質結構模闆，設計仿生變密度輕質結構，并利用一體化成型技術，從新型輕質結構的設計和制備方面開展綜合性的研究。主要研究成果如下：

論文完成的主要工作及取得的成果如下：

(1)通過使用掃描電鏡、體視顯微鏡和超景深顯微鏡研究了長足大竹象的宏觀形态學和超微形态學，為後續的形态-力學-功能之間的關聯特性及仿生設計提供了基礎。

(2)使用能譜儀分析了長足大竹象的頭管、口器的成分組成，并且使用納米壓痕儀測試了其納米力學性能，得到其彈性模量和硬度等信息，并且與其他象甲科昆蟲做了對比分析。最後，文中設計了專用夾具研究了頭管、口器的力學性能，求得其比剛度、比強度等信息，結果表明頭管是中空型輕質高強複合材料，具有優異的力學特性。

(3)提出非局部均值濾波算法(NLM)、基于積分圖像的快速非局部均值濾波算法(INLM)和相似系數為高斯餘弦型的改進NLM算法來改善圖像質量。另外，在對比分析5種經典的邊緣檢測方法的基礎之上，提出一種基于B樣條小波的多尺度邊緣檢測算法，解決了傳統算法定位精度不高，僞邊緣等問題，成功提取了生物結構的邊緣特征曲線。

(4)采用多種函數，依據最小二乘原理對生物結構特征曲線進行拟合，并對生物結構做特征量化分析研究。進一步利用Nano Indenter G200對竹象蟲前爪和刺爪進行納米壓痕試驗，并利用威布爾分布建立前爪和刺爪的彈性模量和硬度模型，并建立鈎爪的數學模型，分析長足大竹象的抓附機制，為鈎爪式太空采樣裝置提供理論依據。

(5)長足大竹象頭管三維重構，并對頭管做靜力學分析，得到其力學規律和應力分布。最後，開展基于Hypermesh和LS-DYNA的聯合打洞分析仿真，并且提出比能耗模型，揭示其打洞規律，為課題組今後鈎爪式采樣裝置的設計提供理論依據。

(6)根據仿生原理，設計了變密度輕質結構。并且利用仿真和實驗測試，揭示其力學規律和緩沖吸能特性。進一步利用響應面優化方法，對仿生結構進行優化，獲得最優解。研究工作為仿生鑽杆結構的研發奠定了基礎。

主要創新點如下：

(1)系統地研究了長足大竹象各部位的宏觀形态和超微形态，并且對頭管-口器的成分、納米力學和宏觀力學特性進行了深入分析與研究。提出改進的非局部均值濾波算法和B樣條小波的多尺度邊緣檢測算法提取出生物結構邊緣特征，開展生物結構的特征量化分析，并對結構-力學-功能做了深入的分析研究，為仿生輕質結構設計奠定了形态學基礎。

(2)揭示頭管-口器的運動機理，并且提出長足大竹象鈎爪的球面模型，分析其抓附機理，揭示長足大竹象的打洞機制。

(3)首次利用Micro-CT技術獲得長足大竹象的生物結構信息，并對其頭管-口器做靜力學和運動學分析，揭示其打洞規律，為仿生采樣機構的研制提供了重要的生物學依據。

(4)根據竹象蟲頭管的生物結構，基于仿生原理設計出多種變密度仿生輕質結構，并揭示其力學性能和緩沖吸能特性，為仿生輕質結構的研發提供了新的思路。