鞭毛電機的運行機理和特性研究.pdf

1、分子電機是一種特殊的蛋白質大分子，廣泛存在于肌肉纖維和細胞組織中。生命體內的一切活動，從肌肉收縮、細胞內部的運輸、遺傳物質的復制，一直到細胞的分裂等等，都是源于具有分子功能的分子電機。鞭毛電機(BacterialFlagellarMotor，簡稱BFM)是生物界中最早發(fā)現(xiàn)的分子旋轉電機。由于其體積大，易人工操作，因而可作為研究分子旋轉電機的理想模型，得到了較為充分的研究。人們提出了各種各樣的模型來解釋其力矩產生過程，對認識細胞運動機制及

2、生物能量轉化機制有重要的意義。 首先，本文論述了鞭毛電機的結構組成和各部分的功能，闡述了其轉速測量、生物能學以及旋轉動力學。簡單的介紹了Na+驅動的鞭毛電機并對目前鞭毛電機的研究進展作了分析和展望。 其次，本文基于超聲波電機模型研究了鞭毛電機的運行機理。詳細分析了鞭毛電機的力矩產生機制，即H+的跨膜運動帶動定子在超聲波頻域內的振動，通過定子和轉子之間的摩擦作用和彈性形變產生轉矩，將振動能轉化為機械能。利用工程振動學，對鞭

3、毛電機定子的振動特性作了詳細的分析，計算出離子通道的振動頻率，并對振子的振動方程作了解析。通過對宏觀的超聲波電機的研究，仿真得出了鞭毛電機轉速—轉矩關系曲線，并基于仿真結果利用旋轉動力學對輸入功率、輸出功率進行計算，得出了機械效率，結果表明鞭毛電機是一種效率較高的微電機。 最后，本文還基于定子—轉子之間的靜電作用模型，利用電磁場和細胞運動學的知識研究了鞭毛電機的方向轉換機制，并詳細分析了鞭毛電機的力矩產生機理，得出了鞭毛電機的轉