鞭毛細(xì)菌游動(dòng)機(jī)理及其模型研究.pdf

1、自然界生物運(yùn)動(dòng)形式千姿百態(tài)，單細(xì)胞微生物鞭毛細(xì)菌是最簡(jiǎn)單生命體，其在低雷諾數(shù)環(huán)境下特有游動(dòng)形式及機(jī)理研究是極富有挑戰(zhàn)的課題。鞭毛細(xì)菌的研究屬于納米機(jī)器人范疇，是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域中一個(gè)重要前沿分支。仿生鞭毛細(xì)菌游動(dòng)機(jī)器人的研究和開發(fā)不但將在微創(chuàng)手術(shù)、高精確度目標(biāo)藥物投放、DNA基因操作、納米傳感器等微型操作中有廣闊的應(yīng)用前景，而且為低雷諾數(shù)下宏觀機(jī)器人完成檢測(cè)、求援等工作奠定基礎(chǔ)。 關(guān)于鞭毛細(xì)菌，論文主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行了研究：

2、 1．鞭毛細(xì)菌結(jié)構(gòu)及其獨(dú)特運(yùn)動(dòng)方式介紹細(xì)菌鞭毛的三個(gè)組成部分：鞭毛馬達(dá)，鞭毛鉤，鞭毛絲；分析鞭毛與流體相互作用而產(chǎn)生的鞭毛絲成束前行和解束翻轉(zhuǎn)交替作用的游動(dòng)方式、以及鞭毛細(xì)菌在近壁運(yùn)動(dòng)時(shí)的墻效應(yīng)游動(dòng)機(jī)理；探討細(xì)菌鞭毛的幾何形態(tài)與運(yùn)動(dòng)方式的關(guān)系。 2．細(xì)菌鞭毛綁定成束機(jī)理仿真研究以多節(jié)彈簧三菱柱構(gòu)造左旋螺旋的鞭毛模型；在斯托克斯流理論基礎(chǔ)上，引入截止函數(shù)消除斯托克子和旋轉(zhuǎn)子奇點(diǎn)效應(yīng)，將對(duì)鞭毛作用的流場(chǎng)力和力矩分別轉(zhuǎn)化為正則斯

3、托克斯子和正則旋轉(zhuǎn)子，對(duì)鞭毛的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真研究；根據(jù)仿真結(jié)果探討鞭毛驅(qū)動(dòng)力拒、鞭毛絲剛度、正則系數(shù)等參數(shù)與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系。構(gòu)建了用于分析鞭毛之間的流場(chǎng)相互作用對(duì)成束影響的三鞭毛模型。仿真研究為宏觀模型的建立提供了結(jié)構(gòu)參數(shù)選取的依據(jù)。 3．鞭毛細(xì)菌的宏觀仿真機(jī)器人模型根據(jù)流體力學(xué)中的力學(xué)相似性理論，確定了反映鞭毛運(yùn)動(dòng)特性主要影響參數(shù)（包括流體粘性力，鞭毛絲剛度等），并根據(jù)影響參數(shù)確立了宏微模型間的相似基準(zhǔn)數(shù)：雷諾數(shù)（Re）和粘彈比

4、（M）。根據(jù)這兩各基準(zhǔn)數(shù)，確定了宏觀模型中鞭毛絲的仿真機(jī)構(gòu)尺度，基于該尺度確定其他組成部件結(jié)構(gòu)，以此建立了一個(gè)宏觀仿鞭毛游動(dòng)機(jī)器人模型。該模型建立可用來研究鞭毛細(xì)菌的游動(dòng)機(jī)理，并可作為低雷諾數(shù)下工作的宏觀機(jī)器人實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?4．轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析將所提出宏觀模型中繩牽引轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)抽象為三自由度球面并聯(lián)機(jī)構(gòu)（3SPS-1S）,并將其轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)Burmester約束問題以建立機(jī)構(gòu)學(xué)約束方程,采用析配法對(duì)該非線性約束方程組進(jìn)行了求解。