鞭毛細菌游動機理及其模型研究.pdf

1、自然界生物運動形式千姿百態(tài)，單細胞微生物鞭毛細菌是最簡單生命體，其在低雷諾數(shù)環(huán)境下特有游動形式及機理研究是極富有挑戰(zhàn)的課題。鞭毛細菌的研究屬于納米機器人范疇，是當前機器人領(lǐng)域中一個重要前沿分支。仿生鞭毛細菌游動機器人的研究和開發(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用前景，而且為低雷諾數(shù)下宏觀機器人完成檢測、求援等工作奠定基礎(chǔ)。 關(guān)于鞭毛細菌，論文主要在以下幾個方面進行了研究：

2、 1．鞭毛細菌結(jié)構(gòu)及其獨特運動方式介紹細菌鞭毛的三個組成部分：鞭毛馬達，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)交替作用的游動方式、以及鞭毛細菌在近壁運動時的墻效應游動機理；探討細菌鞭毛的幾何形態(tài)與運動方式的關(guān)系。 2．細菌鞭毛綁定成束機理仿真研究以多節(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)子奇點效應，將對鞭毛作用的流場力和力矩分別轉(zhuǎn)化為正則斯

3、托克斯子和正則旋轉(zhuǎn)子，對鞭毛的運動進行仿真研究；根據(jù)仿真結(jié)果探討鞭毛驅(qū)動力拒、鞭毛絲剛度、正則系數(shù)等參數(shù)與運動之間的關(guān)系。構(gòu)建了用于分析鞭毛之間的流場相互作用對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．鞭毛細菌的宏觀仿真機器人模型根據(jù)流體力學中的力學相似性理論，確定了反映鞭毛運動特性主要影響參數(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數(shù)：雷諾數(shù)（Re）和粘彈比

4、（M）。根據(jù)這兩各基準數(shù)，確定了宏觀模型中鞭毛絲的仿真機構(gòu)尺度，基于該尺度確定其他組成部件結(jié)構(gòu)，以此建立了一個宏觀仿鞭毛游動機器人模型。該模型建立可用來研究鞭毛細菌的游動機理，并可作為低雷諾數(shù)下工作的宏觀機器人實驗模型。 4．轉(zhuǎn)向機構(gòu)正逆運動學分析將所提出宏觀模型中繩牽引轉(zhuǎn)向機構(gòu)抽象為三自由度球面并聯(lián)機構(gòu)（3SPS-1S）,并將其轉(zhuǎn)化為瞬時Burmester約束問題以建立機構(gòu)學約束方程,采用析配法對該非線性約束方程組進行了求解。