阅读说明：本技术 基于斜拉双层液体芯有机压电材料杆的蚊子听觉实体模型 (Mosquito auditory solid model based on cable-stayed double-layer liquid core organic piezoelectric material rod ) 是由 姜亚妮 王先进 边义祥 郑再象 郭广明 朱林 吴志学 刘冬稔 王昌龙 陈文家 于 2020-10-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于斜拉双层液体芯有机压电材料杆的蚊子听觉系统实体模型,精确模仿蚊子听觉系统的结构和工作机制。本发明的蚊子听觉实体模型,包括以柔性弹性膜(4)密封上部开口的圆盒状刚性底座(3)和下端固定连接在底座(3)底部的中间变直径的弹性杆(2),弹性杆(2)上端穿过柔性弹性膜(4),伸出于刚性底座(3)上表面；该伸出部分纵向分布多层纤毛层,每层纤毛层包括一端与的弹性杆(2)固定连接的周向均布的多根纤毛(5)；还包括一端与中间变直径的弹性杆(2)固定连接,另一端与刚性壳体(3)底部固定连接的周向均布在弹性杆(2)外围的第一至四根液体芯有机压电材料杆(11、12、13、14)。(The invention discloses a mosquito auditory system solid model based on a cable-stayed double-layer liquid core organic piezoelectric material rod, which accurately simulates the structure and the working mechanism of a mosquito auditory system. The invention discloses a mosquito auditory solid model, which comprises a round box-shaped rigid base (3) with an upper opening sealed by a flexible elastic membrane (4) and an elastic rod (2) with the lower end fixedly connected with the bottom of the base (3) and the middle diameter of which is changed, wherein the upper end of the elastic rod (2) penetrates through the flexible elastic membrane (4) and extends out of the upper surface of the rigid base (3); a plurality of fiber wool layers are longitudinally distributed on the extending part, and each fiber wool layer comprises a plurality of fiber wool layers (5) which are uniformly distributed in the circumferential direction and one end of each fiber wool layer is fixedly connected with the elastic rod (2); the piezoelectric ceramic material composite material also comprises first to four liquid core organic piezoelectric material rods (11, 12, 13 and 14) of which one end is fixedly connected with the middle variable-diameter elastic rod (2) and the other end is fixedly connected with the bottom of the rigid shell (3) and circumferentially and uniformly distributed on the periphery of the elastic rod (2).)

基于斜拉双层液体芯有机压电材料杆的蚊子听觉实体模型

技术领域

本发明属于蚊子听觉仿生技术领域，特别是一种基于斜拉双层液体芯有机压电材料杆的蚊子听觉实体模型。

背景技术

蚊子听觉系统，包括一根触角，触角上部四周分布有密集的纤毛，下部包裹在江氏器中。当蚊子周围有气流或声波经过时，纤毛将受到空气阻力作用，推动触角产生弯曲变形。江氏器根据感知的触角根部变形的方向和幅值，判断周围气流或声波的方向和幅值。蚊子利用听觉系统，可以逃避追捕，或进行配偶定位。听觉系统是蚊子重要的感觉器官。由于体积小、结构复杂精细，很难通过现有的技术手段，直接测量蚊子听觉系统的力学响应，或研究其工作机制。而根据真实的蚊子听觉系统结构，用人工材料(或器件)代替相应的生物组织，设计制备蚊子听觉实体模型，可以较真实地观察和测量出蚊子听觉系统的工作机制，并进行各种生物体不方便开展的物理实验，促进了解蚊子的触觉和听觉机理。

目前，蚊子听觉实体模型的结构如中国发明专利“一种多电极含芯压电聚合物放大装置”(申请号：201510753555.8公开日：2016.01.20)所述，一个悬臂梁的一端设置在绝缘材料制成的底座上，另一端自由悬空成为自由端；在悬臂梁除自由端部分的表面涂有一组对称电极，一个作为正极，一个作为负极，该电极与悬臂梁之间绝缘，且该电极与底座不接触；在自由端未涂布的表面上粘贴PVDF纤维，PVDF纤维长度从上到下逐渐变长，沿自由端圆周方向均匀分布。可以实现对微小变形量的精确测量。

上述放大装置中，悬臂梁本身是压电聚合物，利用压电效应，可以感知自身的变形。但是，由于悬臂梁表面只有一组对称电极，只能产生一个传感信号，因此，悬臂梁只能感知自身变形的方向或幅值，不能同时感知变形和幅值。上述放大装置这种结构和工作机制与蚊子听觉系统有很大的不同。在蚊子听觉系统中，听觉杆本身不具有感知能力，其变形由江氏器感知。江氏器中有多个感觉细胞和听觉杆同时接触，以同时感知听觉杆的变形方向和幅值。因此，中国发明专利“一种多电极含芯压电聚合物放大装置”与蚊子听觉系统的结构不同，感知周围气流或声波的工作原理也不相同，其生物力学特性也有很大的区别，不能完全模仿蚊子听觉系统的工作机制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于斜拉双层液体芯有机压电材料杆的蚊子听觉系统实体模型，精确模仿蚊子听觉系统的结构和工作机制。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于斜拉双层液体芯有机压电材料杆的蚊子听觉实体模型，其特征在于：

包括上部开口的圆盒状刚性底座3；

所述刚性底座3的上部开口以柔性弹性膜4密封；

还包括一中间变直径的弹性杆2，所述中间变直径的弹性杆2下端固定连接在底座3底部，其上端穿过所述柔性弹性膜4，伸出于刚性底座3上表面；

所述弹性杆2伸出于刚性底座3上表面的部分纵向分布多层纤毛层，每层纤毛层包括一端与所述中间变直径的弹性杆2固定连接的周向均布的多根纤毛5；

还包括周向均布在弹性杆2外围的第一至四根液体芯有机压电材料杆11、12、13、14；

每根所述斜拉双层液体芯有机压电材料杆11、12、13、14的一端与中间变直径的弹性杆2固定连接，另一端与刚性壳体3底部固定连接。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

能精确模仿蚊子听觉系统，包括结构和功能。在结构上，蚊子杆状触角的根部固定连接在江氏器中，且直接连接着感觉细胞。当有低速气流吹过蚊子触角后，杆状触角产生弯曲变形，拖拉相关的感觉细胞，使蚊子能够感知外部气流的方向和大小。而本发明的实体模型中，用弹性杆模仿蚊子杆状触角，用表面多电极液体芯有机压电材料球体模仿蚊子的感觉细胞，且弹性杆根部直接和表面多电极液体芯有机压电材料球体相连。所以，本发明的实体模型结构和蚊子的听觉系统具有高度相似性。当有低速气流吹过本发明的实体模型时，弹性杆产生弯曲变形，拖拉根部的表面多电极液体芯有机压电材料球体，使之产生变形并输出电荷信号。根据这些电荷信号，可以计算出外部低速气流的方向和大小。因此，本发明的实体模型功能和蚊子的听觉系统具有高度相似性。

综上所述，本发明的实体模型和蚊子的听觉系统，在结构和功能方面都具有高度相似性，可以通过本发明的实体模型，研究蚊子听觉系统的结构、作用机制等方面的内容，并可以进一步研究蚊子的听觉系统工作原理。

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明基于斜拉双层液体芯有机压电材料杆的蚊子听觉实体模型的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1中底座内部结构详图。

图4是图3中斜拉双层液体芯有机压电材料杆的横向截面图。

图5是图3中斜拉双层液体芯有机压电材料杆的纵向截面图。

图中，2中间变直径的弹性杆，3底座，4柔性弹性膜，5纤毛，11、12、13、14第一到四斜拉双层液体芯有机压电材料杆，

内层导电液体101，有机压电材料内圆筒102，外层导电液体103，柔性外圆筒104，105、106柔性弹性堵头，外层电极引线107，内层电极引线108。

具体实施方式

本发明基于斜拉双层液体芯有机压电材料杆的蚊子听觉实体模型，精确模仿蚊子听觉系统的结构和工作机制。

如图1、2所示，其包括上部开口的圆盒状刚性底座3；

所述刚性底座3的上部开口以柔性弹性膜4密封；

还包括一中间变直径的弹性杆2，所述中间变直径的弹性杆2下端固定连接在底座3底部，其上端穿过所述柔性弹性膜4，伸出于刚性底座3上表面；

所述弹性杆2伸出于刚性底座3上表面的部分纵向分布多层纤毛层，每层纤毛层包括一端与所述中间变直径的弹性杆2固定连接的周向均布的多根纤毛5；

还包括周向均布在弹性杆2外围的第一至四根液体芯有机压电材料杆11、12、13、14；

每根所述斜拉双层液体芯有机压电材料杆11、12、13、14的一端与中间变直径的弹性杆2固定连接，另一端与刚性壳体3底部固定连接；

优选地，

所述周向均布于同层的多根纤毛5长度相同。

当周向均布于同层的多根纤毛5长度相同时，整个装置依靠下部的液体芯，感知方向；当周向均布于同层的多根纤毛5长度不同时，纤毛5本身就具有了方向感知能力。

优选地，同层多根纤毛5长度相同，可以简化加工工艺，还能使各向同性，使感知结果更准确。

优选地，所述多层纤毛层纤毛5的长度自下往上依次递减。

多层纤毛层纤毛5的长度自下往上依次递减，成塔形，可以减小体积，增加纤毛的寿命。否则，上层纤毛容易受到伤害。

如图3、4所示，优选地，所述第一斜拉双层液体芯有机压电材料杆11包括有机压电材料内圆筒102、柔性外圆筒104；

所述有机压电材料内圆筒102与柔性外圆筒104之间充满外层导电液体103，所述有机压电材料内圆筒102内充满内层导电液体101。

如图5所示，

所述有机压电材料内圆筒102与柔性外圆筒104两端分别与柔性弹性堵头105、106密闭固定连接。

如图4、5所示，

还包括一端与内层导电液体101电连接的内层电极引线108、一端与外层导电液体103电连接的外层电极引线107。

优选地，

所述外层导电液体103和内层导电液体101为炭黑溶液、金属离子溶液或金属化合物溶液。

当斜拉双层液体芯有机压电材料杆的两端固定时，杆受到外力作用后，产生伸缩变形时，有机压电材料层受到拉伸作用，由于压电效应，在内外导电液体中产生电荷。由电荷的大小，可以感知杆的变形情况，即杆受到的拉力大小。由于圆柱形液体芯有机压电材料杆是柔性杆，只能感知伸长变形。

本发明的工作原理详述如下：

当有低速气流吹过液体芯仿生细胞的蚊子听觉实体模型时，所述纤毛5在流场中受到气流作用，产生弯曲变形，根部产生扭转力和力矩。这些扭转力和力矩作用在所述中间变直径的弹性杆2上，使所述中间变直径的弹性杆2产生弯曲变形。所述中间变直径的弹性杆2由于弯曲变形，拉扯与弯曲变形反方向的斜拉双层液体芯有机压电材料杆，使压电材料杆产生伸长变形，在2个液体电极上产生电荷。根据电荷的大小，可以计算出气流的大小和方向。

具体计算过程：多根圆柱形斜拉双层液体芯有机压电材料杆产生电荷的大小——压电材料杆的伸长量——中间变直径的弹性杆的弯曲变形大小和方向——装置所受到的气流的大小和方向。根据传感电荷的大小可以计算出所述中间变直径的弹性杆2的弯曲变形方向和幅值，进而计算出所述纤毛5的扭转力或力矩的方向和大小，最后计算出气流的大小和方向。

通过所述的实体模型，可以研究蚊子听觉系统的结构、作用机制等方面的内容，并可以进一步研究蚊子的听觉系统工作原理。