阅读说明：本技术 基于表面对称电极压电材料柱的蚊子听觉实体模型 (Mosquito auditory solid model based on surface symmetrical electrode piezoelectric material column ) 是由 边义祥 陆施恩 姜亚妮 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表面对称电极压电材料柱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。本发明的蚊子听觉实体模型,包括上部开口以柔性弹性膜(4)密封的圆盒状刚性底座(3)；还包括阶梯结构弹性杆(2),阶梯结构弹性杆(2)下端固定连接在底座(3)底部,其上端穿过柔性弹性膜(4),伸出于刚性底座(3)上表面；阶梯结构弹性杆(2)伸出于刚性底座(3)上表面的部分纵向分布一端与弹性杆(2)固定连接的多层纤毛层,还包括固设于刚性底座(3)盒内底部、周向均匀分布于阶梯结构弹性杆(2)周边,上端与阶梯结构弹性杆(2)接触的第一至四表面对称电极压电材料柱(11、12、13、14)。(The invention discloses a mosquito auditory solid model based on surface symmetrical electrode piezoelectric material columns, which accurately simulates the structure and the working mechanism of a mosquito auditory system. The invention relates to 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); the lower end of the ladder-structured elastic rod (2) is fixedly connected to the bottom of the base (3), and the upper end of the ladder-structured elastic rod (2) penetrates through the flexible elastic membrane (4) and extends out of the upper surface of the rigid base (3); the part of the ladder-structure elastic rod (2) extending out of the upper surface of the rigid base (3) is longitudinally provided with a plurality of layers of fiber wool layers, one end of each fiber wool layer is fixedly connected with the elastic rod (2), and each fiber wool layer also comprises first to fourth surface symmetrical electrode piezoelectric material columns (11, 12, 13 and 14) which are fixedly arranged at the bottom in the rigid base (3) box and circumferentially and uniformly distributed on the periphery of the ladder-structure elastic rod (2) and the upper ends of which are in contact with the ladder-structure elastic rod (2).)

基于表面对称电极压电材料柱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，特别是一种基于表面对称电极压电材料柱的蚊 子听觉实体模型。

背景技术

蚊子听觉系统，包括一根杆状触角，杆状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，推动杆状 触角产生弯曲变形。江氏器根据感知的杆状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表面对称电极压电材料柱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。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于表面对称电极压电材料柱的蚊子听觉实体模型，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；

还包括一下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆2，所述阶梯结构弹性杆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；

所述阶梯结构弹性杆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弹性杆2固定连接的周向均布的多根纤毛5；

还包括固设于所述刚性底座3盒内底部的第一至四表面对称电极压电材料柱11、12、 13、14；

所述第一至四表面对称电极压电材料柱11、12、13、14周向均匀分布于阶梯结构弹性杆2周边，上端与阶梯结构弹性杆2接触。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是本发明基于表面对称电极压电材料柱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中底座的横剖面图。

图4是图1中表面对称电极压电材料柱的横剖面图。

图5是图1中表面对称电极压电材料柱的纵剖面图。

图中，11、12、13、14表面对称电极压电材料柱，2阶梯结构弹性杆，3底座，4柔 性弹性膜，5纤毛，

弯曲刚性金属芯101，压电材料102，第一表面金属薄层103，第二表面金属薄层104， 第一压电材料极化部分105，第二压电材料极化部分106，极化方向107。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明基于表面对称电极压电材料柱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。

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；

还包括一下部直径大、上部直径小的阶梯结构弹性杆2，所述阶梯结构弹性杆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；

所述阶梯结构弹性杆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弹性杆2固定连接的周向均布的多根纤毛5；

还包括固设于所述刚性底座3盒内底部的第一至四表面对称电极压电材料柱11、12、 13、14；

所述第一至四表面对称电极压电材料柱11、12、13、14周向均匀分布于阶梯结构弹性杆2周边，上端与阶梯结构弹性杆2接触。

优选地，

所述周向均布于同层的多根纤毛5长度相同。

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。

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，可使其感知不同强度的气流作用，使更敏感更准确。

如图3所示，优选地，所述第一表面对称电极压电材料柱11包括弯曲刚性金属芯101和上端与所述弯曲刚性金属芯101下端固定连接的圆柱状压电材料102，还包括紧 贴于压电材料102一侧的第一表面金属薄层103和相对另一侧的第二表面金属薄层104；

所述弯曲刚性金属芯101的上端与阶梯结构弹性杆2一侧接触。

所述第一至四表面对称电极压电材料柱11、12、13、14形状、结构相同。

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弹性杆2上，使所述弹性杆2产生弯曲变形。弹性杆2压迫相应侧的第一至四表面对称电 极压电材料杆11、12、13、14中的一个或2个的弯曲金属芯101，使对应的表面对称电 极含金属芯压电材料杆1产生弯曲变形。由于表面对称电极含金属芯压电材料杆1在结 构上完全对称，在产生弯曲变形时，第一压电材料极化部分105产生伸长变形，在第一 表面金属薄层103上产生正电荷。而第二压电材料极化部分106产生收缩变形，在第二 表面金属薄层104上产生同样大小的负电荷。根据第一表面金属薄层103和第二表面金 属薄层104上产生电荷的极性和大小，可以计算出表面对称电极含金属芯压电材料杆1 的弯曲变形方向和大小，进而计算出弹性杆2弯曲变形的方向和大小，进而计算出外部 低速气流和大小。

具体计算过程：2个表面对称电极含金属芯压电材料杆产生电荷的大小————弹 性杆的弯曲变形的大小和方向——外部气流的大小和方向。

本发明完全模仿蚊子听觉系统的结构和功能，可以研究蚊子触角系统的结构、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。