【科技前沿】第20期：自然激发灵感 仿生创新设计

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生物学的研究表明，生物在进化过程中会形成极其精确和完善的机制。并且，生物所具有的许多卓有成效的本领是人造机器所不可比拟的。当下，人们在技术上遇到的某些难题，生物界早在千百万年前就曾出现，并在进化过程中就已解决了。同时，这些研究可以为探索生命的起源提供宝贵资料和论据，可以进一步为研究生物进化、物种绝灭等自然界发展规律提供科学依据。

我校机电工程学院周祖鹏教授与巴塞罗那自治大学Josep Fortuny、汉堡大学Jordi Marcé-Nogué以及圣彼得堡国立大学Pavel P. Skutschas联合攻关，构建了成年极北鲵（Salamandrella keyserlingii）头骨的三维模型，通过对其头骨生物力学的分析，得出了其进化和发育的意义。相关研究成果以Cranial biomechanics in basal urodeles: the Siberian salamander (Salamandrella keyserlingii) and its evolutionary and developmental implications为题发表于《Scientific Reports》。

上述论文研究发现，在极北鲵这类两栖动物的变态发育前后，其头骨结构发生了变化，这些变化会影响其摄食的能力。极北鲵变态发育过程中其头骨的形态和组织特性都会发生变化，这些变化将影响其头骨的功能。分析清楚这些变化对其头骨功能的影响机理将有助于解开蝾螈冠群(crown-group of salamanders)早期进化的奥秘。在本项研究中，基于成年极北鲵头骨的不同组织成分特点和骨化模式生成了不同的三维力学模型，并分别对它们进行了有限元分析。

相关分析揭示了以下的重要规律：(a)其头骨组织（主要包括骨骼、软骨或结缔组织等）的力学特性本质上是由同时满足组织功能的刚度需求与满足组织其周围骨骼元素的位移需求所决定的；(b)头骨骨化过程中会出现某些头骨骨骼的缺失现象或是头骨骨化失效现象，这些都会造成头骨形成颅囟，颅囟有助于应力在头骨的均匀分布，但也会增加头骨整体的不稳定性；(c)其头骨骨骼部分缺失的主要原因是为了满足其整体结构的生物力学优化需求和降低头骨生长所需成本的需求；(d)小鲵属可以作为参考模型来研究已经灭绝的有尾目动物的生物力学特性。其中，图1表示头骨三维模型及载荷和边界条件。图2表示头骨在前后咬合双侧载荷条件下的等效应力图。

图1头骨三维模型及载荷和边界条件

图2头骨在前后咬合双侧载荷条件下的等效应力图（吻部张开角度为21˚）

此外，周祖鹏教授与德国Helmult Schimtz教授等人合作，研究了昆虫的特异感机理，未来可应用于仿生传感器设计，相关成果发表在《Journal of Bionic Engineering》上，期刊2021年中科院分区2区。与西班牙Jordi Marcé-Nogué等人合作，研究了反刍蹄类动物的咀嚼机理，相关研究成果发表在《Plos One》上。与澳大利亚Gregory S. Watson教授等人合作，研究了蝉翼的抗腐蚀机理，相关机理对于制造抗腐蚀表面材料设计具有重要意义，相关研究成果发表在《Advanced Material Interfaces》上，期刊2021年中科院分区2区。同时，团队还注意将理论应用于实际，在仿生机器人领域申请和授权发明专利多项。图3是团队设计的具有代表性的仿生机器人模型。

图3在仿生机器人领域的发明专利。图(a)为一种仿蝗虫弹跳机器人；图(b)为一种仿跳甲机器人；图(c)和图(d)分别表示一种仿泥鳅水下探测机器人工作原理和内部结构示意图。

随着研究的不断深入推进，周祖鹏教授研究团队目前正在与德国柏林洪堡大学John A. Nyakatura教授研究团队进行骨骼三维重构及有限元分析，重点研究狨猴股骨的力学特性和鼬科动物肱骨的弯曲机理，该教授曾在《Nature》以第一作者发表封面文章，是该领域研究的领军人物。同时，团队还与云南大学古生物研究院开展古生物行为与进化历程方面研究，主要研究古生物三维重构与动力学分析，云南大学该研究团队荣获2020年度国家自然科学奖二等奖，并多次在《Nature》上发表论文。因此，周祖鹏教授科研团队目前的合作研究项目都处于国际领先水平，同时各项研究均取得重要的阶段性研究成果。