答辩博士：李龙海

指导教师：郭策教授/博导

论文题目：长足大竹象头管-口器结构形态功能解析及其仿生研究

答辩委员会：

主席：陈南     教授/博导   东南大学

委员：陈南     教授/博导   东南大学

李普     教授/博导   东南大学

洪荣晶   教授/博导   南京工业大学

田宗军   教授/博导   南京航空航天大学

岳林     教授/博导    南京航空航天大学

秘书：陈光明   讲师/硕导   南京航空航天大学

答辩时间：2019年12月18日16：00

地    点：南航明故宫校区12-517

学位论文简介：

本课题以航空航天和深空探测领域对轻质、高强、耐冲击的轻质结构和复合材料的需求为背景，以长足大竹象为研究对象，以生物结构形态学、力学及其功能为主线，以解释生物作用机理及仿生应用为目的，对长足大竹象头管-口器的微/宏观结构形态-功能关系，力学特性，生物结构工作机理及相关运动学进行深入研究。并且采用仿生学原理，从多学科交叉的角度，在生物轻质结构几何构形方面获得设计理念和启示，提出新型仿生轻质结构模板，设计仿生变密度轻质结构，并利用一体化成型技术，从新型轻质结构的设计和制备方面开展综合性的研究。主要研究成果如下：

论文完成的主要工作及取得的成果如下：

(1)通过使用扫描电镜、体视显微镜和超景深显微镜研究了长足大竹象的宏观形态学和超微形态学，为后续的形态-力学-功能之间的关联特性及仿生设计提供了基础。

(2)使用能谱仪分析了长足大竹象的头管、口器的成分组成，并且使用纳米压痕仪测试了其纳米力学性能，得到其弹性模量和硬度等信息，并且与其他象甲科昆虫做了对比分析。最后，文中设计了专用夹具研究了头管、口器的力学性能，求得其比刚度、比强度等信息，结果表明头管是中空型轻质高强复合材料，具有优异的力学特性。

(3)提出非局部均值滤波算法(NLM)、基于积分图像的快速非局部均值滤波算法(INLM)和相似系数为高斯余弦型的改进NLM算法来改善图像质量。另外，在对比分析5种经典的边缘检测方法的基础之上，提出一种基于B样条小波的多尺度边缘检测算法，解决了传统算法定位精度不高，伪边缘等问题，成功提取了生物结构的边缘特征曲线。

(4)采用多种函数，依据最小二乘原理对生物结构特征曲线进行拟合，并对生物结构做特征量化分析研究。进一步利用Nano Indenter G200对竹象虫前爪和刺爪进行纳米压痕试验，并利用威布尔分布建立前爪和刺爪的弹性模量和硬度模型，并建立钩爪的数学模型，分析长足大竹象的抓附机制，为钩爪式太空采样装置提供理论依据。

(5)长足大竹象头管三维重构，并对头管做静力学分析，得到其力学规律和应力分布。最后，开展基于Hypermesh和LS-DYNA的联合打洞分析仿真，并且提出比能耗模型，揭示其打洞规律，为课题组今后钩爪式采样装置的设计提供理论依据。

(6)根据仿生原理，设计了变密度轻质结构。并且利用仿真和实验测试，揭示其力学规律和缓冲吸能特性。进一步利用响应面优化方法，对仿生结构进行优化，获得最优解。研究工作为仿生钻杆结构的研发奠定了基础。

主要创新点如下：

(1)系统地研究了长足大竹象各部位的宏观形态和超微形态，并且对头管-口器的成分、纳米力学和宏观力学特性进行了深入分析与研究。提出改进的非局部均值滤波算法和B样条小波的多尺度边缘检测算法提取出生物结构边缘特征，开展生物结构的特征量化分析，并对结构-力学-功能做了深入的分析研究，为仿生轻质结构设计奠定了形态学基础。

(2)揭示头管-口器的运动机理，并且提出长足大竹象钩爪的球面模型，分析其抓附机理，揭示长足大竹象的打洞机制。

(3)首次利用Micro-CT技术获得长足大竹象的生物结构信息，并对其头管-口器做静力学和运动学分析，揭示其打洞规律，为仿生采样机构的研制提供了重要的生物学依据。

(4)根据竹象虫头管的生物结构，基于仿生原理设计出多种变密度仿生轻质结构，并揭示其力学性能和缓冲吸能特性，为仿生轻质结构的研发提供了新的思路。