本书系统阐述生物机械量感受器的功能机理及仿生传感器的设计与制造理论，聚焦生物感知与工程仿生间的内在联系与转化路径。全书以多学科交叉为特色，涵盖生物学、物理学、材料学、电子工程、机械工程等领域，构建从生物机理到器件设计的完整技术体系。内容主要分为三部分：首先介绍生物体表机械量感受器的分类与研究方法；其次分别针对生物机械量“传感—识别—定位”功能，依次阐释其微流量与微振动超敏传感机理、精准识别机制及快速定位原理，并提出相应的仿生传感元件与算法设计方法；最后通过试验验证与工程应用探索，完成从理论到实践的闭环。
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前言
第1章 绪论 1
1.1 传感器 1
1.1.1 传感器类型 1
1.1.2 传感器特点与挑战 2
1.1.3 机械量传感器 3
1.2 生物感受器 4
1.2.1 生物感受器的类型与特点 4
1.2.2 生物体表感受器 4
1.2.3 生物体表机械量感受器 5
1.3 仿生传感器 8
1.3.1 仿生传感器类型 8
1.3.2 仿生传感器特点 9
1.3.3 仿生机械量传感器及其发展现状 10
1.4 生物感知与仿生感知 20
1.4.1 生物感知功能 20
1.4.2 生物感知原理 22
1.4.3 仿生感知技术 22
参考文献 24
第2章 生物体表感受器感知原理研究方法 37
2.1 生物体表感受器构成要素分析 37
2.1.1 感受器形态 37
2.1.2 感受器结构 40
2.1.3 感受器组织成分 43
2.1.4 感觉神经元 46
2.2 生物体表感受器响应特性 47
2.2.1 感知结构动态响应特性 48
2.2.2 感知材料力学性能动态特性 49
2.2.3 感觉神经元电位信号动态响应特性 51
2.3 生物体表感受器电生理试验 53
2.3.1 试验样品制备及试验方法 53
2.3.2 试验仪器设备及测试原理 54
2.3.3 感受器电生理表征及生物电信号特征 57
2.4 生物体表感受器模型建立 58
2.4.1 感受器生物模型 59
2.4.2 感受器物理模型 62
2.4.3 感受器数学模型 64
2.5 生物体表感受器测试仪器与表征方法 68
2.5.1 感受器形态结构测试仪器与表征方法 68
2.5.2 感受器材料特性测试仪器与表征方法 71
2.5.3 感受器应激响应测试仪器与表征方法 74
参考文献 77
第3章 生物体表感受器微流量传感机理与仿生超敏传感 87
3.1 典型生物体表感受器微流量感知行为 87
3.2 蝎子微流量感受器多尺度形态结构特征 89
3.2.1 蝎子蛊毛感受器表面分布特征 89
3.2.2 蝎子蛊毛感受器外部形态特征 90
3.2.3 蝎子蛊毛感受器内部结构特征 94
3.3 蝎子体表微流量感受器关键材料力学参数的测定 98
3.3.1 蝎子蛊毛力学简化模型及静力学分析 99
3.3.2 蝎子蛊毛力曲线测试试验方法 100
3.3.3 蝎子蛊毛力曲线测试结果及分析 103
3.3.4 蝎子蛊毛的材料力学参数计算 106
3.4 蝎子体表微流量感受器超敏感知机理 109
3.4.1 类不倒翁模型 109
3.4.2 复合梁结构应力集中模型 110
3.4.3 杠杆放大原理 116
3.4.4 蝎子蛊毛共振感知特性 121
3.5 仿生微流量传感元件设计与制造 126
3.5.1 基于生物微流量感受器的仿生传感元件制造工艺 126
3.5.2 基于蝎子蛊毛感受器的仿生传感器基本设计原理 130
3.5.3 基于蝎子蛊毛感受器的仿生传感器模型优化与数值模拟 132
3.5.4 基于蝎子蛊毛感受器的仿生传感元件制造方法 134
参考文献 137
第4章 生物体表感受器微振动传感机理与仿生超敏传感 143
4.1 生物体表感受器微振动感知行为 143
4.2 蝎子缝感受器感知功能要素 146
4.2.1 缝感受器的形态特征 146
4.2.2 缝感受器的结构特征 149
4.2.3 缝感受器的组织成分 153
4.2.4 缝结构表皮和皮下组织力学性能 157
4.2.5 缝结构与感觉神经元的耦合位点 158
4.3 蝎子缝感受器微振动超敏感知机理 160
4.3.1 应力集中效应与感受器功能单元超敏感知的内在联系 160
4.3.2 缝尖端应力集中效应与缝单元超敏感知的内在联系 162
4.3.3 尖端应力放大特性与V形沟槽结构模型的内在联系 163
4.4 蝎子缝感受器微振动全向传感机理 164
4.4.1 缝感受器全向感知行为学观察与分析 164
4.4.2 缝感受器阵列分布结构特点分析与表征 166
4.4.3 缝感受器全向感知结构模型与数值模拟 166
4.5 蝎子缝感受器应力/应变放大模型及其放大机理 169
4.5.1 基于缝感受器结构-材料耦合的应力/应变放大模型 169
4.5.2 缝感受器非连续刚性层与柔性层耦合结构的应力放大效应 170
4.5.3 缝感受器砖泥镶嵌刚柔耦合结构的应变放大效应 174
4.6 具有应力集中特征的缝感受器结构安全性机理 177
4.6.1 缝感受器离散化结构分布与应力缓冲性能 178
4.6.2 缝感受器层状梯度结构与抗断裂性能 179
4.6.3 节肢弹性蛋白与缝感受器优异抗疲劳性能 181
4.6.4 缝单元超敏感知性能与止裂性能兼顾机理 182
4.7 基于缝感受器的仿生传感元件设计与性能分析 188
4.7.1 仿生六轴力/力矩应力集中传感元件 189
4.7.2 仿生超敏柔性传感元件 204
4.7.3 仿生超敏、全向感知传感元件 218
4.7.4 超敏与高延展性协同的仿生柔性传感元件 227
4.7.5 超敏与高耐久性协同的仿生柔性传感元件 232
4.7.6 超敏与高线性协同的仿生柔性传感元件 238
4.7.7 高稳定性仿生传感元件 241
4.7.8 低功耗仿生传感元件 248
参考文献 257
第5章 生物体表感受器微振动识别机理与仿生精准识别 267
5.1 蝎子体表感受器微振动识别行为 267
5.2 蝎子缝感受器神经元频响规律 269
5.2.1 感知结构与神经元作用关系 269
5.2.2 神经元分布特性 269
5.2.3 感觉神经元不同频率振动刺激下的响应规律 271
5.3 蝎子缝感受器前端功能结构形态特征 275
5.3.1 微振动信号传递路径 275
5.3.2 前端功能结构宏观形态特征 278
5.3.3 前端功能结构微观形态特征 279
5.3.4 前端功能结构材料特性可视化分析 281
5.3.5 前端功能结构动态力学特性 283
5.4 蝎子缝感受器的缝单元两侧功能结构形态特征 287
5.4.1 缝单元两侧孔洞结构形貌特征 287
5.4.2 缝单元尾部形变特征 289
5.5 蝎子缝感受器微振动精准识别机理 290
5.5.1 低频振动信号滤波机理 290
5.5.2 微弱信号放大效应 291
5.6 基于缝感受器功能结构的敏感元件设计与制造 294
5.6.1 受前端功能结构启发的应变传感元件 294
5.6.2 受缝感受器功能结构启发的宽域仿生应变传感元件 303
5.6.3 受缝感受器功能结构启发的高灵敏仿生柔性压力传感元件 309
5.6.4 受缝感受器裂纹结构启发的高性能仿生压力传感元件 314
5.6.5 受缝尾部结构形变特征启发的仿生力传感元件 322
5.7 受蝎子缝感受器启发的多类型仿生应变传感元件集成 332
5.7.1 基底材料的仿生设计与集成机理 332
5.7.2 柔性垂直集成的机械连接与信号通信 336
5.7.3 材料类柔性传感器的垂直集成与信号解耦 340
5.7.4 结构类柔性传感器的垂直集成与信号解耦 342
参考文献 344
第6章 生物体表感受器微振动定位机理与仿生快速定位 349
6.1 生物振动定位行为 349
6.1.1 一般生物的振动定位行为 349
6.1.2 蝎子的振动定位行为 353
6.2 蝎子定位感受器及其分布特征 356
6.2.1 蝎子定位感受器的缝单元几何特征 356
6.2.2 蝎子定位感受器的空间位置分布 358
6.3 蝎子捕食定位行为学试验 358
6.3.1 蝎子捕食定位反应的行为学测试装置 359
6.3.2 蝎子捕食定位反应的行为学观察试验 361
6.3.3 蝎子捕食定位行为响应 361
6.4 蝎子感受器微振动快速定位机理 363
6.4.1 蝎子振源定位机理 363
6.4.2 蝎子的兴奋-抑制定位模型 364
6.5 蝎子振动感知结构的信号处理特性 365
6.5.1 缝感受器缝单元阵列结构有限元模型建立 366
6.5.2 缝感受器缝单元阵列结构有限元结果分析 367
6.5.3 缝感受器缝单元结构与应力响应回归分析 375
6.5.4 缝感受器缝单元阵列结构信号处理机制 379
6.6 仿蝎子振源定位原理的算法设计与装置研制 381
6.6.1 仿蝎子振源定位装置 381
6.6.2 仿蝎子振源激励-应激神经元定位方法 383
6.6.3 仿蝎子振源定位机理的位置指纹定位方法 386
6.6.4 仿蝎子振源定位装置集成制造与性能测试 392
参考文献 400
第7章 高性能机械量仿生传感器件应用 406
7.1 机械量仿生传感器件人体健康监测应用 406
7.1.1 人体状态监测 406
7.1.2 室内人体行动轨迹检测及定位 417
7.1.3 人体行走姿态及步态识别 431
7.2 机械量仿生传感器件工程化应用 456
7.2.1 微压力、微质量与气体流动状态检测 456
7.2.2 生物软组织力学性能检测 470
7.2.3 桥梁振动状态检测 471
7.2.4 数控机床刀具健康状态监测 478
7.2.5 车辆底盘运动状态检测 489
7.2.6 车况信息监测 489
参考文献 491
京公网安备 11010102004214号