On biomembrane electrodiffusive models

Two models are used in the literature, to study the electric behaviour of cellular membranes such as in protein aggregates, excitable media or ionic currents for examples. The first one is the Electroneutral Model based on Nernst-Planck and Poisson equations with a specific condition of microscopic electroneutrality. The second one is the Cable Model valid for long wavelengths based on an analogy between an electric cable and a cell. Convincing experiments have justified the Cable equation. First, we show that these two models are in contradiction. More precisely the assumption of electroneutrality is not considered in the Cable Model. The main difference between the two models is highlighted by the analysis of the well known voltage instability due to a negative differential conductance. Then, we derive a new semi-microscopic model (the Biomembrane Electrodiffusive Model, called BEM) valid for phenomena at any wavelength. The BEM is based on Nernst-Planck and Poisson equations but, doesn't imply microscopic electroneutrality. It reveals the capacitive behaviour of the membrane. In the limit of long wavelengths, one recovers the behaviour described within the Cable framework, as shown precisely in the study of the negative differential conductance analysis. Finally, we demonstrate the intimate link between the last models: the Cable Model appears as the limit of the BEM for large wavelengths with some prerequisites which are discussed. The effects of geometry and asymmetrical media are introduced. Received: 8 November 1996 / Revised: 23 July 1997 and 8 December 1997 / Accepted: 23 January 1998     

机械结构预应力坎合连接的原理

针对重型机械中超大超重型件的制造、加工、运输、和装配难的问题,提出了预应力坎合连接的方法。指出了预应力坎合连接与普通机加工表面自然摩擦以及机械键合的区别,并从仿生学和接触力学的角度分析了多峰坎合连接的原理。通过预应力可使坎合处理后的剖分子件形成具有承载能力的整体件,基于此原理提出了3种预应力坎合连接的工程应用方法。坎合因数的测量实验表明,在预应力场的作用下,界面的坎合处理可以有效提高结构抗错移能力。通过350 M N模锻液压机模型实验,发现预应力坎合连接结构的抗错能力能够很好地满足模锻液压机的力学要求。该文还介绍了目前预应力坎合连接在重型压机中的实际应用。     

基于鱼体结构的仿生型液力变矩器叶片环量分配规律

提出了一种基于鱼体结构的液力变矩器叶片环量分配规律.该方法利用逆向工程方法提取了鱼类体型的元素,提出了液力变矩器各叶轮叶片的仿生多项式环量分配方案,设计出了类鱼体的仿生叶片.通过采用Smagorinsky亚格子应力模型的分离涡模拟,分别对仿生叶片和原始叶片的流道模型进行了三维流场的数值计算.结果表明:通过将原始叶片的仿真预测结果与试验结果进行对比,证明了该数值模拟方法的有效性;在不改变原始叶片的重要参数的情况下,采用仿生环量分配规律设计出的仿生叶片,可以提高液力变矩器的最高效率值,最高效率可以提高1.5%.对比分析了仿生前后的流动结构,并采用Rothalpy对比了仿生叶片与原有叶片的能量损失,结果与性能预测值相吻合,验证了研究的可行性.      

螺旋桨清洗机器人超灵巧机械臂设计

针对轮船螺旋桨清洗时因空间结构曲面复杂而难清理的问题,设计一种搭载于水下吸附式机器人载体上的射流超灵巧机械臂(hyper-dexterous manipulator,HDM)清洗装置.结合无骨架类生物肌肉高自由度特点构建超灵巧机械臂结构,采用虎克铰接的连接方式替换相邻关节连接处的柔性构件,兼顾了高压水射流承载压力高的特点.运用几何分析法对单端机械臂进行正逆运动学建模,基于多关节连杆变换通式推导出基于等圆弧假设下的机械臂模型,进而得出其多关节驱动空间与操作空间的映射关系.仿真实验和物理实验对比结果表明,所设计的机械臂能够达到期望的操作空间位姿,并能在加载实验下保证一定的鲁棒性.     

面向组织工程的多细胞结构三维自组装成形方法的研究进展

多细胞结构是由细胞群体构成的有机体,其体外构建对于组织工程和再生医学的发展具有重要的基础意义。利用细胞自身的自组织特性构建三维(3D)多细胞结构正成为生物制造和组织再生的一种重要途径,并受到越来越多的关注。对三维多细胞结构的自组装式构建与调控的相关基础研究及关键技术进行了综述及分析,主要涉及凝胶内3D细胞培养、多细胞结构可控形成,及其与图灵反应-扩散机制的联系等方面的研究工作。为进一步研究多细胞3D自组装机理,使得该自组装过程可控,且满足同时调控外部施加和细胞自身分泌的作用因子的浓度梯度分布的需求,提出对内部结构特征梯度化的3D凝胶体内细胞3D自组装模型进行研究,以推进三维多细胞结构及组织前体形成的理性调控技术。     

仿生产品造型中的符号分析

人类的设计活动从设计的萌芽阶段到手工艺设计阶段,再到工业设计阶段,经历了漫长的过程,经历了众多风格的演变.随着人们需求的不断变化,"形式追随功能"和"形式与功能并重"的设计方针已不再合乎现代人的需求品味,人们开始追逐一种能够和他们产生情感共鸣的全新的形式,因此,能够传达特定语义和符号的仿生学成为大家所追求的目标.     

三种未知环境中局部危险避规方法的分析与比较

以智能车辆在部分或全未知环境中局部危险避规为研究对象,以二维雷达和摄像机为传感器实时检测局部障碍物信息. 通过对比分析普通加权、粒子吸引、仿生学筛选方法在触须避规路径选择上的应用,不同方法在规划时间、最优性、平滑度因素对纯避障环境中安全行驶的影响,确定不同环境应用的方法,实车验证了三种算法的正确和有效性,在2010年中国智能车未来挑战赛的单项纯避障环境中,应用该三种算法在不同的环境条件下取得了很好的效果.     

产品设计中的仿生性设计

文章从仿生学的概念出发,介绍了仿生性设计的概念,起源和发展,指出了仿生性设计在产品造型设计中的地位和作用。从设计的本质、设计的观念和情感表达、以及仿生性设计是设计创新思维的源泉,是现代产品造型设计的大趋势的观点来说明为什么在产品设计中要运用仿生性设计,并指出了仿生性设计在现代产品设计中的成功运用。     

Self-organisation of female menopause in populations with child-care and reproductive risk

In this paper, by using a computer model for the evolution of age-structured populations, we show that in a sexual population subject to: (i) senescence, (ii) age-increasing reproductive risks, and (iii) long juvenile dependence, menopause arises spontaneously, in order to guarantee the survival of the offspring. Received: 12 September 1998 / Accepted: 14 September 1998