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[硕士论文] 陈晓乾
凝聚态物理 山东建筑大学 2017(学位年度)
摘要:蝙蝠作为唯一具有真正飞行能力的哺乳动物,它的翼是由前肢在进化过程中演变而来的,翼膜将前肢、身体和尾巴连接成一个整体。蝙蝠的飞行过程离不开翼膜,翼膜能够为蝙蝠的飞行提供升力。马铁菊头蝠属于小蝙蝠亚目中的菊头蝠科,在低速飞行过程中具有很强的机动性。本文通过对马铁菊头蝠模型翼膜所受升力的实验测量,对数据进行拟合,得到翼膜的升力系数,探究马铁菊头蝠翼膜的空气动力学特性。
  研究工作主要包括以下三个方面:
  (1)获取蝙蝠样本三维数字结构
  首先捕捉蝙蝠样本,对其形态学结构进行测量和拍照。然后将蝙蝠罹体样本进行一系列地处理,处理过程包括固定蝙蝠的形状、重塑蝙蝠体型、喷显像剂和贴标记点。然后使用三维光学扫描系统对蝙蝠样本进行表面扫描,通过计算机的自行处理得到原始表面结构的三维数字模型,利用图形处理软件处理原始三维数字模型,得到完整结构和无翼膜结构的模型,通过三维打印技术得到蝙蝠的实物模型。
  (2)蝙蝠模型的风洞实验
  对实物模型进行风洞实验,实验仰角范围为0°~20°,每次以1°的变化量增加,风洞的风速控制在0m/s~6/s的范围内,风速变化值为0.5m/s。记录风洞实验的数据,
  (3)数据的处理及分析
  根据空气动力学的相关理论,得到实验中蝙蝠翼膜受到升力,从而得到升力系数。由于实验测量的数据量较大,无法直接从数据中得出蝙蝠翼型的气动特性,因此需要整理数据并进行数据拟合,将升力与升力系数、风速之间以图表的形式表示出来。然后分别分析升力与风速、迎角的关系,升力系数与迎角的关系,分析得出数据中存在的一般规律,根据现有物理理探讨论蝙蝠具有的气动特性与进行。
  通过分析数据,得到的结论有:
  (1)在平稳非拍翼状态下,马铁菊头蝠翼膜所受升力随迎角和风速的变化而变化。在相同迎角情况下,升力随风速的增加而增加,变化趋势由缓慢逐渐增加变为线性增加。在相同风速条件下,实验中的飞行最佳迎角为12°,此时升力为最大,超过该迎角之后的升力缓慢下降。
  (2)升力系数随迎角的变化同样发生改变,升力系数在小角度时与迎角的关系近似线性关系,同样在迎角为12°时,升力系数值最大,之后随着迎角的增加,升力系数缓慢降低。在相同迎角的条件下,1m/s时的升力系数最大,而其它风速时的的升力系数主要集中在1~1.9之间。
  (3)马铁菊头蝠是一种主要以丛林中的昆虫为食的蝙蝠,在低速飞行时,他能够灵敏的躲避障碍物完成捕食过程,该特点说明在此条件下,其具有很强的机动性,该现象与其升力系数在低速时较高的情况相符合。
[硕士论文] 张祎楠
生物化学与分子生物学 郑州大学 2017(学位年度)
摘要:心房作为心的腔室,在正常的心动周期中发挥着重要作用,且在心房整个跳动周期内,大约85%的时间处于非收缩状态,因此对心房肌被动力学性能的研究具有重大意义。但是目前对其研究还很少,而且基本采用拉伸测试手段,不能提供足够数据以获得更加精确的材料特性。所以,对心房肌多轴向的剪切测试就显得相当迫切。本文选用猪心作为实验材料,通过组织学观察选取适合的心房肌区域用于测试其被动剪切力学性能;并通过心房与心室力学数据的比较以了解心肌组织不同区域的力学性能是否存在差异。
  获得的实验数据不仅可以为心肌的有限元建模提供材料参数,用于进一步的建模研究,还可以用于组织工程中心脏补丁材料的选择,对植入性医疗器械开发、植入位点的选择,及提高相关诊断技术有一定意义。
  本文主要研究内容及相应结果如下:
  (1)详述了由我们设计组装的一台适合于生物软组织剪切力学性能研究的设备,通过空载证明了设备的稳定性,通过已知相关材料参数的凝胶完成了验证实验,证明了设备的准确性。
  (2)通过组织学技术(石蜡切片)对心肌不同区域的观察,选取左心房中适合于被动剪切力学性能研究的2个区域的心肌,左心耳(LAA)和位于左心房后下方房室沟附近的区域(PI),为便于比较心房与心室肌被动力学性能是否存在差异,同时测试了左心室心肌的性能。
  (3)对所选三个区域的心肌进行剪切试验,结果表明,作为一种生物软组织材料,心房肌表现出了非线性、各向异性(正交各向异性)、黏弹性、应变软化的材料特征;且三个区域心肌组织的平均峰值应力的比较结果显示左心耳与左心室区域的心肌刚度相似(P>0.05);PI区域的心肌刚度显著小于其它两个区域(P<0.05);进一步比较显示PI区域的心肌在所有应变水平及所有剪切方向中其平均峰值应力均小于其它两个区域,这表明心肌非均匀的材料性质。
  基于以上结果,我们不能简单地用一组心肌力学参数表述整个心肌组织的材料特征。而且其中的非线性、各向异性的材料性质是取决于局部心肌组织成分及心肌显微结构轴(沿纤维方向、心肌层向、心肌层的法向)。
[博士论文] 陈笑风
固体力学 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:大量实验表明胞外基质的力学性质,比如刚度、拓扑结构、变形等,可以调控细胞的形态、迁移、基因表达等。细胞的这种能感知周围环境的力学信号并产生响应能力称为细胞的力敏感性。细胞与基体相互作用是细胞力敏感行为的重要组成部分。本文从分子尺度、亚细胞尺度、细胞尺度三个尺度分别研究了细胞与基体相互作用,从力学角度为更深入地理解细胞与基体相互作用提供了新的思路和方法。
  本研究主要内容包括:⑴经典的滑移键强度理论认为,当加载速率低于某个临界值时,经典键合强度会变为零。这个预测与一些实验观察相悖。本文基于键合在低加载速率下可再结合的假设,提出了平均键合强度的理论。分析表明平均键合强度在低加载速率下逐渐饱和,饱和值随着系统刚度的增大而增大。本文认为平均键合强度可作为一种衡量滑移键强度的新物理量在动力学力谱实验中进行测量。⑵基于不同形式的双态模型,本文构建了两种类型的逆锁键,研究了两类逆锁键在不同变载荷作用下的动力学特性。当逆锁键受到先加载后固定的载荷时,两类逆锁键具有相似的寿命与载荷关系。在受到其它形式的变载荷时,两类逆锁键的记忆性却表现出显著的不同。⑶在生理条件下,分子键团簇受到振动载荷的作用,其稳定性受到单分子键的解离和结合动力学特性的调控。通过求解受体与振动配体结合的扩散反应方程,本文发现在大部分生理条件下受体与振动配体结合可以简化为与扩散无关的过程。分析结果表明,键合的平均结合时间在高频时趋于饱和,且存在一个最佳键合刚度使得平均结合时间最小。⑷研究了分子键团簇在循环载荷作用下的稳定性。模拟结果表明滑移键团簇有两种失效模式:寿命较长的滑移失效模式和寿命较短的快速失效模式。滑移键团簇的寿命随着循环载荷幅度和频率的增大而减小,但高频时趋于饱和。本文还发现了滑移键团簇反常的稳定性增强现象:当循环载荷的振幅较高而频率较低时,滑移键团簇的寿命会显著增加。参数研究表明,单分子键的随机动力学特性和循环载荷的形式都对该现象有显著影响。⑸模拟了键合均为第一类逆锁键或第二类逆锁键的两种逆锁键团簇在循环载荷作用下的稳定性。模拟结果表明循环载荷倾向于降低两类滑移键团簇的稳定性。两类逆锁键团簇的寿命都随着振幅增加而降低,且都随着频率增加而降低并逐渐饱和。⑹从弹性肌节粘附模型出发,同时考虑了黏着斑中的拉力和剪切力的作用,研究了细胞的最终取向和拉伸应变比的关系,以及不同初始角度、不同拉伸应变比的细胞旋转动力学过程。本文提出的理论成功解释了双轴循环拉伸下的细胞旋转实验结果。
[硕士论文] 吴樊
工程力学 大连理工大学 2016(学位年度)
摘要:生物软组织力学性能是力学、医学、材料等领域的研究热点之一。脑组织是人体中最神奇,同时又是最软、最脆弱的器官。由于撞击引起的外伤性脑损伤是导致死亡或严重残疾的主要原因之一,例如,日常生活中磕碰、跌落、车祸等事故。大脑在撞击过程中,会产生压缩、拉伸、剪切变形,导致脑组织损伤。为了发展有效可靠的防护和预测措施,需要准确地测试脑组织的力学性能,以建立合适的设计和分析模型。另外,随着自动化技术和虚拟现实技术在医疗领域的发展,也需要基于脑组织力学性能给出的理论分析模型,实现对脑组织在外力作用下应力和应变的准确预测。
  本文在调研国内外研究现状的基础上,围绕着“脑组织的力学性能”这个问题展开分析和研究。鉴于脑组织白质和灰质混合试件并不能准确的反映脑组织的力学性能,利用自行研制的微创医用往复切割装置制备纯白质、灰质试件。探究白质和灰质在力学性能上的区别。主要内容如下:对脑组织白质和灰质进行系列拉伸、压缩和拉伸-松弛试验,结果显示白质和灰质在拉伸试验和压缩试验中的应力-应变关系均具有较强的率相关性且白质的弹性模量高于灰质(应变率>0.025/s)。在拉伸-松弛试验中,相同初始应变下,白质的弛豫时间要长于灰质,而初始应变的改变对应力衰减率的影响不明显。针对白质和灰质这些力学性能的差异,进行了脑组织力学性能机理的研究。通过差示扫描量热法(DSC)分析白质和灰质试样,分别计算焓变,发现在相变过程中灰质要会比白质耗散更多的能量。通过红外光谱分析(FTIR)发现白质中的强极性基团和氢键的存在提高了白质生物分子间的相互作用,降低了生物分子的柔顺度,解释为什么白质的能量耗散能力要低于灰质。最后,使用Matlab软件将不同应变率下脑组织的拉伸试验数据拟合得到超弹性力学本构模型,将拉伸-松弛试验数据拟合得到粘弹性力学本构模型。
[硕士论文] 杨洁
机械工程 湖南大学 2016(学位年度)
摘要:新鲜冷冻的骨骼试样是进行生物力学试验的黄金标准,因为冷冻保存不会影响骨骼的力学性能。但此类骨骼试样存在携带可致人感染的病菌的风险,同时冷冻保存所需空间大、成本高。而使用福尔马林等化学试剂保存骨骼则不存在这些问题,因此经过防腐处理的骨骼也经常用于生物力学试验。然而,福尔马林等化学试剂会和骨骼的组织成分发生物理或化学反应,改变骨骼组织成分和结构,这可能引起骨骼力学性能的变化。迄今为止,福尔马林等化学试剂防腐保存对骨骼的力学性能的影响仍存在争议,但仍然有大量的研究在使用这类骨骼。因此,研究福尔马林防腐保存是否改变骨骼的力学性能具有重要意义。
  本文以牛股骨皮质骨轴向和横向矩形试样为研究对象,以4%福尔马林溶液为防腐介质,通过准静态三点弯曲力学试验和梁理论公式获取试样的杨氏模量、屈服应力、屈服应变、极限应力、极限应变、弹性吸能和塑性吸能等力学参数,研究福尔马林溶液防腐保存的温度、时间和骨骼解剖部位等因素对骨骼力学性能的影响。使用方差分析和非参数检验等统计学方法,对比分析了骨骼试样在4℃和25℃下分别防腐保存4周和8周与新鲜冷冻条件下皮质骨各力学参数的差异。
  统计分析结果表明,对于轴向试样,4℃下防腐保存8周对杨氏模量有显著性地改变,25℃下防腐保存对所研究的力学参数都有显著性地改变;而对于横向试样,4℃下防腐保存8周显著性地改变了骨骼的极限应变和塑性吸能,25℃下防腐保存4周显著性地改变了骨骼的屈服应变、极限应变和塑性应变,而防腐保存至8周,除了极限应力和弹性吸能,其余参数都有显著性地改变。当考虑骨骼的解剖位置时,防腐保存对轴向试样在股骨前、外、后和内四个解剖位置的力学参数的影响存在差异,而对横向试样在股骨前、外、后和内四个解剖的力学参数没有显著性的影响。
  因此,防腐保存会改变骨骼的力学性能,但对各力学参数的影响与保存温度及保存时间有关,同时与骨原排列方向,试样的解剖位置也有关系。因此防腐保存的骨骼不应大量地应用于生物力学试验,对于难以获取新鲜或新鲜冷冻骨骼的场合,防腐保存的骨骼也只能进行尝试性地测试。
[硕士论文] 张倩
生物学 重庆大学 2016(学位年度)
摘要:随着世界航天事业的快速发展,人类在外太空的活动周期越来越长,近年来研究显示,长期处于微重力环境下,会引起宇航员心血管系统局部异常,血管新生及重构,导致多种心血管疾病的发生。并且微重力可以通过调控细胞形态结构及功能进而影响心血管系统发育。近年来,越来越多的研究开始关注微重力对心血管系统发育的影响,相继报导了一些相关的信号调控途径,但是微重力究竟是通过改变哪些关键的分子信号,影响心血管发育?还不是很明确,需要更进一步阐述。本文采用中科院力学研究所研制的MG-IIA型地基微重力模拟器,以绿色荧光标记血管内皮细胞的转基因斑马鱼胚胎(Flk1: GFP)作为地面模拟微重力效应的研究模型,通过对斑马鱼胚胎的旋转进行模拟微重力(simulated microgravity, SM)处理,在体实时的观察模拟微重力对斑马鱼血管发育的影响,并对其分子机制进行初步的探索。
  本研究主要内容包括:①模拟微重力对斑马鱼胚胎血管发育的影响。斑马鱼胚胎受精后12hpf(hour post-fertilization)时进行SM处理,分别处理至24hpf和36hpf,对照组在1G条件下正常培养,SM组在MG-IIA型地面微重力模拟器中培养。通过体式显微镜统计斑马鱼胚胎的存活率、心率的情况。荧光拍照、qPCR以及原位杂交实验观察对照组与SM组斑马鱼胚胎血管发育情况。实验结果表明,SM对斑马鱼的存活率没有影响,但是却显著降低斑马鱼心率,并且在微重力处理至36hpf时明显影响了斑马鱼胚胎的血管发育,导致局部血管发育异常,尾部静脉丛发育速率加快,促进血管新生及重构,血管网络复杂程度提高。说明SM会影响斑马鱼血管发育过程。②nos2b参与模拟微重力对斑马鱼胚胎血管发育过程。首先通过对SM处理后的36hpf斑马鱼胚胎总蛋白中NO含量的测定,结果表明,微重力处理过后斑马鱼胚胎总蛋白中NO的含量相对于对照组来说有明显的增加。初步判断NO信号参与到微重力对斑马鱼胚胎血管发育过程。之后再分别注射nos2b MO和注射nos2b MO与微重力共处理,至36hpf观察血管发育情况。实验结果显示,nos2b基因被敲降以后,微重力引起的斑马鱼血管新生会有一定的回救,说明nos2b参与到了微重力调节斑马鱼血管发育过程。③PI3K参与斑马鱼胚胎血管发育过程。在实验中我们采用PI3K的特异性抑制剂LY294002处理斑马鱼胚胎至36hpf,结果表明,与对照组相比,用抑制剂处理过后的斑马鱼胚胎血管发育情况明显受到抑制,节间血管发育紊乱、尾部静脉丛有破裂;PI3K参与模拟微重力调节斑马鱼胚胎血管发育过程。实验分为三组,分别为对照组,模拟微重力至36hpf、模拟微重力至36hpf和LY294002共处理,从表型、qPCR以及全胚原位杂交的结果中可以看出,用PI3K抑制剂处理过后,微重力引起血管异常新生作用会得到部分回救,证明PI3 K确实参与到了模拟微重力对斑马鱼血管发育的过程;PI3K-nos2b信号通路参与模拟微重力调控斑马鱼血管发育的过程。分别注射nos2bmRNA和注射nos2b mRNA与PI3K的特异性抑制剂LY294002共处理,通过表型、qPCR以及全胚原位杂交的结果中可以看出,与对照组相比,用PI3K抑制剂处理过后的斑马鱼胚胎血管发育受到的抑制可以被注射nos2b mRNA所部分回救。
[博士论文] 解博丽
弹箭飞行与控制工程 中北大学 2015(学位年度)
摘要:仿生弹药是近年来人们提出的可以模拟生物动力学行为的一种新概念弹药。与传统的弹药相比,仿生弹药的动力学行为更加依赖于人们对生物系统本身动力学性态的了解。在生物动力系统研究中,具有时滞特性的生物动力系统更接近现实的生物世界,更能真实地反映生物本身的动力学性质。因此,对具有时滞的生物动力系统的动力学行为进行深入研究,可为未来仿生弹药技术的研究打下良好的基础。
  本文讨论了几个具有时滞的生物动力系统的动力学性态及其斑图分布,具体研究内容如下:
  第二章研究了一类具有时滞和反应扩散的食饵-捕食者模型的动力学行为。对于时间模型,发现存在关于时滞的阈值;当时滞小于该阈值,则正平衡点∥是渐近稳定的。然而,当时滞超过该阈值,则正平衡E*是不稳定,并且会出现小振幅周期解。对于时空模型,通过数学分析,发现了两种不同类型的不稳定性,并且详细的给出了图灵不稳定的条件。此外,通过数值仿真,表明受时滞和扩散影响的动力学模型不仅出现点状斑图、条状斑图、以及两者共存的斑图。
  第三章研究了一类具有时滞的食饵-捕食者模型的动力学行为。通过数学分析,发现了两种不同类型的不稳定性,并且详细的给出了图灵不稳定的条件。在由反应扩散引起的不稳定的条件下,通过一系列的数值模拟,得到了参数空间中丰富的斑图结构。在由时滞引起的不稳定的条件下,通过数值模拟,得到了“黑眼斑图”。这些结果表明,该系统具有丰富的动力学,揭示了该模型在实际生活中是非常有用的.
  第四章主要研究具有双Allee效应的时滞捕食模型的动力系统。对于时间模型,发现存在关于时滞的阈值;当时滞小于该阈值,则正平衡点E*是渐近稳定的。然而,当时滞超过该阂值,则正平衡E*是不稳定,并且会出现小振幅周期解。对于时空模型,通过数值模拟,发现该模型系统具有丰富的动力学以及斑图结构。
  第五章研究了一类具有时滞且带有捕食者相互残杀项的食饵-于捕食者模型的动力学行为。通过数学分析,发现了不同类型的不稳定性,并且详细的给出了图灵不稳定的条件。通过一系列的数值模拟,得到了参数空间中丰富的斑图结构,分别有条状斑图、点状斑图以及点状和条状共存的斑图结构。
  第六章研究了一类具有交叉扩散和时滞的植被模型的动力学行为。对于时间模型,发现存在关于时滞的阈值;当时滞小于该阈值,则正平衡点E*是渐近稳定的。然而,当时滞超过该阈值,则正平衡E*是不稳定,并且会出现小振幅周期解。对于时空模型,通过稳定性分析,证明了在某些条件下时滞会影响稳定性和时空格局。此外,我们通过数值模拟,展示了空间斑图。
[硕士论文] 隋文鹏
生物物理 大连理工大学 2015(学位年度)
摘要:特异性T细胞免疫是人体免疫系统的重要功能之一,T细胞表位是激活这一免疫应答的关键因素。T细胞表位是指抗原分子内部的一条抗原短肽,它不能直接被T细胞受体识别,需要先经过一系列的加工才能与主要组织相容性复合体(MHC)分子结合成为MHC分子-抗原短肽复合物。复合物随后被转移到抗原递呈细胞表面与T细胞表面受体结合,从而激活免疫应答。本文采用TCR-TAX-HLA-A*0201蛋白质晶体结构作为模拟体系,利用QM/MM方法进行分子动力学模拟,在每个口袋分别用19种剩余的氨基酸替换天然抗原肽的锚定氨基酸,将模拟得到的口袋氨基酸的极化电荷表示为电多极矩,从而表示出极化电荷产生的静电势变化,运用箱线图的分析方法确定各个口袋氨基酸的功能。通过分析可以得到,MHC中的Pocket2中Lys66和Glu63既是精细识别氨基酸,也是高级结合氨基酸;Pocket9中Asp77和Tyr84是精细识别氨基酸,而Lys146和Asp77是高级结合氨基酸。以上结果说明这两个口袋基本确定了MHC分子对抗原肽的结合特异性。TCR中口袋氨基酸的静电势变化量普遍大于MHC中口袋氨基酸的值,这表明TCR分子在免疫特异性识别和结合方面起主要作用,并且Pocket5中含有一个既是精细识别氨基酸又是高级结合氨基酸的Arg590,这说明Pocket5是TCR中比较重要的口袋。本文证实利用QM/MM分子动力学模拟来分析蛋白质的特异性识别是一种可行的方法。
[硕士论文] 浦宇
生物物理学 大连理工大学 2015(学位年度)
摘要:与抗原呈递相关转运体(transporter associated with antigen processing,TAP)在抗原呈递进程中起着至关重要的作用,它将蛋白酶降解产生的肽类从细胞质里转运到内质网腔中。近来越来越多的研究证实其与多种慢性感染疾病、自身免疫疾病等有很强的关联。尽管如此,但是由于其实验数据的缺乏,仍然有很多问题亟待解决,如TAP蛋白质的具体构象,在转运抗原肽过程中信号传导与转运机制等。
  本文采用拉伸分子动力学(steered molecular dynamics,SMD)模拟抗原肽与TAP相互作用,通过在抗原肽上施加虚拟牵引力,使抗原肽通过TAP形成的转运通道。在模拟过程中,由于通道结构的不规则性以及抗原肽和TAP拉伸过程中的相互作用,故不能采用固定方向的拉伸模式,所以本文采用了选取最优化方向来实现拉伸过程。经过1483ps时间的SMD模拟,抗原肽顺利穿过了TAP分子,到达内质网腔,完成了转运过程。根据模拟过程中体系均方根偏差(Root Mean Square Deviation,RMSD)、均方根波动(Root Mean Square Fluctuation,RMSF)和特殊氨基酸位置的变化,分析模拟过程中的结构变化,得到以下结论:经过SMD模拟,由于抗原肽与TAP的相互作用,膜蛋白TAP分子面向细胞质的开口变小,而面向内质网的开口变大。
[硕士论文] 宋逸
工程力学 南京航空航天大学 2015(学位年度)
摘要:昆虫优异的附着、运动性能得益于其精细的功能性附着系统,对昆虫附着系统的研究不仅能够帮助人们深入地理解昆虫的附着机制,还能启发仿生附着系统的设计和改进,提高仿生机器人的环境适应能力。
  以往的研究结果表明昆虫单一的附着器官往往不能满足其附着和运动需求,因而不同附着器官之间的协同作用可能起到了重要作用。
  本文的目的在于研究钩爪和黏附垫的协同附着行为,并探讨表面颗粒尺度对附着性能的影响。为此,设计了一种兼具钩爪和黏附垫的仿生附着系统,并挑选了一系列不同尺寸的钢球来模拟不同尺度的基底颗粒。在一种多功能的三维附着力测试平台上对附着系统的性能进行测试。
  通过实验获得了附着系统在大颗粒的基底上的极限附着力,并计算了相应的附着破裂能耗。基于这些结果讨论分析了钩爪和黏附垫之间的协同作用以及基底尺寸对附着系统的极限附着力和附着破裂能的影响。钩爪与兼具钩爪和黏附垫的附着系统的附着性能随着基底尺寸的增加而减弱,而黏附垫的附着性能则随基底颗粒尺寸的增加而增加;颗粒尺寸相对较小时,钩爪与颗粒之间的接触摩擦作用提供主要的附着力;颗粒尺寸相对较大时,黏附垫提供了主要的附着力。黏附垫的法向黏附力大大的增加了钩爪的切向摩擦力,而这个切向力反过来强化了黏附垫的抗剪切性能,这种协同作用大大的扩展了附着系统的基底颗粒尺度适应范围。
  最后我们建立了三维的钩爪和黏附垫的协同作用力学模型,并讨论了其他钩爪参数对昆虫附着性能及其协同作的影响。
[硕士论文] 李伟
工程力学 南京航空航天大学 2015(学位年度)
摘要:爬壁机器人在民用、航天、军事领域具有广泛的需求,爬壁机器人设计的一个关键问题在于黏附系统的设计。近年来仿生干黏附和湿黏附日益受到关注。其中仿具有杰出攀爬能力的壁虎,依靠范德华力机制的黏附,因为具有广泛的材料、粗糙度适应性而具有广泛的应用前景。壁虎通过脚趾外展脱离黏附基底,实现了快速及低冲击的脱附。但是外展脱附的力学机制尚不够明确,对其脱附机制的研究有助于仿壁虎生黏附表面以及爬壁机器人的脱附过程设计。本文开展了如下创新性工作。
  (1)测试了脚趾外翻过程的黏附接触力学规律。通过电刺激控制壁虎黏/脱附行为的对应神经干,在实验室条件下实现脚趾外翻过程,并分别利用三维力学采集系统和高速显微摄像系统采集和记录脱附过程中的力学数据和行为学。壁虎脚趾脱附过程分为两个阶段,第一阶段为初始脱附阶段,只有法向力增加,切向力保持不变。第二阶段为稳定脱附阶段,法向力近似保持不变,切向力开始增大。法向力峰值与预拉力的差值约为21mN。
  (2)在 ABAQUS中建立壁虎脚趾的连续脱附模型、非连续脱附模型、分段非连续脱附模型,利用有限元法对外翻和30°撕脱过程中的行为学以及力学进行分析。外翻时脱附时间比30°撕脱时更短,且对基底的法向冲量更小,意味着对基底的冲击更小。
  (3)分别建立了黏性剂连续分布的弹性胶带和非连续分布的纤维仿壁虎表面在弯矩作用下的外翻模型。将弹性胶带简化为同时受弯矩和黏性剂拉力作用的柔性梁结构,采用脱附常数作为失效准则,利用大变形柔性梁理论推导了脱附的临界弯矩载荷。
[硕士论文] 吴佳敏
生物学 重庆大学 2013(学位年度)
摘要:骨髓来源的间充质干细胞(Bonemarrow-derivedmesenchymalstemcells,MSCs)是一类具有能自我更新和多向分化潜能的多能干细胞。在特定的诱导因子作用下,它能在体外快速增殖并定向分化为脂肪细胞、肌肉细胞、软骨细胞以及成骨细胞等。在体内,MSCs能感知损伤组织产生的修复信号或某些趋化因子的诱导而向损伤部位定向迁移,参与受损组织的修复。MSCs具有容易获得、快速增殖、多分化性以及定向迁移等能力,是组织工程与再生医学研究的种子细胞。因此,深入研究MSCs分化、迁移等生物学行为的调控因素及其机制对MSCs的临床应用具有重要的指导意义。
  力生长因子(mechano-growthfactor,MGF)是力敏感细胞响应机械刺激而产生的一种力效应分子。许多研究表明,MGF在多种组织/细胞中表达,具有力敏感性,并且能够激活卫星细胞,促进成肌细胞增殖,在治疗肌肉缺损、预防心肌损伤和修复受损神经等方面起着重要作用。目前,人们对MGF在影响MSCs迁移行为过程中的作用还缺乏系统的认识,其分子机理更不清楚。为此,本课题拟用外源性MGF处理大鼠MSCs(ratMSCs,rMSCs),研究MGF对rMSCs迁移行为的影响特征,并进一步探究MGF对rMSCs相关生物力学特性的影响,揭示MGF影响MSCs迁移行为的细胞力学机制。本研究工作的主要内容及结果如下:
  1)体外分离及纯化rMSCs进行原代培养。结合Percoll密度梯度离心法和rMSCs体外培养的生长特性,提取与纯化rMSCs。结果表明,利用Percoll梯度离心法提取的原代细胞经换液传代后,长至80%左右融合时,细胞形态均一、呈三角形或多角形及梭形的纤维样形态,且有漩涡样排列。流式细胞仪检测培养细胞时发现,分离提纯的细胞表达CD44和CD90表面抗原,不表达CD34表面抗原,符合MSCs细胞表面抗原表达规律。
  2)MGF对rMSCs细胞迁移行为的影响。本课题研究结合划痕和Transwell小室法探究MGF对rMSCs细胞迁移行为的影响。Transwell小室法实验结果发现,与对照组(0ng/mL)相比,MGF处理组显著提高了rMSCs的迁移能力(p<0.001),50ng/mL时效果最佳,随后渐次。采用划痕法研究50ng/mLMGF对rMSCs迁移能力的影响,结果发现,MGF处理后显著提高了伤口愈合的能力(p<0.001),且呈现出时间依赖性。实验结果表明,MGF能促进rMSCs的迁移行为,且具有时间依赖性和浓度依赖性。
  3)MGF处理rMSCs后细胞力学特性的变化。本课题研究结合傅里叶变换牵引力显微术(fouriertransformtractionforce,FTTM)、光学磁力扭转细胞测量仪(opticalmagnetictwistingcytometry,OMTC)以及免疫染色技术探究包括细胞牵引力、细胞刚度以及细胞骨架结构在内的细胞力学特性对MGF刺激不同时间的响应。研究结果发现,与对照组相比(0h),所有MGF(50ng/mL)处理组(6,12和24h)rMSCs的牵引力明显提高,特别是处理12h组细胞的牵引力增加最显著(p<0.001)。同样,与对照组相比(0h),MGF处理组rMSCs细胞刚度显著提高,12h时最显著(p<0.001),此时细胞的流态化水平也最高,呈现出与牵引力变化类似的时间响应关系。MGF处理组细胞骨架结构发生重构,F-actin的表达增多,12h时最显著(p<0.05)。
  这些结果表明,MGF能诱导细胞骨架结构重构而调控细胞力学属性,进而促进rMSCs迁移。通过深入研究MGF对rMSCs迁移行为影响的潜在机制,将有助于发展以MGF为诱导的基于MSCs的细胞疗法,为组织工程和再生医学的研究奠定基础。
[硕士论文] 于畅宇
生物物理学 大连理工大学 2013(学位年度)
摘要:外源性抗原蛋白被抗原提呈细胞(APC)摄取送入溶酶体中被降解为长度不一的肽段。在HLA-DM分子辅助下,MHCⅡ类分子相关恒定链多肽(CLIP)从MHCⅡ类分子的肽结合槽解离,使得外源性抗原降解的肽段进入MHCⅡ类分子空的肽结合槽中,形成稳定的抗原肽-MHCⅡ类分子复合物。之后再被提呈到APC细胞表面供CD4+Th细胞的TCR识别,激活Th细胞分泌细胞因子,促进CTL细胞特异性杀伤靶细胞或辅助B细胞产生抗体。Th细胞的活化对机体的细胞免疫和体液免疫功能都有重要的辅助作用。
  本文基于迭代自洽策略与支持向量回归机(ISC-SVR)方法建立了MHCⅡ类分子与外源性抗原肽结合亲合力预测模型,采用13mer扩展核心结合序列可以提高预测模型的性能,分别按照均值法、最大值法、结合法、加权平均值法4种方法计算MHCⅡ类分子与抗原肽的结合亲合力值。本文对17种MHCⅡ类分子配型进行了回归分析,与其他预测模型相比较,本文模型都得到了最佳AUC值。最后,以HLADRB1*0101分子为例,分析讨论了MHCⅡ类分子与抗原肽的结合特异性。
[博士论文] 吴燕峰
流体力学 中国科学技术大学 2013(学位年度)
摘要:对鱼类游动机理的研究有着重要的意义和必要性,首先问题本身就蕴含着丰富的尚未揭开的力学机理,此领域的研究成果可以指导新型高性能水下航行器的开发和研制。鱼类绝大多数都采用波浪状摆动作为主要的推进模式,对这类游动现象的运动学和动力学研究在该领域占有重要而基础的位置。另一方面,随着研究手段的丰富和精确,越来越多的研究工作更多地关注到鱼类多种游动形式的区别、鱼体各部位乃至鱼群之间相互作用,以及鱼类为适应周围流场而采取的特定游动模式及对周围流体的主动控制等方面。作为活跃的交叉学科研究领域,随着对鱼类游动问题的深入研究,也促进了相关学科,如生物学、材料学、控制论等的发展。
   本文着眼于斑马鱼这种常见的小型热带淡水鱼种,采用试验和理论相结合的办法,辅以数值模拟的手段,对其快速起动、摆尾-滑行游动模式、鱼群的游动和幼鱼的游动做了相应的研究,主要工作如下:
   1、应用高速摄影仪记录斑马鱼S型快速起动的视频数据,并以此对斑马鱼的S型快速起动进行了运动学和动力学分析。利用改进的大振幅细长体模型,进行了对斑马鱼S形快速起动的动力学分析。计算了斑马鱼在S形快速起动过程中受到的力和力矩;系统分析了斑马鱼的动力学特征和鱼类S形快速起动中不同阶段的主要影响因素;从力学角度解释了鱼类S形起动过程中的行为特征。
   2、运用二维TRPIV技术,对斑马鱼在摆尾-滑行和拐弯两种运动形态下的流场结构进行了研究,与锦鲤同类游动产生的流场进行了对比并探讨了二者流场差异产生的原因;另外还对这两种游动形态进行了运动学和动力学分析。在对斑马鱼的摆尾-滑行游动的研究中,比较了单摆尾模式和多摆尾模式两种模式下流场的差异,计算了摆尾阶段与滑行阶段的阻力系数之比和平均推进力,并且得出斑马鱼采用摆尾-滑行游动能比采用持续摆尾的巡游游动节约35%的能量。在对斑马鱼拐弯的研究中,发现斑马鱼在拐弯过程中会通过控制射流方向使得冲量矩最大化从而提高转弯效率。
   3、设计和制作了利用运动光栅诱导斑马鱼游动的实验系统,统计分析了诱导斑马鱼游动的因素,同时对斑马鱼群在诱导效果下群体游动的排队现象进行了简单的归纳。
   4、过实验和数值模拟的方法,研究了斑马鱼幼鱼游动时采用的一种摆尾-滑行游动模式。这种游动方式从鱼体速度的角度可以分为加速、匀速和减速三个过程。随着斑马鱼幼鱼身体的增长,匀速游动过程在整个游动过程中所占的比重会明显减小。另外通过数值方法模拟了幼鱼的游动,分析了斑马鱼幼鱼在游动中的受力情况。
[硕士论文] 赵丹
生物物理学 南开大学 2013(学位年度)
摘要:在骨的形成过程中,成骨细胞胞外钙离子浓度([Ca2+]o)会有所升高(从2mM升高至8~40 mM),外钙浓度上升直接抑制破骨细胞的活性,刺激成骨细胞活性。有报道称,细胞外钙离子浓度升高会促进成骨细胞的增殖,但是[Ca2+]o升高对成骨细胞的刺激机制目前尚未明了。在本研究中,我们发现[Ca2+]o升高引发成骨细胞SOCE(Store operated calcium entry)机制,并对细胞增殖有着促进作用。首先我们发现升高[Ca2+]o可以引起细胞内钙离子浓度[Ca2+]i上升,这种[Ca2+]i上升主要是由于细胞外钙内流引起的。SOCE机制的阻断剂2-APB与细胞内钙释放抑制剂TMB-8都能抑制这种现象,而电压门控的钙离子通道(Cav)抑制剂硝苯地平(nifedipine)和维拉帕米(verapamil)都不能抑制该现象。NPS2390和U73122能抑制这种[Ca2+]i上升,NPS2390是钙敏感的受体通道(CaSR)的特异性抑制剂,U73122是磷脂酶C(PLC)的抑制剂。我们同样发现[Ca2+]o升高对成骨细胞增殖的促进作用,增殖被2-APB,TMB-8,NPS2390和U73122抑制,不受nifedipine和verapamil的影响。此外,GdCl3是一种非生理性的CaSR的激动极,可以引起[Ca2+]i的升高及细胞增殖。以上结果显示,成骨细胞[Ca2+]o上升活化CaSR,并激活PLC,引起细胞增殖。
   人体的骨关节系统一直处于受力状态,成骨细胞是骨关节系统形成的源动力,也是骨关节系统中力学信号感受与响应的的关键细胞群,机械力刺激对成骨细胞的生长增值、分化分泌、细胞骨架重组等多种生理功能有显著影响,不过,关于力学因素调节成骨细胞功能的详细机制尚未阐明。在本文中,我们发现流体剪切力(Fluid Shear Stress,FSS)可以刺激成骨细胞引起细胞内钙离子浓度([Ca2+]i)上升,并且诱导细胞向外分泌ATP,这种作用很可能是通过TRPV4通道的活化来实现的。首先,我们证明了TRPV4通道基因在成骨细胞中的表达。然后,我们采用0.12 Pa、0.24 Pa、0.48 Pa和1.2 Pa的FSS来刺激成骨细胞,[Ca2+]i及细胞外液中的ATP浓度都随之升高,其中GdCl3、钌红(RR)和EGTA都能抑制细胞分泌ATP,GdCl3是机械敏感离子通道MSCC(mechanosensitivecation-selective channel)的阻断剂、辽红(Ruthenium Red,RR)是香草素受体偶联的离子通道(TRPV)类阻断剂、EGTA是细胞外钙离子的鳌合剂。此外,4α-PDD是TRPV4通道特异性激动剂,它能刺激细胞分泌ATP,且ATP的分泌受GdCl3、RR和EGTA的抑制。除了4α-PDD,另一组对照实验中,我们发现低渗透压的细胞外液同样能使成骨细胞分泌ATP。通过以上结果,我们得出结论:剪切力FSS可以刺激成骨细胞引起细胞内钙离子浓度([Ca2+]i)上升,并且诱导细胞向外分泌ATP,这种作用很可能是通过TRPV4通道的活化来实现的。
[博士论文] 祝连庆
控制科学与工程 哈尔滨工业大学 2013(学位年度)
摘要:流变学是研究非牛顿流体在应力、应变、温度等条件下与时间因素有关的变形和流动的科学,是介于物理、力学、医学、生物和工程技术之间的一门边缘交叉学科。在自然界和工程技术界,粘弹性流体、粘塑性流体、血液以及绝大多数生物流体的流动都呈现出非牛顿流体性态,非牛顿流体的流变性质、流体流动与变形的力学分析、流体的本构方程、物质参数与函数的测量、流体粘温性能、流动曲线、凝固性、粘弹性、触变性等一系列流变学特性指标的测试丞待解决。尤其在生物流变学领域,血液流动动力学,血液细胞的变形规律,血液和其他体液、各种软、硬组织的力学性能,各种生物流体的流变特性与疾病的关系等生物流变学特性测试问题被相继提出,血液流变学、细胞流变学以及血液凝固过程中的流变机理和参数测量已经成为研究热点。本论文围绕“血液流变、细胞流变以及血液凝固过程中的流变特性测试方法”等科研项目,开展生物流变学特性测试方法与系统应用研究。
  论文首先全面综述了流变学的国内外研究现状,阐述了非牛顿流体流变学研究领域的分类及研究的重要意义,详细分析了血液流变学、细胞流变学、血液凝固过程中的流变机理和参数测量等生物流变学特性测试的研究内容,阐明了生物流变学与心脑血管疾病、恶性肿瘤及糖尿病等多种疾病的关系以及生物流变学在血液流动状态下对止血、凝血及血栓形成中的生理、病理作用及临床意义。
  其次以流变学的研究对象和研究方法为基础,全面阐述了非牛顿流体流变学测量理论,对非牛顿流体流动与变形进行了力学分析,推导出非牛顿流体流动的基本微分方程,构建了纯粘性非牛顿流体的本构方程,分析了非牛顿流体的典型流动以及流体粘弹性与触变性等流变性质,重点研究了稳态剪切流场的主要流变学参数和小振幅振荡流场与流体粘弹性的流变学参数表征方法。
  针对生物流变学特性测试研究,提出了稳态剪切速度衰减血流变测试方法、基于激光衍射和散射技术的细胞形态、变形与聚集等细胞流变学特性测试方法以及基于小振幅振荡流场的双磁路磁珠振荡法、光学散射测量法和发色底物测量法的等血液凝固过程中的流变特性测试方法,解决了生物流变学领域的血液流动性、细胞变形性、细胞聚集性以及血液凝固性等一系列生物流体流变学特性测试技术与方法。
  提出了基于稳态剪切流场、拉伸流场和小振幅振荡流场的生物流变学特性测试特性模型,建立了高灵敏度、高可靠性的库特式生物流体流变学特性测试系统和动态数据建模平台,采用应力驱动、实时频率扫描、小振幅振荡和强迫振荡四种模式实现生物流体流变学特性测试及动态数据建模。
  论文对提出的稳态剪切速度衰减血流变测试方法和激光衍射细胞流变学特性测试方法进行了实验验证,针对目前非牛顿流体流变特性测试仪器无法标定以及测试结果无法溯源等问题,研制了一种稳定可靠的非牛顿流体标准物质,提出了非牛顿流体标定方法。
  完成了基于稳态剪切速度衰减测试方法的血流变测试系统应用研究。系统采用提出的速度衰减法锥板测试技术实现全量程、逐点扫描、快速、稳态的血流变特性测量,具有自动加样、自动混匀、自动测试、自动清洗、液面感应等先进功能,具有非牛顿流体标准物质标定和校准功能。
  完成了基于双磁路小振幅振荡测试方法的凝血测试系统应用研究。利用提出的双磁路磁珠振荡法测量原理实现血液凝固过程中的流变特性功能测试。系统具有先进的三维空间加样系统、驱动器内置点到点功能、S曲线加速、直线/圆弧插补运动功能以及微弱信号采集放大功能。系统具有功能强大、实时多任务操作、检测速度快、精度高等特点。
  本论文的研究为生物流变学特性测试方法及应用奠定了必要的理论基础,对于推动我国生物流变学特性测试技术研究有着重要的指导意义。
[硕士论文] 朱单
生物物理 东南大学 2011(学位年度)
摘要:细胞力学是细胞工程学和组织工程学的基础,是近几年来生物力学领域中发展迅速的一个前沿课题。细胞力学特性深深影响着细胞与组织的生长、维持和重建等生命活动,是细胞研究课题的一个重要因素。因此,细胞力学性质的研究是一项很有意义的工作。
   本文主要使用两种不同的技术(流动腔技术和原子力显微镜(AFM)技术),来探讨细胞的力学性质。因此,本文研究工作分两部分:
   (1)使用楔形平板流动腔和平行平板流动腔,分别测量细胞的硬度和粘附性。a、对楔形平板流动腔构建数学模型,通过数值模拟的方法研究细胞硬度与细胞在楔形平板流动腔内移动速度的对应关系,得到由细胞移动速度推算细胞硬度的分析方法;在实验研究中检测出热处理后的3T3细胞与未处理3T3细胞间移动速度的变化,并由此推算出热处理使硬度下降了约36%。这表明用楔形平板流动腔测量细胞移动速度可以作为细胞硬度的一种测量手段。b、用平行平板流动腔测量出细胞与光洁玻璃、PLL和PHBV三种基底材料间的临界剪切力分别为0.039 N/m2、0.057 N/m2以及0.063 N/m2,较好的揭示了细胞与不同材料间的粘附力的差异。
   (2)构建AFM力谱分析模型,并使用AFM测量细胞的局部力学性质的连续变化。本论文构建了计算细胞表面杨氏模量和黏附性的数学模型,先后运用于未处理、经温热处理和5-羟色胺(5-HT)处理过的3T3细胞,深入研究力学信号传递对细胞力学特性的影响,并且探讨细胞力学性质的改变与细胞结构的变化这两者之间的内在联系。表明:a、在连续的机械力刺激下,细胞表面硬度值、针尖粘附力值等持续增加,这可能是因为机械力的刺激引起了细胞表面的分子变化与细胞骨架的调整;b、对经热处理和5-HT作用后的3T3细胞AFM实验的结果进行分析后发现,经热处理的细胞在力学性质上有了较明显的变化,而经5-HT作用的细胞变化不大。
[硕士论文] 徐瑞
生物医学工程 重庆大学 2011(学位年度)
摘要:背景:最近十几年来,人们对缺血性脑血管疾病的治疗和康复手段的探索越来越多。经颅磁刺激(transcranial magnetic stimulation,TMS)首次被人发现是1985年,它利用电磁感应原理,通过诱发时变磁场刺激在大脑皮层组织中的神经元产生感应电流,并沿着锥体束下传到靶组织,在靶组织中我们能够记录到运动诱发电位(motor evoked potential,MEP)。作为一种无痛无创的刺激形式,它易于被受试者接受。利用TMS技术我们可以采集到一些神经系统电生理学信息例如运动诱发电位,运动阈值(motor threshold,MT)等,这些参数可以很有效的预测脑血管疾病。随着TMS技术的发展,在20世纪90年代衍生出了经颅重复频率磁刺激(repetitive transcranial magnetic stimulation,rTMS),区别于TMS的单脉冲形式,它可以把刺激脉冲以一定的强度和频率在一定的时间间隔内成串的发射出去。大量的实验研究发现通过rTMS干预局部脑组织及功能相关的远隔区,可以明显影响到这些组织的代谢水平,皮质功能和脑血流等,改变皮层之前保持的兴奋和抑制之间的平衡,由此带来一系列继发性效应。rTMS的这种特性吸引了众多学者的兴趣,包括了公共医学,神经科学,精神科学等不同的学术领域。另外人们还发现将rTMS以不同的刺激参数组合能起到的作用也有差异性,选择低频率rTMS可明显降低局部脑血流以及代谢水平,相反,高频率的rTMS起到提高作用。随着人们开始认识到rTMS能够在一定程度上改善重度抑郁和一些运动障碍类疾病,使得rTMS在一些国家已经成为辅助治疗抑郁症的常用方法。但rTMS对于缺血性脑血管病的影响,目前人们所了解的还不多,现阶段对动物和人体的实验已经证实磁刺激可以改变脑血流量。有学者实验验证磁刺激大鼠脑局域性脑缺血模型可以有效的减小脑梗死面积而改善神经功能障碍程度,而脑梗死的病理过程中大都伴随着脑血液流变学的变化,而至今尚未有从血液流变学角度来观察磁刺激对大鼠缺血脑模型的影响效果,而本文旨在探讨rTMS对大鼠脑缺血损伤后急性期血液流变学的影响,从而进一步探索rTMS应用于辅助治疗缺血性脑血管疾病的可能性。
  方法:使用二血管阻断法加低压法制备大鼠的脑缺血模型,于模型制作1h,3h,5h,9h,11h,18h各给予rTMS刺激,每序列时间5s,序列间隔2min,共10个序列,刺激参数选择高频高强(20Hz,200%MT)。在模型制作20h后自尾尖采集2.5ml血液,使用血流变仪测定全血高切粘度,全血中切粘度,全血低切粘度,和血沉。比较受到不同处理的大鼠之间血流变参数的差异性,分析rTMS对这些观察指标的影响。
  结果:本文发现制作脑缺血模型后的大鼠比起假手术组的大鼠各指标均有明显变化,血液粘度升高,血沉值增大,提示着在血液中红细胞的聚集性在增加;在受到经颅重频磁刺激处理过的大鼠中,全血中切粘度和低切粘度相比模型组明显下降,表示经过磁刺激的处理,红细胞的聚集性有所降低,血液粘度也有降低。
  结论:本文研究结果说明经颅重频磁刺激(rTMS)可以改善脑缺血后血液粘度和红细胞聚集性。可能会对促进血液循环,脑缺血组织的保护起到作用。提示rTMS辅助治疗缺血类脑血管疾病有广阔的前景。作为一种初步探索研究,本文中的实验方案还需要完善,且由于动物样本量比较小,rTMS对脑缺血的这种保护作用有待进一步的验证。
  创新点:首次观察经颅重频磁刺激(rTMS)对脑缺血后血液流变学指标的影响作用。
[博士论文] 宫兆新
流体力学 上海交通大学 2010(学位年度)
摘要:在科学与工程中,尤其在生物流体力学领域,经常会遇到膜结构和流场相互作用的复杂问题。浸入边界法是解决此类问题的一种有效方法,它的基本思想是将复杂结构的边界模化成Navier-Stokes动量方程中的一种体力。浸入边界法的主要特点是使用简单的笛卡尔网格计算流场信息,有效地避开了生成贴体网格的困难,提高了计算效率。
   浸入边界法在研究小雷诺数流动下的大变形问题时,优势十分明显。细胞的运动就属于这一范畴。细胞是生命的基本单位,对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键。细胞主要通过改变自身形状来抵抗外力作用,因此细胞膜的形状在细胞运动过程中可能要产生很大的形变。研究细胞的变形和受力情况对临床医学和生物力学实验研究都有着重大的意义。
   本文研究浸入边界法的数学性质及其在细胞力学领域的应用。介绍了浸入边界法的基本内容,探讨了浸入边界法的稳定性和精度,开发了相应的二维和三维的数值模拟软件,分析了细胞在剪切流中的运动特性,建立了非电解质跨细胞膜输运的浸入边界法模型。
   研究成果如下:
   1.通过分析跳跃模型与光滑模型两种模型方程的特征值在不同模态下的变化,首次证明:与仅具有张力的弹性膜(抗张膜)问题一样,抗弯膜问题的浸入边界解法至少具有线性稳定性。分析表明:δ函数的正则化形式缓和了浸入边界问题的刚性;抗弯膜问题与抗张膜问题相比较具有更大的刚性,计算弯矩作用比计算张力作用更加困难;对于既有弯矩作用又有张力作用的膜,张力对低频模态起主要作用而弯矩对高频模态起主要作用。高频模态具有较大的衰减率和较高的振动频率,对于抗弯膜问题应尽量考虑隐式时间步长格式。
   2.应用虚拟解法研究了浸入边界法的精度。在应用虚拟解法证明了所用计算程序正确性的基础上,拓展虚拟解法的功能,分析了具有跳跃压强分布的流场的计算精度,对于四种不同阶数的δ函数的正则化形式,确认浸入边界法只具有一阶精度。证实了Peskin基于δ函数正则化形式的数学性质对于浸入边界法精度所作的判断;分析了其他使用数值离散方法得到不同结论的因为。分析结果证明,改变δ函数的正则化形式不能提高浸入边界法的精度,但会影响离散误差值。
   3.结合基本的NS方程的有限体积法求解器,研发了基于浸入边界法的细胞膜运动的数值模拟软件,实现了细胞内外流场的耦合求解。自主开发的细胞膜计算程序,将膜结构简化为忽略厚度和弯矩作用的弹性膜,包括了Hookean模型、Neo-Hookean模型、Skalak模型和Evans-Skalak模型等四种膜的本构关系;可用于模拟细胞在二维或三维流场中的运动,计算细胞膜表面的速度、位移、应变和应力等等信息。
   4.数值模拟了细胞在剪切流中的运动,分析了细胞的运动特性和相关参数的影响。计算结果显示:在剪切流的作用下,细胞在初始形状的基础上旋转变形直到达到一个稳定状态,膜做坦克履带式运动。综合分析二维和三维数值结果,得到以下结论:细胞稳态的泰勒形参与真圆度和毛细数正相关;细胞稳态形状的主轴和来流的夹角与真圆度和毛细数均呈现负相关;膜的坦克履带式运动周期随着真圆度的增加而变大;膜的本构关系对计算结果的影响随着毛细数的增加而显著增大。
   5.建立了非电解质跨细胞膜输运的浸入边界法模型,该模型包括了溶质输运和水的运动,拓展了浸入边界法在细胞力学中的应用。推导了将渗透性细胞膜作为浸入边界处理时,非电解溶质的单位流量和浓度计算公式,得到了非电解溶质输运模型,并使用一维定常算例对该模型作了初步验证。水的运动直接采用原有的浸入边界法模型,并与溶质输运模型相结合,构成了细胞传质的浸入边界法模型。整个传质模型包含了膜的变形、水的运动和溶质扩散等信息。
[博士论文] 周萌
流体力学 中国科学技术大学 2010(学位年度)
摘要:对鱼类游动的生物力学问题进行实验研究,在科学探索和技术开发两方面都极具意义。近年来,伴随着实验手段和技术的多样化、精细化和系统化程度的提高,针对鱼类游动运动链一体化的定量化研究成为一大趋势。为此,本文基于“神经控制一肌肉主动收缩一被动变形”这一控制框架,对鲫鱼的形态学、肌电信号以及皮肤、肌肉和躯干力学性能及本构关系进行了实验研究,并在此基础上归纳总结出“数字鱼”的简化模型,进行了如下主要工作:
   一、对鲫鱼样本个体以及不同样本构成的鲫鱼群体,对几何形态参数、质量形态参数方面的规律进行了实验研究:通过对不同鲫鱼样本的二维形貌记录,确定了其身体各部位,如头长、躯干长、全长等变量和体长的线性对应关系;通过影栅云纹法和三维坐标机直接测量法的定量测量及其结果的对比,得到了鲫鱼三维形貌的几何形态参数。采用分段切片的实验方式,研究了其躯体由头到尾的质量分布规律。通过对不同鲫鱼样本体长和体重进行统计,明确了二者之间的幂指数对应关系。
   二、研究了鲫鱼游动过程中的肌电测量技术,详细论述了肌电实验的手术操作过程,经过成年男性心电信号测量实验的标定和检验,利用自行设计制作的肌电放大器对鲫鱼在C形快速起动状态下转弯侧体表红肌的肌电信号给出了初步的测量结果,得到了其转弯侧体表红肌几乎同时开始活动、其持续的活动时间大致相同、并远小于鱼体完成整个运动历程所需时间的结论;通过前人学者就其他鱼种在巡游状态下的肌电测量实验结果来推断鲫鱼相应的结论;根掘肌电活动模式,探讨了鲫鱼快速起动过程中毛氏细胞同步触发运动神经信号、产生肌肉同步收缩的神经控制方式;基于鲫鱼肌肉伸展方向与头尾轴存在夹角的结构特点,讨论其可能提供更高收缩张力的潜在助益。
   三、采用单轴拉伸实验的方式对鲫鱼的皮肽和肌肉分别进行了破坏实验、松弛实验和蠕变实验,以确定其杨氏模量、归一化松弛函数和归一化蠕变函数,并通过粘弹性力学模型确定其本构关系,讨论了其粘弹性性质以很小的能量损耗为代价,却增加了躯体有效刚度的可能性。采用自行设计制作的弯曲变形实验机,对鲫鱼不同部位躯干进行弯曲变形实验,以考察其角刚度和力学性能,得到了其躯干前端角刚度最大的结论;通过长时间交变加载实验的结果,获得了在动态弯曲变形的情况下,可将鱼体躯干近似视为弹性体的结论。
   四、对鲫鱼的形态学参数、肌肉活动模式、皮肤和肌肉本构关系、以及躯干动态弯曲实验的结果进行归纳总结,通过无量纲化的方式进行处理,得到了通用的实验数据,初步建立了“数字鱼”模型,得到了诸如“数字鱼”水平断面即为其俯视形态,且包络于NACA0014和NACA0020翼型之中的结论;并将其在鱼体结构模型建立和计算流体力学两方面进行了初步应用,反映了“数字鱼”研究的必要性和重要意义。
  
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