仿生鲨鱼皮滚压成型表面减阻数值模拟研究

鲨鱼皮泳衣的原理
鲨鱼皮泳衣是一种专门为游泳运动员设计的高科技泳衣，它采用了仿生学原理，模仿了鲨鱼皮肤的纹理和结构，以达到减阻增速的效果。

这种泳衣在游泳比赛中被广泛使用，因为它能够显著提高游泳者的速度和效率。

那么，鲨鱼皮泳衣究竟是如何实现这一效果的呢？
首先，鲨鱼皮泳衣采用了高科技的材料，如聚氨酯纤维等，这些材料具有极低
的摩擦系数和优异的弹性，能够减少游泳时的水阻力，提高游泳速度。

其次，鲨鱼皮泳衣的表面纹理模仿了鲨鱼皮肤的细小齿状结构，这种结构能够在水中形成微小的涡流，减少了水流对游泳者身体的摩擦，进一步减小了水阻力。

此外，鲨鱼皮泳衣还采用了紧身设计，能够减少游泳者身体在水中的摆动，使游泳动作更加流畅，并减少了水流对身体的干扰，从而提高了游泳效率。

除了以上几点，鲨鱼皮泳衣还利用了流体动力学原理，通过科学的设计和结构
优化，使得泳衣在水中的运动更加符合人体力学特性，减小了游泳时的能量损耗，提高了游泳者的速度和耐力。

此外，鲨鱼皮泳衣还具有一定的浮力，能够帮助游泳者更好地保持姿势，降低身体下沉的程度，减小水流对身体的阻力，进一步提高了游泳效率。

总的来说，鲨鱼皮泳衣能够提高游泳者的速度和效率，主要得益于其采用了高
科技材料、仿生学设计和流体动力学原理。

这种泳衣的问世，为游泳运动员带来了巨大的帮助，使他们能够在比赛中取得更好的成绩。

随着科技的不断进步，相信鲨鱼皮泳衣的原理和设计也会不断得到改进和完善，为游泳运动员创造更好的竞技环境。

动物风阻系数（一）动物风阻系数概念风阻系数是一个数学参数，用于计算物体在空气流动中所产生的阻力大小。

动物表皮的风阻系数也引起了科学家们的研究兴趣。

例如，海豚在水中游动的阻力极小，这引发了对其皮肤抗阻力特性的研究。

（二）动物风阻系数研究现状动物表皮的风阻系数是一个复杂且令人兴奋的研究领域，许多科学家都在努力解析不同物种如何优化自己的皮肤结构以减小空气或水的阻力。

近期的研究进展中，德国研究所的工程师研制出一种仿鲨鱼皮的表面涂层，将其安装在一台风电机的叶片上进行测试，实验结果显示这种涂层可以使叶片的升阻比提高30％以上，这显示了仿生学在减阻领域的巨大潜力。

另一方面，有研究尝试直接复制水下低阻动物如鲨鱼坚硬表皮的形貌，以此制造出更接近生物原型的仿生减阻表面。

这些尝试不仅有助于我们理解自然界中的优化设计原理，也为实际应用提供了可能，特别是在航空航天领域。

（三）动物风阻系数研究意义动物表皮的风阻系数研究对于深入理解自然界中的优化设计原理，具有重要的科学价值。

例如，仿生学的研究可以帮助我们模仿海豚等水下生物的皮肤结构以减小水阻，甚至开发出一种仿鲨鱼皮的表面涂层，用于提升风电机组的工作效率，德国研究所的工程师已经证实了这种涂层可将叶片的升阻比提高30％以上。

此外，对动物表皮的微结构进行仿生复制，也可以产生与生物原型接近的减阻表面。

这项研究的应用潜力也非常广泛。

在航空航天领域，减阻技术的进步能够提高飞行器的空气动力性能，并因此节约燃料，降低运营成本。

而在国防、工业生产和日常生活中，仿生减振降噪技术也有着广泛的应用前景。

这些实际应用不仅能推动相关产业的发展，而且能改善人类的生活质量。

（四）动物风阻系数研究方向及趋势动物表皮的风阻系数研究方向多元且深入。

一方面，研究焦点在与理解海豚等大型海洋动物如何通过优化其皮肤结构以减小水阻。

例如，美国科学家团队曾录制了两只海豚游动的过程，以期揭示其皮肤的抗阻力特性。

同时，对鲨鱼皮肤的研究也日益深入，因为鲨鱼皮肤表面存在少量黏液并且其表面有独特的沟槽构造。

仿水生动物皮层消声结构消声机理的研究分析力学与工程科学系郑悦、郭泓指导老师：马建敏摘要：运用仿生学原理，研究鲨鱼表皮结构，对鲨鱼皮盾鳞结构所具有的多孔吸声材料和共振吸声结构的特性进行了探讨，对入射声波反射情况作出了声线分析，并提出了仿生优化设想，证明鲨鱼皮结构确实具有消声性能，有望运用于各种消声设施中。

关键字：鲨鱼皮、盾鳞、多空吸声材料、共振吸声结构、声线分析Abstract: Through the way of bionics, the acoustics features of the structure of shark skin are explored. This paper mainly discusses the porous and structural resonance sound-absorbing features of placoid scale of shark skin, analyses the sound ray and proposes the optimization of this structure. The result of the analysis proves that the structure of shark skin has the capability of noise reduction and it is likely to be applied to various noise reduction facilities.Key words: shark skin, placoid scale, porous sound-absorbing material, resonance sound-absorbing structure, sound ray analysis.引言通过仿生设计新的功能材料已被证明是一种非常重要的手段。

仿生不但可以大大缩短结构的设计周期，而且可以提高设计的成功率，成为当代科研工作者的重点研究领域。

第２１卷第４期２０１４年８月塑性工程学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＰＬＡＳＴＩＣＩＴＹＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＶｏｌ．２１Ｎｏ．４Ａｕｇ．２０１４ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－２０１２．２０１４．０４．０１２鲨鱼皮仿生结构应用及制造技术综述＊（北京航空制造工程研究所金属成形技术研究室，北京１０００２４）刘宝胜吴为曾元松摘要：鲨鱼体表的盾鳞沟槽结构具有显著的减阻效果。

鲨鱼仿生沟槽结构的应用涉及航空、舰艇、汽车、管路运输、风力发电等领域。

鲨鱼皮沟槽结构的仿生制造主要有两个途径，即沟槽结构形式与鲨鱼盾鳞仿真结构形式。

文章针对沟槽结构的微槽滚压、金刚石多轮廓磨削、飞秒激光烧蚀等制造技术，及鲨鱼盾鳞仿真结构的微压印法、固化法、微电铸法、微纳米滚压法、软刻技术等进行了综述，并对鲨鱼皮仿生结构制造技术进行了展望。

关键词：鲨鱼盾鳞；仿生结构；减阻；制造技术中图分类号：Ｖ２６文献标识码：Ａ文章编号：１００７－２０１２（２０１４）０４－００５６－０７ＲｅｖｉｅｗｏｎａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｈａｒｋｓｋｉｎｂｉｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅＬＩＵＢａｏ－ｓｈｅｎｇＷＵＷｅｉＺＥＮＧＹｕａｎ－ｓｏｎｇ（ＢｅｉｊｉｎｇＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００２４Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｓｈａｒｋｓｋｉｎｉｓｐｒｏｖｅｄｔｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｅｆｆｅｃｔｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅｂｉｏｎｉｃｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｗｉｄｅｌｙａｐｐｌｉｅｄｉｎｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｓｕｃｈａｓａｖｉａｔｉｏｎ，ｎａｖａｌｖｅｓｓｅｌｓ，ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅｓ，ｐｉｐｅｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎａｎｄｗｉｎｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｂｉｏｎｉｃｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｃｕｓｅｓｏｎｔｗｏｓｔｙｌｅｓ：ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｈａｒｋｐｌａｃｏｉｄｓｃａｌｅｓｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ａｓｔｏｔｈｅｆｏｒｍｅｒｓｔｙｌｅ，ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏ－ｒｉｂｌｅｔｒｏｌｌｉｎｇ，ｄｉａｍｏｎｄｐｒｏｆｉｌｅｇｒｉｎｄｉｎｇ，ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒａｂｌａｔｉｏｎａｒｅｒｅ－ｖｉｅｗｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏ－ｔｈｅｒｍａｌｐｒｅｓｓｉｎｇ，ｓｏｌｉｄｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏ－ｃａｓｔｉｎｇ，ｍｉｒｃｏ／ｎａｎｏ－ｒｏｌｌｉｎｇａｎｄｓｏｆｔｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙａｒｅａｌｓｏｒｅｖｉｅｗｅｄｆｏｒｔｈｅｌａｔｔｅｒｓｔｙｌｅ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅｒｉｂｌｅｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｈａｒｋｓｋｉｎｐｌａｃｏｉｄｓｃａｌｅ；ｂｉｏｎｉｃｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｄｒａｇｒｅｄｕｃｔｉｏｎ；ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ引言鲨鱼体表由菱形排列的盾鳞（ｐｌａｃｏｉｄｓｃａｌｅｓ）覆盖［１］，呈现肋条状的表面结构，如图１所示。

鲨鱼皮的仿生原理鲨鱼皮的仿生原理鲨鱼皮是一种具有特殊结构的材料，能够在水中快速游动，并且不易被污染物附着。

这种材料的独特性质得益于其仿生原理。

本文将从分子层面、微观结构和宏观性质三个方面详细介绍鲨鱼皮的仿生原理。

一、分子层面1.1 表面化学特性表面化学特性是影响材料表面性质的重要因素。

鲨鱼皮表面具有一种称为“超疏水”的特性，即水滴在其表面上呈现出高度球形而不易滑落。

这是由于鲨鱼皮表面存在大量的氟碳化合物，使其表面能量非常低，从而阻止了水分子与其接触。

1.2 磷脂双分子层磷脂双分子层是构成细胞膜的基本单位，也是构成许多仿生材料的基础单元之一。

在鲨鱼皮中，磷脂双分子层具有非常紧密的排列方式，形成了一种称为“表皮层”的特殊结构。

这种结构不仅可以防止水分子进入材料内部，还能够减少摩擦力，提高材料的流动性。

二、微观结构2.1 龙骨结构龙骨是鲨鱼身上的一种硬质组织，具有非常坚固的特性。

在仿生材料中，龙骨结构被用来增加材料的强度和刚度。

在鲨鱼皮中，龙骨结构被模拟成一种称为“竖毛”的微观结构。

这种竖毛可以增加表面积和流动性，从而提高材料的耐磨性和抗污染能力。

2.2 三角形鳞片三角形鳞片是覆盖在鲨鱼身上的一种具有特殊形状的组织。

在仿生材料中，三角形鳞片被用来增加材料表面的摩擦力和稳定性。

在鲨鱼皮中，三角形鳞片被模拟成一种称为“纤维素板”的微观结构。

这种纤维素板具有非常坚硬的特性，并且可以形成一种类似于三角形鳞片的结构。

三、宏观性质3.1 流体动力学特性流体动力学特性是影响材料在水中运动的重要因素。

在仿生材料中，流体动力学特性被用来优化材料的流线型和减少阻力。

在鲨鱼皮中，流体动力学特性被模拟成一种称为“鲨鳍”的宏观结构。

这种鲨鳍具有非常坚硬和柔软的特性，可以自由弯曲和扭转，从而提高材料在水中的机动性和速度。

3.2 自清洁能力自清洁能力是指材料表面能够自行清除污染物的能力。

在仿生材料中，自清洁能力被用来减少污染物对材料表面的附着，并且保持其表面光滑和干净。

仿生学发明的例子大全
仿生学是研究生物学原理并将其应用于工程和技术领域的学科。

下面是一些仿生学发明的例子：
1. 鲨鱼皮纹理减阻涂层：仿生学研究发现鲨鱼的皮肤纹理可以减少流体阻力，于是科学家们开发出一种仿生材料，可以应用于船舶或飞机等物体表面，从而减少阻力，提高速度。

2. 花粉仿生尘埃传感器：模仿花粉振动的微小变化，科学家开发了一种尘埃传感器，可以准确检测空气中的微粒物质浓度，并提供空气污染的实时数据。

3. 蓮葉效應抗污塗層：蓮葉效應是仿生學上的一個領域，研究人員擷取蓮葉表面的微小結構，開發出防污塗料。

這種塗層具有自潔效果，能夠抵抗水、油、雜質等污染物。

4. 像鸟的翅膀的飞机机翼：研究鸟类飞行的原理，科学家们发现鸟的翅膀具有独特的形状和结构，通过模仿鸟的翅膀设计飞机机翼，可以提高飞机的升力和稳定性。

5. 蚁群算法优化算法：模仿蚁群行为，科学家们开发了一种优化算法，可以解决复杂的问题，如路径规划、任务分配等。

蚁群算法通过模拟蚂蚁找到食物的行为，寻找最优解。

6. 能量自回复材料：仿生学研究发现一些生物能够自行修复受损的组织，科学家们开发出了能够自动修复损伤的材料，可应用于建筑材料、电子设备等领域，提高材料寿命和性能。

7. 毛细管结构供水系统：受植物细小的毛细管结构启发，科学家们设计了一种新型的供水系统，可以通过毛细管效应将水输送到远距离或高处，为干旱地区提供可靠的供水。

这只是一小部分仿生学发明的例子，仿生学的应用领域非常广泛，科学家们不断地在不同领域探索生物学的奥秘，寻找灵感，创造出更多创新的发明。

第36卷 第5期 陕西科技大学学报 V o l.36N o.5 2018年10月 J o u r n a l o f S h a a n x iU n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y O c t.2018* 文章编号:2096-398X(2018)05-0141-05高频电手术刀表面激光制备仿生鲨鱼皮微结构的研究杨立军,刘 楠,闫程程,李 晨*,陈 威,张 达(陕西科技大学机电工程学院,陕西西安 710021)摘 要:针对高频电刀在对组织切割和止血过程中,存在组织粘附导致无法切割和凝血不充分的现象,提出了在电刀表面加工一种优化的鲨鱼皮微结构来改善其性能,并以新鲜猪肝为切割对象,研究了微结构尺寸参数对电刀摩擦性㊁液体减阻率㊁粘附性的影响.实验结果表明:仿生鲨鱼皮微结构能有效降低切割组织过程中的摩擦力与粘附量,该结构最大可以减少21.88%的摩擦阻力,5.4%~16.91%的组织粘附量.关键词:激光微加工;仿生微结构;高频电刀;粘附性;316L不锈钢中图分类号:T G14 文献标志码:AS t u d y o nb i o m i m e t i c s h a r k s k i nm i c r o s t r u c t u r e p r e p a r e db yl a s e r o n t h e s u r f a c e o f h i g h-f r e q u e n c y e l e c t r o t o m eY A N GL i-j u n,L I U N a n,Y A N C h e n g-c h e n g,L IC h e n*,C H E N W e i,Z H A N G D a(C o l l e g eo f M e c h a n i c a la n d E l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g,S h a a n x i U n i v e r s i t y o fS c i e n c e&T e c h n o l o g y,X i'a n710021,C h i n a)A b s t r a c t:I nt h e p r o c e s so f c u t t i n g a n dh e m o s t a s i so f t i s s u eb y h i g h-f r e q u e n c y e l e c t r o t o m e,t h e r e i s t i s s u e a d h e s i o nc a u s e db y t h e i n a b i l i t y t oc u t a n db l o o dc l o t t i n g i sn o t s u f f i c i e n t,i n t h i sw o r k,a no p t i m i z e ds h a r k s k i ns u r f a c e m i c r o-s t r u c t u r e w a s p r e p a r e do nt h es u r f a c eo fh i g h-f r e q u e n c y e l e c t r o t o m e t o i m p r o v e i t s p e r f o r m a n c e.F r e s h p o r k l i v e rw a su s e da sac u t-t i n g t a r g e t t o s t u d y t h e e f f e c t s o f l a s e r p o w e r,s h i e l d s c a l e s p a c i n g,a n d s h i e l d s i d e l e n g t ho n t h e f r i c t i o n p r o p e r t y,d r a g r e d u c t i o n,a n da d h e s i o no f t h ee l e c t r o t o m e.T h ee x p e r i m e n t a l r e-s u l t s s h o w e d t h a t t h e b i o m i m e t i c s h a r k s k i nm i c r o s t r u c t u r e c a n e f f e c t i v e l y r e d u c e t h e f r i c t i o na n d a d h e s i o n i n t h e p r o c e s so f c u t t i n g t h e t i s s u e.T h es t r u c t u r ec a nr e d u c e f r i c t i o n a l r e s i s t-a n c eb y21.88%,t i s s u e a d h e s i o nb y5.4%t o16.91%.K e y w o r d s:l a s e rm i c r o-p r o c e s s i n g;b i o n i cm i c r o s t r u c t u r e;h i g h-f r e q u e n c y e l e c t r o t o m e;f r i c-t i o n p r o p e r t y;s t a i n l e s s s t e e l316L*收稿日期:2018-04-22基金项目:国家自然科学基金项目(61705124);陕西省科技厅自然科学基础研究计划项目(2018J M5012);陕西科技大学博士科研启动基金项目(2016B J-78)作者简介:杨立军(1974-),男,陕西西安人,教授,博士,研究方向:生物医用材料通讯作者:李 晨(1985-),男,河南洛阳人,副教授,博士,研究方向:激光精密制造方向,l i c h e n@s u s t.e d u.c nCopyright©博看网 . All Rights Reserved.陕西科技大学学报第36卷0 引言随着医疗器械的发展,高频电刀因具有缩短手术时间㊁止血效果好㊁能对创口杀菌等优点,已逐渐取代传统手术刀,成为临床上主要应用的手术器械.然而,高频电刀产生的组织热效应在对组织切割和止血的同时,还会导致组织在手术电极表面黏附[1].组织粘附在电极表面不仅难以去除而且会增大整个电流回路的电阻,导致电极表面的电流密度减少,出现无法切割和凝血不充分的现象[2,3].近年来,如何通过高频电刀表面改性来降低电极表面组织粘附已经得到各界的广泛关注.张德远等[4]在高频电刀电极表面加工微纳结构,利用微纳结构间隙的表面作用使生物相容液体润滑手术电极表面,隔离软组织与手术电极表面的接触,降低手术电极温度,从而达到抑制电极表面粘附发生的目的.C h e n g等[5]仿照荷叶的超疏水乳突结构,在电极表面刻蚀出周期性分布的微-纳米颗粒,以降低电极表面的组织粘附.L i n等[6]用飞秒脉冲激光在电极表面制备出微纳米结构,处理后的表面具有更好的热传导性能,能有效避免温度过高造成的组织损伤,同时可以提高电极表面的抗粘附性.自然界非光滑生物表面是经过长时间优化与选择形成的,仿生非光滑表面微结构不仅成本低㊁易实现,还能减少污染,具有重要的应用价值[7].F r o h n a p f e l等[8]简化鲨鱼皮表面微沟槽,进行数值模拟,证明了沟槽间湍流耗散率对减阻效果有重要影响.张德远等[9]用热压印法大面积复制鲨鱼皮外表面,用水筒阻力实验证明仿生鲨鱼皮最大减阻率可达8.25%.邵静静等[10]通过介绍鲨鱼皮结构及防污原理,提出鲨鱼皮仿生作为一种全新的防污方法,无毒无污染㊁物理性能优良,受到越来越多学者的重视.综上所述,鲨鱼皮表面具有极好的减阻效果以及抗黏附性能,将其仿生结构应用于高频电刀的表面能够显著改善其性能,但针对仿生鲨鱼皮微结构参数对实际组织切割的实验效果罕见报道,本文正是在此基础上展开研究的.1 实验装置与方法实验所用材料为不锈钢316L单面抛光薄片(规格为50mm×50mm×0.67mm)和316L不锈钢手术刀,激光加工前先将表面抛光至镜面光泽,然后依次放入丙酮㊁酒精以及去离子水中各超声清洗5m i n.采用英国S P I100型光纤激光器对样品进行加工,激光波长1070n m,功率范围10~100W,脉冲频率1~100K H z.整个激光加工系统如图1所示,主要包括激光发生器,光路系统以及运动系统.激光发生器产生规定功率和频率的脉冲激光,通过光路系统对激光进行偏转㊁折射和聚焦.实验采用的激光光束直径为5mm,通过反射镜与30mm 聚焦镜聚焦产生直径18毺m的光斑.使激光垂直聚焦在安装于运动平台的样品表面.激光加工过程中,空气中的样品不动,通过控制运动平台的运动轨迹加工所需要的微纳米结构.图1 激光加工系统鲨鱼皮表面由多个菱形排列的盾鳞状鳞片组成,盾鳞表面主要由鳞脊和鳞柱两部分构成,结构如图2所示.图2 原始鲨鱼皮结构S E M图[11]合理处理原始鲨鱼皮表面结构参数,根据激光加工工艺并利用仿生学原理,将单个鲨鱼皮鳞片抽象简化为正方形结构,自主设计仿生鲨鱼皮微结构,其结构示意图如图3所示.采用光纤激光器在不锈钢316L表面加工仿生鲨鱼皮微结构,加工结果如图4所示.图3 优化后的鲨鱼皮表面微结构㊃241㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.第5期杨立军等:高频电手术刀表面激光制备仿生鲨鱼皮微结构的研究图4 仿生鲨鱼皮表面S E M 图具体仿生微结构尺寸介绍如下:设正方形盾鳞边长为L (依次取600μm ㊁800μm 和1000μm ),盾鳞间距为D (依次取150μm ,300μm 和450μm ),在电刀表面进行实验.实验获得在激光功率P 为15~21W ,频率1000H z ,扫描速度5m /m i n ,占空比50%的参数下,制备的微纳米结构清晰规整㊁表面质量好.因此,依次取15W ㊁18W 和21W 的激光功率进行表面加工实验,实验参数如表1所示.表1 激光加工参数表试样号P /W D /μm L /μm 115150600215300800315450100042115080052130010006214506007181501000818300600918450800高频电刀在对组织进行切割和止血的同时还会造成组织在电刀表面的粘附.高频电刀进行组织切割时,刀头首先和组织发生接触,产生摩擦作用,摩擦力越小,越有利于刀具切割;其次,电刀切入组织,发生组织粘附.因此,实验主要针对微结构的摩擦性㊁微结构疏水性㊁液体减阻性以及粘附性进行分析验证.2 实验分析与讨论2.1 仿生鲨鱼皮结构摩擦性分析将猪肝切成ϕ45mm ㊁厚2mm 的圆盘形薄片固定在ϕ45mm ㊁厚6mm 的金属底板上,刀具切割成5mm 长的长方形长条固定在6×7×8mm 的定位销上.设置实验参数:加载力10N ,主轴转速10r /m i n ,室温环境进行实验.然后使用MMW -1型立式万能摩擦磨损试验机检测刀具基体材料与猪肝制件的摩擦磨损.每组实验进行3次求取平均值作为结果,各组摩擦系数如表2所示.表2 仿鲨鱼皮表面微结构摩擦系数表样件号摩擦系数f 10.21+0.088-0.05820.20+0.022-0.06630.22+0.050-0.07740.23+0.044-0.14450.22+0.062-0.06660.22+0.042-0.02470.22+0.066-0.08380.21+0.053-0.05090.21+0.039-0.044由摩擦系数表2可知,9号件的微结构参数最有利于减少摩擦,得出本次实验降低高频电刀摩擦性的最优仿生鲨鱼皮微结构加工参数为:P =18W ,D =300μm ,L =800μm.对以上结果进行正交试验方差分析,结果如表3所示,可知对仿生鲨鱼皮微结构摩擦性影响因素的大小依次为:盾鳞间距(D )>激光功率(P )>盾鳞边长(L );针对最优盾鳞间距D =300μm 的解释为:微结构的存在使得单位面积下电刀接触面减少,表面摩擦力减少,但当盾鳞间距过小(D =150μm )时,沟槽过密会提升电刀单位面积表面粗糙度导致摩擦力增加.仿生鲨鱼皮结构最大可减少21.88%的摩擦阻力.表3 微结构摩擦系数正交试验结果P/W D /μmL /μmK 10.6381990.6644910.640260K 20.6675690.6312090.637227K 30.6358680.6474390.664149k 1(=K 1/3)0.2127330.2214970.213420k 2(=K 2/3)0.2225230.2104030.212409k 3(=K 3/3)0.2119560.2158130.221383R0.0105670.0110940.0089742.2 仿生鲨鱼皮表面液体减阻分析2.2.1 仿生鲨鱼皮表面疏水性在仿生鲨鱼皮微结构表面多次进行接触角实验,求取平均值,检测微结构表面疏水性,实验结果如图5所示.(a )1号件 (b )2号件㊃341㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.陕西科技大学学报第36卷(c )3号件 (d )4号件(e )5号件 (f )6号件(g)7号件 (h )8号件(i )9号件 (j)原始件图5 不同参数样品表面接触角原始件为光滑基体表面,其接触角为68°.对实验结果进行正交试验方差分析结果如表4所示,可见R L >R P >R D ,即影响仿生结构疏水性因素的大小依次为盾鳞边长(L )>激光功率(P )>盾鳞间距(D ).考虑到液滴与仿生鲨鱼皮表面的接触是一种复合接触,液滴不能填满粗糙表面的凹槽,因此选择C A S S I E 模型(c o s θ*=f 1c o s θ1+f2c o s θ2),进行分析得出表面接触角.实验结果表明仿生鲨鱼皮表面接触角均大于光滑基体表面接触角,即仿生鲨鱼皮微结构表面能够增加高频电刀表面疏水性,接触角最大可提升21%.面纹理的引入,减少固液相接触面积,提升表面.表4 微结构疏水性正交试验结果P/W D/μm L/μm K 1248.01246.54250.27K 2247.33245.87249.81K 3243.54246.47242.2k 1(=K 1/3)82.6782.1883.42k 2(=K 2/3)82.4481.9683.27k 3(=K 3/3)81.1882.1680.73R1.490.222.692.2.2 F L U E N T 仿真减阻通过三维建模软件P r o /E N G I N E E R 建立不同盾鳞间距与边长的三维模型,根据光纤激光器在刀具上制备的实际仿生鲨鱼皮微结构和前期实验测量结果,设置微沟槽宽度100μm 深度3μm ,共建立5个仿真组,其参数设置如表5所示.表5 猪血域光滑表面与仿生鲨鱼皮织构仿真参数表编号D /μmL /μm115080023008003450800415060051501000 将建立好的仿真模型导入F L U E N T 软件中,设置刀具切割肉的速度为1000mm /m i n 即0.0167m /s ,设置血液流速为0.1m /s ,根据雷洛数计算公式可得雷洛数范围为61.13~65.28远远小于层流与湍流的临界雷洛数,所以刀具在切割猪肝组织细胞时的血液与刀具间的流动黏附状态为层流状态,选择经典的L a m i n a r 层流模型来计算仿生鲨鱼皮微结构减阻效果.为使仿真结果更能反映高频电刀切割组织的实际情况,选择猪血作为计算材料,设置血液密度1.05×103k g /m 3,血液粘度8.24±2.27m P a ㊃s [12],温度20℃时,导热系数0.532W /M*k [13],比热C p =0.0190t +3.362[14],计算得C p 为3.742J /(g *K );刀具在实际切割时是常温环境,设置切割温度为293.15K ,切割的刀具温度为523.15K [15].计算猪血环境下仿生鲨鱼皮微结构对刀具表面的减阻情况,仿真计算结果如表6所示.表6 猪血域光滑表面与仿生鲨鱼皮织构摩阻系数及减阻率计算结果编号C fs C f gη/%12.12311582.08185941.9422.12249642.08926201.5732.11140702.08312031.3442.13046052.08449912.1652.12276672.08054281.99根据表6中的数据可知,仿真中刀具表面仿生结构最大可以减少2.16%的阻力,因此光纤激光器加工的仿生鲨鱼皮微结构在刀具切割组织时具有减小摩阻系数的效果.表面纹理的存在,使得沟槽底面产生小涡流,如图6所示,小涡流相互作用限制大涡流的产生,因此大量低速液体积聚在底面,减少阻力系数.猪血环境下的最优减阻参数为盾鳞间距150μm ,鳞片大小600μm ,仿生表面减阻率随着盾鳞间距的增加而减小,随着鳞片边长的增加呈现先减小后增大的趋势.㊃441㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.第5期杨立军等:高频电手术刀表面激光制备仿生鲨鱼皮微结构的研究(a)电手术刀微结构表面剪切应力云图(b)电手术刀微结构表面上流体速度分布云图图6 F L U E N T 仿真结果图2.3 仿生鲨鱼皮表面粘附性分析将新鲜猪肝切成宽2c m ㊁高2c m 的长条状,用夹具夹持在数控机床的工作台上,将高频电刀安装在卡盘上,设定加工参数:切割深度12mm ,切割速度1000mm /m i n .将电刀加热至250℃±10℃,在室温条件下进行实验,猪肝组织黏附情况如图7所示,其中图7(a)为原始件表面粘附情况,图7(b )为仿生鲨鱼皮结构表面粘附情况.(a)原始件(b)实验件图7 猪肝组织黏附图该实验重复三次,测量结果如表7所示.表7 电刀表面粘附质量均值表样件号粘附量M /m g 12.6+0.02-0.0222.33+0.05-0.0732.55+0.02-0.0442.63+0.07-0.0552.53+0.12-0.0762.37+0.07-0.0572.49+0.02-0.0482.37+0.17-0.2292.31+0.09-0.15由实验结果可知,仿生鲨鱼皮结构表面能有效减少猪肝组织的粘附.9号件的参数最有利于减少组织粘附,本次高频电刀抗粘附的最优仿生鲨鱼皮微结构加工参数为:P =18W ,D =300μm ,L =800μm.对实验结果进行正交试验方差分析,结果如表8所示,可得影响电刀粘附量因素的大小依次为:盾鳞间距(D )>激光功率(P )>盾鳞边长(L ).针对最优盾鳞间距D =300μm 的解释为:单位面积下沟槽间距越小,组织在基体上的粘附量越少,但沟槽间距过密提高电刀表面粗糙度,增大组织在基体上的粘附量.与影响摩擦系数分析结果一致,说明摩擦力在抗黏附中起主要作用.实验测得仿生鲨鱼皮结构最大可减少16.91%的组织粘附量.表8 微结构粘附量正交试验结果P /W D /μmL /μmK 17.487.727.34K 27.537.237.27K 37.177.237.57k 1(=K 1/3)2.492.572.45K 2(=K 2/3)2.512.412.42K 3(=K 3/3)2.392.412.52R0.120.160.13 结论仿生鲨鱼皮表面微结构能够有效改善电刀表面与组织切割面的接触情况,有效降低切割组织过程中的摩擦力,减小组织的粘附.仿生鲨鱼皮结构摩擦性分析实验结果表明:仿生鲨鱼皮结构最大可减少21.88%的摩擦阻力.仿生鲨鱼皮表面疏水性研究结果表明:仿生鲨鱼皮微结构表面能够增加高频电刀表面疏水性,接触角最大可提升21%.F L U E N T 仿真减阻分析结果表明:F L U E N T 仿真中刀具表面微结构最大可以减少2.16%的阻力.仿生鲨鱼皮表面粘附性分析结果表明:影响仿生鲨鱼皮微结构摩擦性与粘附量的因素大小依次为:盾(下转第158页)㊃541㊃Copyright©博看网 . All Rights Reserved.陕西科技大学学报第36卷34(6):831-836.[7]K a s h i h a r a K.A b r a i n -c o m p u t e ri n t e r f a c ef o r p o t e n t i a l n o n -v e r b a l f a c i a lc o mm u n i c a t i o nb a s e do n E E G s i g n a l s r e l a t e d t o s p e c i f i c e m o t i o n s [J ].E u r o p e a n J o u r n a l o f C l i n -i c a l I n v e s t i g a t i o n ,2014,29(5):395-403[8]K o s t a sM.T s i o u r i s ,S o f i a M a r k o u l a ,S pi r o sK o n i t s i o t i s ,e t a l .Ar o b u s t u n s u p e r v i s e d e p i l e p t i c s e i z u r e d e t e c t i o nm e t h -o d o l o g y t o a c c e l e r a t e l a r g eE E Gd a t a b a s ee v a l u a t i o n [J ].B i o m e d i c a l S i g n a lP r o c e s s i n g an dC o n t r o l ,2018,40:275-285.[9]L i n Y P ,J u n g T P .E x p l o r i n g d a y -t o -d a y v a r i a b i l i t y i n E E G -b a se de m o t i o nc l a s s if i c a t i o n [C ]//I E E E I n t e r n a -t i o n a l C o n f e r e n c e o nS y s t e m s .S a nD i e g o ,C A ,U S A :M a n a n dC yb e r n e t ic s I E E E ,2014:2226-2229.[10]J a o PK ,L i nYP ,Y a n g Y H ,e t a l .U s i n g r o b u s t p r i n c i pa l c o m p o n e n t a n a l y s i s t oa l l e v i a t ed a y -t o -d a y v a r i ab i l i t y i n E E Gb a s e de m o t i o nc l a s s i f i c a t i o n [C ]//E n g i n e e r i n g in M e d i c i n e a n dB i o l o g y S o c i e t y .M i l a n ,I t a l y:I E E E ,2015:570-573.[11]L i nYP ,J a oPK ,Y a n g Y H.I m p r o v i n g c r o s s -d a y E E G -b a se d e m o t i o nc l a s s if i c a t i o nu s i ng r o b u s t p r i n c i p a l c o m -p o n e n t a n a l y s i s [J ].F r o n t i e r s i n C o m p u t a t i o n a lN e u r o -s c i e n c e ,2017,11:1-11.[12]M i n m i nC h e n g ,Z u h o n g L u ,H a i x i a n W a n g .R e gu l a r i z e d c o mm o n s p a t i a l p a t t e r n sw i t h s u b j e c t -t o -s u b j e c t t r a n s f e r o fE E Gs i g n a l s [J ].C o g n i t i v e N e u r o d y n a m i c s ,2017,11(2):173-181.[13]S o n g X ,Y o o nSC .I m p r o v i n g b r a i n -c o m p u t e r i n t e r f a c e c l a s s i f i c a t i o nu s i n g ad a p t i v ec o mm o ns p a t i a l p a t te r n s .[J ].C o m p u t e r s i n B i o l o g y &Me d i c i n e ,2015,61:150-160.[14]张健钊,姜 威,贲晛烨.基于样本熵与小波包能量特征提取和R e a lA d a B o o s t 算法的正常期㊁癫痫间歇与发作期的脑电自动检测[J ].生物医学工程学杂志,2016,33(6):1031-1038.【责任编辑:陈 佳 】(上接第145页)鳞间距(D )>激光功率(P )>盾鳞边长(L ).仿生鲨鱼皮微结构中,摩擦力是影响组织粘附的主要因素.仿生鲨鱼皮结构表面最大可减少16.91%的组织粘附量.参考文献[1]付和林.高频电刀电凝模式下猪肝脏组织在手术电极表面的粘附机制研究[D ].成都:西南交通大学,2016.[2]陈心葵,罗致诚.高频电刀的现状与将来[J ].国际生物医学工程杂志,1991,14(5):267-271.[3]D r a b k i nRL .S o m e u r g e n t p r o b l e m s i nm o d e r n e l e c t r o s u r -g e r y [J ].I a t r e i a ,1981,15(3):79-81.[4]张德远,陈华伟,张鹏飞,等.一种载能微创手术刀具表面自润滑防粘的结构[P ].C N :104188719A ,2014-12-10.[5]C h e n g C W ,L i nCY ,T s e n g W P ,e t a l .E l e c t r o s u r d i c a l u -n i t w i t h m i c r o /n a n o s t r u c t u r e a n d t h e m a n u f a c t u r i n g m e t h o d t h e r e o f [P ].U S :20130138103,2013-05-30.[6]L i nC C ,L i n H J ,L i n Y H ,e ta l .M i c r o /n a n o s t r u c t u r e ds u r f a c e m o d i f i c a t i o n u s i n g f e m t o s e c o n dl a s e r p u l s e so n m i n i m a l l y i n v a s i v ee l e c t r o s u r gi c a ld e v i c e s [J ].J o u r n a lo f B i o m e d i c a lM a t e r i a l sR e s e a r c hP a r tB A p p l i e dB i o m a t e r i -a l s ,2017,105(4):865-873.[7]李天然.仿生减阻表面的数值研究[D ].大连:大连理工大学,2012.[8]F r o h n a p f e lB ,J o v a n o v i J ,D e l g o d aA.E x p e r i m e n t a l i n v e s -t i g a t i o n s o f t u i b u l e n t d r a g r e d u c t i o nb y s u r f a c e -e m b e d d e d gr o o v e s [J ].J o u r n a lo fF l u i d M e c h a n i c s ,2007,590:107-116.[9]张德远,李元月,韩 鑫,等.高精度复合减阻鲨鱼皮复制成形研究[J ].科学通报,2010,55(32):3122-3127.[10]邵静静,蔺存国,张金伟,等.鲨鱼皮仿生防污研究[J ].涂料工业,2008,38(10):39-41,44.[11]C h o iH ,M o i nP ,K i mJ .D i r e c t n u m e r i c a l s i m u l a t i o no f at u r b u l e n t f l o wo v e r r i b l e t s [J ].JF l u i d M e c h ,1993,255:503-504.[12]蒋苏平,刘荫秋,周宝桐,等.猪腹部高速投射物伤后血液粘度的改变[J ].中华创伤杂志,1991,7(S 1):81.[13]张海峰,程曙霞,何立群.微探针法测量低温下生物材料导热系数研究[J ].仪器仪表学报,2004,25(1):53-56.[14]严 嘉,厉彦忠,肖建军.离体生物组织不同含水量下比热的D S C 测试[J ].制冷与空调,2007,21(4):5-8.[15]车艺蕾.高频电刀处理家兔牙髓时牙根表面温度变化的实验研究[J ].黑龙江医学,2014,38(10):1146-1148.【责任编辑:蒋亚儒】㊃851㊃Copyright©博看网 . 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