吉林大学学报(工学版) ›› 2014, Vol. 44 ›› Issue (3): 696-700.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb201403019

• 论文 • 上一篇    下一篇

基于蝉口针形态的仿生针头结构优化设计及减阻机理分析

王骥月1,丛茜1,齐欣1,2,张琰3   

  1. 1.吉林大学 生物与农业工程学院,长春130022;
    2.长春工程学院 理学院,长春130012;
    3.天津科技大学 机械工程学院,天津 300222
  • 收稿日期:2013-03-19 出版日期:2014-03-01 发布日期:2014-03-01
  • 通讯作者: 丛茜(1963),女,教授,博士生导师.研究方向:仿生科学与技术.E-mail:congqian@jlu.edu.cn E-mail:jywang12@mails.jlu.edu.cn
  • 作者简介:王骥月(1989),女,博士研究生.研究方向:仿生科学与技术.E-mail:jywang12@mails.jlu.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金项目(50875108);天津市高等学校科技发展基金计划项目(20120432).

Optimum structural design and analysis of drag reduction mechanism of bionic needles inspired by cicada stylet

WANG Ji-yue1, CONG Qian1, QI Xin1,2,ZHANG Yan3   

  1. 1.College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China;
    2.Changchun Institute of Technology, Changchun 130012, China;
    3.College of Mechanical Engineering, Tianjin University of Science and Technology,Tianjin 300222,China
  • Received:2013-03-19 Online:2014-03-01 Published:2014-03-01

摘要: 基于蝉上颚口针表面的非光滑结构形态,结合对蝉口针刺入机理的分析,设计出锯齿形仿生针头。采用二元二次回归正交组合试验优化设计方法,研究了锯齿宽度、锯齿间距这两个仿生结构参数对针头穿刺阻力的影响规律,求取了回归方程。得到最优仿生锯齿形针头的结构参数为:锯齿宽度0.3 mm、锯齿间距2.5 mm,减阻率为43.21%。锯齿形仿生针头通过减小接触面积、形成滚动轴承模型和产生微震的方式实现减阻效果,为无痛仿生针头的研制提供了依据。

关键词: 工程仿生学, 蝉口针, 减阻, 回归设计, 锯齿形

Abstract: The penetration mechanism of the mandibular stylet of cicada with non-smooth shape is analyzed. A bionic needle with saw tooth, which is inspired by cicada stylet is designed. The binary quadratic regression and orthogonal combination test optimization design method are employed to research the influences of two bionic structural parameters, the width of serrate and the interval of serrate, on the puncture resistance of syringe needle. A regression equation of the cicada stylet is obtained. The structure parameters of the optimal bionic saw tooth needle are that the width of serrate is 0.3 mm and the interval of serrate is 2.5 mm, and its drag reduction rate is 43.21%. The drag reduction effect of the saw tooth bionic needles is attributed to the decreasing contact area, forming rolling bearing model and producing microseism. This study provides the basis for the development of bionic painless needles.

Key words: engineering bionics, cicada stabber, drag reduction, regression design, saw tooth

中图分类号: 

  • TB17
[1] 马国军,吴承伟. 人造微针与生物微针研究进展[J]. 医用生物力学,2011,26(6):487-493.
Ma Guo-jun, Wu Cheng-wei. Advances in artificial microneedles and biomicroneedles[J]. Journal of Medical Biomechanics,2011, 26(6): 487-493.
[2] 马国军,吴承伟. 微针设计与刺入过程力学问题研究进展[J]. 力学进展,2012,42(3):314-331.
Ma Guo-jun, Wu Cheng-wei. A review on mechanics problems in microneedle design and penetrating process[J]. Advances in Mechanics, 2012, 42(3):314-331.
[3] Vandervoort J, Ludwig A. Microneedles for transdermal drug delivery: a minireview[J]. Frontiers in Bioscience Publications, 2008, 13(1):1711-1715.
[4] 佚名.激光注射打针不痛[J].质量天地,1998(2):43.
Anonymous. No pain in laser injection[J]. Quality World, 1998(2): 43.
[5] 齐迎春, 李岩, 金敬福, 等. 无痛注射技术研究现状[J]. 医疗卫生装备, 2009,30(9):34-36.
Qi Ying-chun, Li Yan, Jin Jing-fu, et al. Current status of research on painless injection[J]. Chinese Medical Equipment Journal, 2009, 30(9): 34-36.
[6] Kersten G, Hirschberg H. Needle-free vaccine delivery[J]. Expert Opinion on Drug Delivery, 2007,4(5):459-474.
[7] 宣建民.肌肉注射无痛器[P].中国:CN102218177A,2008-01-16.
[8] 唐建萍. 经络压迫无痛注射法[J]. 基层医学论坛, 2008,12(18): 568.
Tang Jian-ping. Meridian oppression painless injection method[J]. Public Medical Forum Magazine, 2008,12(18):568.
[9] 孔祥清,吴承伟. 蚊子口针刺破人体皮肤过程的数值模拟[J]. 力学与实践,2010,32(2):90-94, 99.
Kong Xiang-qing, Wu Cheng-wei. Numerical simulation of mosquito fascicle inserting into human skin[J]. Mechanics in Engineering, 2010, 32(2): 90-94, 99.
[10] 齐迎春, 丛茜, 齐欣. 仿生减阻针头穿刺过程中力学行为分析[J]. 医用生物力学,2012,27(4): 427-431.
Qi Ying-chun, Cong Qian, Qi Xin. Mechanical behavior of bionic drag reduction needle during puncturing process[J]. Journal of Medical Biomechanics, 2012,27(4): 427-431.
[11] 王京春,陈丽莉,任露泉,等. 仿生注射器针头减阻试验研究[J]. 吉林大学学报:工学版,2008,38(2):379-382.
Wang Jing-chun, Chen Li-li, Ren Lu-quan, et al. Experimental research on drag reduction of bionic injector needles[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2008, 38(2):379-382.
[12] 王京春,任露泉,赵华,等. 仿生注射针具痛感试验分析[J]. 吉林大学学报:工学版, 2008, 38(增刊2):149-152.
Wang Jing-chun, Ren Lu-quan, Zhao Hua, et al. Experimental analysis of pain physiological index caused by bionic needle[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2008, 38(Sup.2): 149-152.
[13] Davis S P, Landis B J, Adams Z H, et al. Insertion of microneedles into skin: measurement and prediction of insertion force and needle fracture force[J]. Journal of Biomechanics, 2004,37(8):1155-1163.
[14] GB18671-2009. 一次性使用静脉输液针国家标准[S].
[15] 任露泉. 回归设计及其优化[M]. 北京:科学出版社,2009.
[16] 陈秉聪. 土壤-车辆系统力学[M]. 北京: 中国农业机械出版社, 1981.
[17] 柯贵喜, 潘光, 黄桥高,等. 水下减阻技术研究综述[J]. 力学进展,2009,39(5):546-554.
Ke Gui-xi, Pan Guang, Huang Qiao-gao, et al. Reviews of underwater drag reduction technology[J]. Advances in Mechanics,2009, 39(5):546-554.
[1] 熙鹏,丛茜,王庆波,郭华曦. 仿生条纹形磨辊磨损试验及耐磨机理分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1787-1792.
[2] 郭昊添,徐涛,梁逍,于征磊,刘欢,马龙. 仿鲨鳃扰流结构的过渡段换热表面优化设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(6): 1793-1798.
[3] 田为军, 王骥月, 李明, 张兴旺, 张勇, 丛茜. 面向水上机器人的水黾运动观测[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(3): 812-820.
[4] 钱志辉, 周亮, 任雷, 任露泉. 具有仿生距下关节和跖趾关节的完全被动步行机[J]. 吉林大学学报(工学版), 2018, 48(1): 205-211.
[5] 田丽梅, 王养俊, 李子源, 商延赓. 仿生功能表面内流减阻测试系统的研制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(4): 1179-1184.
[6] 陈东辉, 刘伟, 吕建华, 常志勇, 吴婷, 慕海锋. 基于虾夷扇贝体表结构的玉米茬根捡拾器仿生设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(4): 1185-1193.
[7] 王颖, 李建桥, 张广权, 黄晗, 邹猛. 基于多种介质的仿生步行足力学特性[J]. 吉林大学学报(工学版), 2017, 47(2): 546-551.
[8] 葛长江, 叶辉, 胡兴军, 于征磊. 鸮翼后缘噪声的预测及控制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(6): 1981-1986.
[9] 李梦, 苏义脑, 孙友宏, 高科. 高胎体仿生异型齿孕镶金刚石钻头[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(5): 1540-1545.
[10] 梁云虹, 任露泉. 自然生境及其仿生学初探[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(5): 1746-1756.
[11] 赵刚, 李照远, 赵华兴, 饶宇, 李芳, 刘文博. 外旋立式射流减阻测试平台研制及实验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(4): 1175-1181.
[12] 梁云虹, 任露泉. 人类生活及其仿生学初探[J]. 吉林大学学报(工学版), 2016, 46(4): 1373-1384.
[13] 钱志辉, 苗怀彬, 任雷, 任露泉. 基于多种步态的德国牧羊犬下肢关节角[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(6): 1857-1862.
[14] 邹猛, 于用军, 张荣荣, 魏灿刚, 王会霞. 仿牛角结构薄壁管吸能特性仿真分析[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(6): 1863-1868.
[15] 杨卓娟, 王庆成, 高英, 门玉琢, 杨晓东. 不同溶液对荷叶润湿性能的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2015, 45(6): 1869-1873.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 刘松山, 王庆年, 王伟华, 林鑫. 惯性质量对馈能悬架阻尼特性和幅频特性的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 557 -563 .
[2] 初亮, 王彦波, 祁富伟, 张永生. 用于制动压力精确控制的进液阀控制方法[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 564 -570 .
[3] 李静, 王子涵, 余春贤, 韩佐悦, 孙博华. 硬件在环试验台整车状态跟随控制系统设计[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 577 -583 .
[4] 胡兴军, 李腾飞, 王靖宇, 杨博, 郭鹏, 廖磊. 尾板对重型载货汽车尾部流场的影响[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 595 -601 .
[5] 王同建, 陈晋市, 赵锋, 赵庆波, 刘昕晖, 袁华山. 全液压转向系统机液联合仿真及试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 607 -612 .
[6] 张春勤, 姜桂艳, 吴正言. 机动车出行者出发时间选择的影响因素[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 626 -632 .
[7] 马万经, 谢涵洲. 双停车线进口道主、预信号配时协调控制模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 633 -639 .
[8] 于德新, 仝倩, 杨兆升, 高鹏. 重大灾害条件下应急交通疏散时间预测模型[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 654 -658 .
[9] 肖赟, 雷俊卿, 张坤, 李忠三. 多级变幅疲劳荷载下预应力混凝土梁刚度退化[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 665 -670 .
[10] 肖锐, 邓宗才, 兰明章, 申臣良. 不掺硅粉的活性粉末混凝土配合比试验[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(03): 671 -676 .