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猫科动物脚掌肉垫缓冲力学特性分析.pdf 12页

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2024-11-04 12:06

猫科动物脚掌肉垫缓冲力学特性分析 1 张晓鹏，杨嘉陵，余晖 (北京航空航天大学固体力学研究所，北京，100083) 摘要：生活在崎岖、复杂地形善于跑跳的猫科动物，已进化演变成为对外界环境具有很强适应性的缓冲肌体,具有良好的抗冲击性和对振动进行缓冲的能力。这些动物的足底一般都长有“肉垫”，当其足部与地面冲击接触时，肉垫可起到有效的缓冲作用。研究这些动物脚掌肉垫的力学特性，可以指导我们进行各类机械的缓冲装置、能量吸收装置的研究与设计。本文通过建立二质量块模型，并给出控制方程的解析解，对猫科动物脚掌肉垫的力学特性参数进行探索，并得到了一系列有意义的结果，使我们对动物脚掌肉垫的抗冲击力学特性有进一步认识。关键字：仿生；脚掌肉垫；缓冲；能量吸收；质量弹簧模型引言在亿万年生物进化的过程中，优化的运动机能的确被赋与给了生存下来的物种。对生物优化的运动机能进一步研究，可以提供生物进化方向的理性认识，也可为人类进一步通过仿生设计制造出效率更高性能更优异的机械或结构产品提供借鉴。例如生活在崎岖、复杂地形及丛林地带善于跑跳的动物，由于长期的自然进化，已进化演变成为对外界环境具有很强适应性的缓冲肌体,其行走肌体具有良好的抗冲击性和对振动进行缓冲的能力[1] 。物的跳跃缓冲能力尤其突出，如野猫的垂直跳跃能力能达到自己身长的 4.5 倍；豹动作敏捷，善于跳跃，一跃可达 6米高，12 米远；生活于高山地带的雪豹可以纵身跃上 3～5米的高崖，最多还有一跃跳过 15 米宽的山涧的记录[2] ；美洲狮能从 12～13 米高的树上或悬崖上跳下，也能跃过 7 米 [3] 的高度或 10～13 米的距离。这些猫科动物除了腿部有健壮的肌肉、高强度的韧带和精巧的骨胳结构以外，一般足底都长有“肉垫”，在肉垫的外部则包有坚硬的皮甲。由于在这些动物的跑跳运动中，每次脚掌与地面接触时都会产生显著的冲击力，而后在肢体内产生应力波，应该尽可能地减小波的强度，否则会引起肢体损伤。为了吸收冲击能量、减小应力波强度，这些动物的足部首先要进行关节部位的屈伸运动和其它软组织的变形。在这个过程中，脚掌肉垫在能量耗散、保护足部骨骼和其它组织方面都起到了重要作用[4] 。因此研究这些动物脚掌肉垫的力学特性，有利于我们进行专用缓冲装置、能量吸收装置的研究与设计，例如飞船着陆器缓冲装置、跳跃机器人缓冲腿机构以及车辆减震系统等等。脚掌肉垫的这种传递地面支持力和吸收冲击能量的作用已引起相关科研人员的注意（Alexander,1986 ； K, R.,1998 ；Whittle,1999 ；Weissengruber,2007 ；Chi, K.J.,2005 ）,Alexander,BennettKer(1986)[5]通过数值模拟讨论得出脚掌肉垫应具有一种可变的力学特性，以防止过大的地面峰值反力以及冲击振动可能引起的脚掌瞬时离地现象，并进行了多种哺乳动物脚掌肉垫的体外动态压缩特性实验，验证了讨论结果。 [6]做了大量动物脚掌肉垫及人体足跟部位的研究，得出脚掌肉垫在动物和人体的不同运动 Chi, K.J. （2005 ）过程中，应具有不同的力学特性：为了缓冲冲击力，应该具有一定的柔度；而为了传递地面支持力，则应 1 E-mail:Chaoren4563@126.com 1 该具有一定的刚度；为了稳定地与地面接触，应该具有一定的阻尼；而为了在触地过程中不耗费过多的能量，则应该具有一定的弹性。然而对于脚掌肉垫在吸收冲击和振动能量中的具体作用以及脚掌肉垫的力学性质对动物缓冲特性的影响，相关研究并没有给出具体的结果，本文以期做进一步研究。研究方法及分析模型 1 1.1 分析模型在对动物跳跃缓冲机理的研究中，再现和预测动物的运动，并深入的了解生物动作背后的力学特性以及控制规律，涉及到一般力学、连续介质力学、生物学、解剖学、控制论以及非线性应用数学等等，十分复杂繁琐。近三十年来，许多研究者都做了大量的工作研究不同动物的跳跃缓冲机制，但仍没有完整的理论和理想的模型去模拟动物的运动行为。目前，大多数生物学家采用弹簧质量模型来模拟动物的运动