基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构的制作方法

基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，属于空间展开自动控制装置技术领域。该仿生结构的主支撑管、次支撑管、连接支撑管均被囊状物所包覆；囊状物的两端分别为固定端和自由端；囊状物内的四周除固定端外，通过1根主支撑管支撑；囊状物内还设有呈放射状均匀分布的多根次支撑管；次支撑管的一端固定在囊状物的固定端处；次支撑管的另一端与位于囊状物自由端处的主支撑管相连通；相邻两个次支撑管的中间部位通过一根连接支撑管相连通；所述的主支撑管、次支撑管和连接支撑管的横截面均为椭圆形；所述的囊状物与主支撑管、次支撑管、连接支撑管均通过连锁结构相连。本发明结构系统稳定性高，形态灵活性强，质量轻，成本低，易于推广应用。
【专利说明】
基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构
技术领域
[0001]本发明属于空间展开自动控制装置技术领域，具体涉及一种基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构。
【背景技术】
[0002]昆虫的翅是由外胚层发育而来，在幼体形态时，鳞翅以器官芽的形式保留在幼体体内(内翅型昆虫)，待经历完全变态发育过程后，翅芽发育成完整的翅，此后，其表皮细胞逐渐降解并愈合为翅膜，其上布满各种感觉器官和部分体壁衍生物，而含有气管的体壁渐渐愈合形成翅脉，其内布满各种运动神经、血浆、血淋巴，发育过程如图1所示。羽化完成后，翅脉间的细胞死亡，形成透明的双层角质层，而翅脉的细胞继续存活，成为成体昆虫翅膀中唯一存活的细胞。因此，昆虫翅膀的表皮细胞在羽化展翅后就停止发育，翅膀结构也不再会有变化。
[0003]枯叶蛱蝶(iffia inachus)属于鱗翅目(Lepidoptera)，蛱蝶总科(Nymphaloidea)，蛱蝶科(Nymphalidae)，蛱蝶亚科(Nymphalinae)，斑蛱蝶族(HypoIimni)，枯叶蛱蝶属Doubleday)，是昆虫纲著名的具有拟态与保护色物种，其鳞翅反面具有枯黄叶片的特征，包括叶片的中脉、侧脉、颜色和霉斑等，合拢竖起后类似一片枯叶，如图2(c)所示，能有效躲避天敌追捕。由于其精致的拟态和保护色，枯叶蛱蝶成虫具有极高观赏开发和收藏价值，是众多观赏蝴蝶园和昆虫工艺产品中不可缺少的种类。此外，对枯叶蛱蝶保护色形成机理的研究在遗传学和仿生学中具有重要价值。
[0004]自然界中，动物和植物经过45亿年优胜劣汰及适者生存的进化，使它们能适应环境的变化，从而得到生存和发展，其结构与功能已达到近乎完美的程度。受生物启发和利用自然的仿生原理来设计高效、可靠的可展结构，是当前空间结构的研究热点。空间可展结构由于受到空间运输系统的体积和运输的成本限制，在结构的收缩性和可展性方面具有很高的要求。枯叶蛱蝶在变态发育期间，蛹的羽化呈现了翅膀的从小变大、由柔变刚的发育展开过程，可供新型空间可展结构设计参考。昆虫的变态发育全过程可以与航天器展开结构的飞行过程逐步对应，最终实现空间结构的仿生发育展开。传统的展开结构比如机械伸展臂、收缩悬梯、大型太阳能电池板支撑架等都广泛地应用在人们的日常工作生活中，在正常的环境下它们都能稳定地工作。然而在航空航天领域中，传统的展开结构就不能正常工作了。首要的挑战就是太空环境，比如不稳定的振动，高强度的电磁辐射，太空垃圾碎片，太空粉尘的侵蚀和陨石颗粒的撞击等，这些因素都在限制着展开结构的应用。例如航天器在登陆其它星球时势必会激起周围的尘土，这些尘土会布满传统展开机构的弹簧元件，造成其在展开过程中发生卡死。由于航天器在外层空间运动时会受到太空垃圾、小型陨石碎片的撞击，这种撞击会导致桁架结构发生损坏，造成伸展不完全。另一个挑战就是在发射前航天器的质量会有严格的限制，因为航天器过重会需要更多质量的燃料来提供足够的动力。但是目前由刚性桁架制成的展开结构的质量相当大，这无疑给航天器的发射带来了很大的压力。面对这些问题，改良原有的展开结构才能满足航天设计不断发展的需要，研究出结构简单、可靠性高、质量轻的新型展开结构十分必要。

【发明内容】

[0005]为解决目前空间可展结构只有较小的展开/收缩体积或面积比、展开过程易发生故障等缺点，本发明受枯叶蛱蝶羽化获得较大鳞翅，并实现稳定展开的生物学启发，在弄清枯叶蛱蝶翅形态特征与生长发育规律、明确枯叶蛱蝶翅羽化展开及其仿生意义基础上，依据得到的仿生学基础和科学依据，提出一种基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，其目的为研究高稳定性的新型空间可展结构提供出设计思路，并最终实现仿生可展开空间结构的应用。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下:
基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，包括囊状物、主支撑管、次支撑管和连接支撑管；所述的囊状物与主支撑管、次支撑管、连接支撑管均通过连锁结构相连，且主支撑管、次支撑管、连接支撑管均被囊状物所包覆；
所述囊状物的两端分别为固定端和自由端;囊状物内的四周除固定端外，通过I根主支撑管支撑，即主支撑管的两端充气口均位于固定端的两头，且主支撑管环绕了除固定端的四周；
囊状物内还设有呈放射状均匀分布的多根次支撑管;次支撑管的一端固定在囊状物的固定端处;次支撑管的另一端与位于囊状物自由端处的主支撑管相连通；
相邻两个次支撑管的中间部位通过一根连接支撑管相连通；
所述的主支撑管、次支撑管和连接支撑管的横截面均为椭圆形。
[0007]进一步，优选的是所述的连锁结构包括相匹配的凹槽和凸起；凹槽设于囊状物与主支撑管、次支撑管和连接支撑管相接触的表面;凸起设于主支撑管、次支撑管和连接支撑管的外表面上;所述的凹槽的横截面是由2个T形的下端以90°角相交构成;所述的凸起的横截面是由2个T形的下端以90°角相交，且相交点与主支撑管、次支撑管和连接支撑管的外表面相连。下文称该连锁结构为类T型连锁结构。
[0008]进一步，优选的是囊状物为扇形，相邻两个次支撑管的夹角为30°。
[0009]进一步，优选的是所述的次支撑管有5根。
[0010]进一步，优选的是所述的囊状物的材质为乳胶。
[0011]进一步，优选的是所述的主支撑管、次支撑管和连接支撑管的材质均为高密度聚乙烯。
[0012]本发明还提供一种上述基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构作为人造卫星太阳能电池的展开结构的应用，是将囊状物固定端固定在卫星内部，自由端自由放置;充气开始前，基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构呈卷曲状态，当需要打开可展结构时，对主支撑管和次支撑管进行充气，使得囊状物自动打开变为平直状态并且体积变大。
[0013]进一步，优选的是采用空气压缩机度进行充气。
[0014]本发明仿生结构的囊状物以蛱蝶后翅为基体的模型，取其形状为扇形，用枯叶蛱蝶翅脉形状为支撑管，分为主支撑管、次支撑管、连接支撑管，次支撑管均匀分布(约30° )，主支撑管、次支撑管、连接支撑管采用椭圆形为截面(如图7所示)，囊状物与支撑管间用类T型连锁结构进行固定。囊状物和支撑管分别使用由乳胶、高密度聚乙烯为材料，囊状物的固定端固定不动，另一端不进行约束，充气机对固定端的支撑管进行充气(支撑管结构如图7所示)。在充气过程中，各部分的形状变化为:(I)支撑管先被充气充满，然后变为小型的扇形结构；(2)支撑管上的用类T型连锁结构固定住囊状物，防止支撑管因扭曲、偏转、褶皱而影响囊状物均匀撑开；(3)继续充气，支撑管膨胀，带动囊状物由小变大；(4)囊状物被动变形，厚度被拉伸而变薄，形状保持扇形，并由小变大；(5)用类T型连锁结构形成导向结构，对囊状物的形变进行牵制；(6)充气机停止充气，并保压，让空间结构维持伸展状态；(5)支撑管上的用类T型连锁结构继续固定住囊状物，防止囊状物因受到冲击，而使得支撑管扭动，导致囊状物受到支撑管的作用而形成不均匀展开结构。
[0015]本发明所依据的生物学机理:
1、动态解剖与形态学测量
分别对枯叶蛱蝶蛹期30个不同个体前翅进行测量，前翅大致呈三角形，前翅周长为32-41mm，平均值为36mm;面积为87_149mm2;平均值为121mm2。主翅脉共8条，长度在7-16 mm之间，翅脉与边长的测量值比较接近。后翅为扇形，周长在25-39mm之间，面积为91-133mm2。翅脉共8条，30个样本测量值分别在5-14mm之间，平均值为1mm(图3和图5)。图5的翅脉是根据图3翅脉分布而作出的设计图，为9个管道，主要考虑到力学上的平衡性与稳定性。
[0016]分别对枯叶蛱蝶羽化后30个不同个体前翅进行测量，其中A边为26-37mm、B边为39_51mm;C边为33-47 mm，周长均值为115mm，面积均值为941 mm2。主翅脉共8条，长度在20-53 mm之间，平均值为33mm。蛹内发育后期与羽化完全展开后的鳞翅在周长与面积均存在较大的变化，以前翅为例，羽化后鳞翅周长为蛹内后期3.2倍，面积为7.8倍，翅脉分布位置没有发生明显变化，但长度为蛹内时期3.3倍(图3)。对鳞翅厚度测量结果显示，包含鳞片在内的鳞翅厚度在136-391um之间，平均值为278 um。
[0017]2、枯叶蛱蝶鳞翅电镜超微结构
双层翅膜结构:通过解剖翅膜，在扫描电镜下观察可以发现，枯叶蛱蝶的翅结构是由双侧的翅膜贴合的(图4)，而且双层翅膜上密布着生大小不一的鳞片，这些鳞片吸收光照后变硬，紧贴翅膜以增加鳞翅的稳定性。鳞翅双层膜结构的仿生学意义在于整个鳞翅的发育并不是在一个密闭的系统内完成的，而是由双层翅膜各形成上、下表面，在翅膜内通过翅脉运送淋巴液等物质不断伸展最后形成稳定结构的成虫鳞翅。
[0018]本发明与现有技术相比，其有益效果为:
(I)本发明基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构完全展开后，实现了可展结构在周长与面积的成倍增加，以前翅仿生结构为例，羽化后鳞翅周长为蛹内后期3.2倍，面积为7.8倍。
[0019](2)本发明结构的系统稳定性很高，形态灵活性较强。
[0020](3)本发明质量轻，重量仅仅为传统刚性结构的几十分之一，因为该结构采用非常柔软轻薄的材料制作，整个结构本身几乎没有刚性材料，质量十分小。
[0021](4)成本低。材料主要由乳胶和高密度聚乙烯制作而成，很容易在市面上购买的至IJ，其制作的工艺也是十分简单。
[0022](5)展开结构的可靠性高。由于本发明仿生结构没有机械铰链等复杂机构，不易发生故障，可靠性相对较高一些，具有可重复性，它可以先在地面进行实验，待实验成功后进行发射，可以大大减少了在外层空间工作的故障。
[0023](6)节省空间。由于受到火箭发射的等体积限制，某些大型的设备不能被带到太空中。如果将这些大型结构运用本发明仿生结构的思想进行设计，便可以在发生前将这些大型结构压缩折叠到一个很小的空间中，到达指定的轨道后再展开到规定的形状，即可进入工作状态。
【附图说明】
[0024]图1是翅发育过程图；其中a为蛹期翅芽;b为刚羽化的成虫翅膀;c为已经硬化的成虫翅膀。
[0025]图2是枯叶蛱蝶(J.1/jacAus)各虫期形态特征图，其中，a为幼虫;b为蛹；c为成虫的背面;d为成虫的正面。
[0026]图3a是枯叶蛱蝶翅在蛹内发育期(蛹翅)与羽化后(鳞翅)各特征值比较图，纵坐标代表长度，单位是毫米(mm)；
图3b是鳞翅的双层翅膜结构扫描电镜图，用来说明图3a中的各个翅边长及翅脉。
[0027]图4是鳞翅的双层翅膜结构扫描电镜图；其中，1^是鳞翅的上膜，1^是鳞翅的下膜，V是翅脉;在图4中，a的标尺长度为200ym;b的标尺长度为50ym;c的标尺长度为30μπι;(1的标尺长度为100ym;b为a的局部放大图；c为b的局部放大图；d为鳞翅分层较为明显的图，与图a不是同一个翅脉，只为证实分层现象不是个别翅脉的特殊现象。
[0028]图5是枯叶蛱蝶后翅的翅脉分布及形状分布图；其中实线为鳞翅边界，虚线为翅脉.图6是连锁结构的示意图;a为凸起的结构示意图;b为凹槽的结构示意图(a中支撑管没有具体限制，可以为主支撑管、次支撑管或连接支撑管，且对支撑管进行了部分截取;b中囊状物也为部分截图)；其中，A、凸起;B、凹槽;41、与凸起的接触面;42、与凹槽的接触面;43、支撑管的内表面;5、囊状物。
[0029]图7是本发明仿生结构主支撑管、次支撑管、连接支撑管的结构示意图及其局部放大图；其中，1、主支撑管;2、次支撑管;3、连接支撑管;6、连锁结构的凸起;8、充气口.图8是本发明仿生结构的结构示意图及其局部放大图；其中，1、主支撑管;2、次支撑管；
3、连接支撑管;4、连锁结构;5、囊状物;7、固定端;8、充气口； 9、自由端。
【具体实施方式】
[0030]下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
[0031]本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。
[0032]蝴蝶的鳞翅由上、下两层膜组成，两层膜间由连锁结构连接，而蝴蝶的鳞翅在发育展开过程中具有较大的形变，在挥动过程中，两层膜间具有纵向的相对滑动，而横向和垂向则无相对运动。通过这样的现象，我们设计出图6所示的结构，用于连接囊状物和各支撑管，其分布如图8所不。
[0033]如图7和图8所示，基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，包括囊状物5、主支撑管1、次支撑管2和连接支撑管3;主支撑管1、次支撑管2、连接支撑管3均被囊状物5所包覆； 所述囊状物5的两端分别为固定端7和自由端9;囊状物内的四周除固定端7外，通过I根主支撑管I支撑；
囊状物5内还设有呈放射状均匀分布的多根次支撑管2;次支撑管2的一端固定在囊状物5的固定端7处;次支撑管2的另一端与位于囊状物5自由端9处的主支撑管I相连通；
相邻两个次支撑管2的中间部位通过一根连接支撑管3相连通；
所述的主支撑管1、次支撑管2和连接支撑管3的横截面均为椭圆形；
所述的囊状物5与主支撑管1、次支撑管2、连接支撑管3均通过连锁结构4相连。
[0034]所述的连锁结构4包括相匹配的凹槽和凸起；凹槽设于囊状物5与主支撑管1、次支撑管2和连接支撑管3相接触的表面;凸起设于主支撑管1、次支撑管2和连接支撑管3的外表面上;所述的凹槽的横截面是由2个T形的下端以90°角相交构成;所述的凸起的横截面是由2个T形的下端以90°角相交，且相交点与主支撑管1、次支撑管2和连接支撑管3的外表面相连。
[0035]囊状物5为扇形，材质为乳胶。所述的次支撑管2有5根，相邻两个次支撑管2的夹角为30。
所述的主支撑管1、次支撑管2和连接支撑管3的材质均为高密度聚乙烯。
[0036]本发明考虑到仿生结构的束缚作用产生压力，故在相邻两个次支撑管2的中间部位增加一根连接支撑管3;囊状物5在展开过程中变薄，产生大的面积变化。主支撑管1、次支撑管2和连接支撑管3嵌套在囊状物5内，然后折叠放置，当需要展开时，抛出自由端，在进行充气展开、保压，从而得到较大面积的空间展开结构。
[0037]本发明结构在整个使用过程中，主要受到横向的拉力和垂向的压力，几乎没有扭力，同时又要保证整个结构在纵向伸展的自由。因此，在满足力学性能的同时，结构应该具有良好的导向性。在图6中，A是位于支撑管上的连锁结构的凸起，B是位于囊状物的连锁结构的凹槽，二者相互锲合。该结构限制住囊状物与各支撑管之间的横向和垂向的移动、旋转自由度，以及纵向的旋转自由度，保留纵向的移动自由度。
[0038]蝴蝶飞行过程中主要受到弯曲作用，故在横向主要产生拉力，在垂向主要产生压力。图6所设计的连接结构，主要由两个类似T型的结构以90°角相交组成，并置于结构稳定并且抗压的三角形之上，故该结构在保留T型结构的优越点后，还迎合本发明结构的受力特性，使得自身具有较强稳定性。各支撑管在增加导向性能的同时，又使得A、B结构的中心移动至接触面，增加稳定性，而该结构的其它优点如下:
(I)类T型连锁结构的两侧翼缘较宽，侧向刚度较大。
[0039](2)类T型连锁结构抗弯能力强，比普通截面高。
[0040](3)在相同压强下，类T型连锁结构能节省15%_20%的面积。
[0041 ] (4)类T型连锁结构具有较小的内应力。
[0042](5)类T型连锁结构组合后，具有极大的接触面积。
[0043](6)上下锲合形状对称、均匀，重心位置偏向接触面处。
[0044](7)该结构在横向和垂向的能阻碍运动，纵向却能保证与囊状物的相对滑动。
[0045](8)该结构截面取自T型截面，能承受较大的振动和冲击。
[0046]受枯叶蛱蝶羽化展开过程的启发，本发明设计制造了一种基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构。比较一般传统意义上的展开结构来说，本发明结构拥有很多优点。第一，质量轻，重量仅仅为传统刚性结构的几十分之一，因为该结构采用非常柔软轻薄的材料制作，整个结构本身几乎没有刚性材料，质量十分小。第二，成本低。材料主要由乳胶和高密度聚乙烯制作而成，很容易在市面上购买的到，其制作的工艺也是十分简单。第三，展开结构的可靠性高。由于本发明仿生结构没有机械铰链等复杂机构，不易发生故障，可靠性相对较高一些，具有可重复性，它可以先在地面进行实验，待实验成功后进行发射，可以大大减少了在外层空间工作的故障。第四，节省空间。由于受到火箭发射的等体积限制，某些大型的设备不能被带到太空中。如果将这些大型结构运用本发明仿生结构的思想进行设计，便可以在发生前将这些大型结构压缩折叠到一个很小的空间中，到达指定的轨道后再展开到规定的形状，即可进入工作状态。
[0047]例如，本发明可展仿生结构作为人造卫星太阳能电池的展开结构的应用，是将囊状物固定端固定在卫星内部，自由端自由放置;充气开始前，基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构呈卷曲状态，当需要打开可展结构时，对主支撑管和次支撑管进行充气，使得囊状物自动打开变为平直状态并且体积变大。充气时，采用空气压缩机度进行充气。
[0048]在充气过程中，各部分的形状变化为:(I)支撑管先被充气充满，然后变为小型的扇形结构；(2)支撑管上的用类T型连锁结构固定住囊状物，防止支撑管因扭曲、偏转、褶皱而影响囊状物均匀撑开；(3)继续充气，支撑管膨胀，带动囊状物由小变大；(4)囊状物被动变形，厚度被拉伸而变薄，形状保持扇形，并由小变大；(5)用类T型连锁结构形成导向结构，对囊状物的形变进行牵制；(6)充气机停止充气，并保压，让空间结构维持伸展状态；(5)支撑管上的用类T型连锁结构继续固定住囊状物，防止囊状物因受到冲击，而使得支撑管扭动，导致囊状物受到支撑管的作用而形成不均匀展开结构。
[0049]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【主权项】
1.基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，其特征在于，包括囊状物、主支撑管、次支撑管和连接支撑管;所述的囊状物与主支撑管、次支撑管、连接支撑管均通过连锁结构相连，且主支撑管、次支撑管、连接支撑管均被囊状物所包覆； 所述囊状物的两端分别为固定端和自由端;囊状物内的四周除固定端外，通过I根主支撑管支撑； 囊状物内还设有呈放射状均匀分布的多根次支撑管;次支撑管的一端固定在囊状物的固定端处;次支撑管的另一端与位于囊状物自由端处的主支撑管相连通； 相邻两个次支撑管的中间部位通过一根连接支撑管相连通； 所述的主支撑管、次支撑管和连接支撑管的横截面均为椭圆形。2.根据权利要求1所述的基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，其特征在于，所述的连锁结构包括相匹配的凹槽和凸起；凹槽设于囊状物与主支撑管、次支撑管和连接支撑管相接触的表面;凸起设于主支撑管、次支撑管和连接支撑管的外表面上;所述的凹槽的横截面是由2个T形的下端以90°角相交构成;所述的凸起的横截面是由2个T形的下端以90°角相交，且相交点与主支撑管、次支撑管和连接支撑管的外表面相连。3.根据权利要求1所述的基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，其特征在于，囊状物为扇形，相邻两个次支撑管的夹角为30°。4.根据权利要求1所述的基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，其特征在于，所述的次支撑管有5根。5.根据权利要求1所述的基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，其特征在于，所述的囊状物的材质为乳胶。6.根据权利要求1所述的基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构，其特征在于，所述的主支撑管、次支撑管和连接支撑管的材质均为高密度聚乙烯。7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构作为人造卫星太阳能电池的展开结构的应用，其特征在于，囊状物固定端固定在卫星内部，自由端自由放置;充气开始前，基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构呈卷曲状态，当需要打开可展结构时，对主支撑管和次支撑管进行充气，使得囊状物自动打开变为平直状态并且体积变大。8.根据权利要求7所述的基于枯叶蛱蝶鳞翅的可展仿生结构作为人造卫星太阳能电池的展开结构的应用，其特征在于，采用空气压缩机度进行充气。
【文档编号】B64G1/44GK105966642SQ201610447558
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】陈航, 张金稳, 陈晓鸣, 李丽
【申请人】中国林业科学研究院资源昆虫研究所