浅析仿生设计的路径选择

师法自然的仿生学作为重建生态和谐的一条有效路径,已被广泛应用到各领域,在设计界也已取得可观的成果。然而,仿生学在设计中的应用却存在着一定的偏失和局限,大部分的仿生设计都仅限于对自然形态的模仿。文章基于此背景提出以自然的规律和机制为切入点的仿生设计思路,从而进一步挖掘仿生设计的潜在价值。     

不同仿生态栽培方式对铁皮石斛多糖积累影响

为充分发挥鄂西南天然林保护工程营林的综合经济效益,探讨利用天保工程混交林开展铁皮石斛仿生态栽培的可行性。采用5种不同仿生态栽培模式种植铁皮石斛,对采收的铁皮石斛用苯酚-硫酸法测定多糖质量分数,多糖用盐酸水解得到单糖混合物,通过加入1-苯基-3-甲基-5-吡唑啉酮(PMP)进行柱前衍生,采用HPLC法测定多糖中的单糖组成。研究结果表明：在5种栽培方式中,杉木栽培所产铁皮石斛根、茎含水量最低,其多糖含量最高,达33%;其余4种栽培方式所产铁皮石斛多糖质量分数为18%左右;对多糖中单糖组成分析显示,D-甘露糖和D-葡萄糖是5种栽培模式下铁皮石斛多糖组成中的主要单糖成分,甘露糖与葡萄糖之比为4.5~5.98,符合药典要求。在鄂西南天保工程混交林中,杉木栽培铁皮石斛较其他栽培方式具有更快多糖累积能力,充分利用混交林大树和林下丰富的苔藓资源发展铁皮石斛仿生态栽培在鄂西南具有技术上的可行性。     

Virtual Screening of Plant Volatile Compounds Reveals a High Affinity of Hylamorpha elegans (Coleoptera: Scarabaeidae) Odorant-Binding Proteins for Sesquiterpenes From Its Native Host

Hylamorpha elegans (Burmeister) is a native Chilean scarab beetle considered to be a relevant agricultural pest to pasture and cereal and small fruit crops. Because of their cryptic habits, control with conventional methods is difficult; therefore, alternative and environmentally friendly control strategies are highly desirable. The study of proteins that participate in the recognition of odorants, such as odorant-binding proteins (OBPs), offers interesting opportunities to identify new compounds with the potential to modify pest behavior and computational screening of compounds, which is commonly used in drug discovery, may help to accelerate the discovery of new semiochemicals. Here, we report the discovery of four OBPs in H. elegans as well as six new volatiles released by its native host Nothofagus obliqua (Mirbel). Molecular docking performed between OBPs and new and previously reported volatiles from N. obliqua revealed the best binding energy values for sesquiterpenic compounds. Despite remarkable divergence at the amino acid level, three of the four OBPs evaluated exhibited the best interaction energy for the same ligands. Molecular dynamics investigation reinforced the importance of sesquiterpenes, showing that hydrophobic residues of the OBPs interacted most frequently with the tested ligands, and binding free energy calculations demonstrated van der Waals and hydrophobic interactions to be the most important. Altogether, the results suggest that sesquiterpenes are interesting candidates for in vitro and in vivo assays to assess their potential application in pest management strategies.     

仿蚯蚓运动多功能开沟器设计及参数优化

针对中国东北地区春播时耕种层土壤温度和含水率较低,严重阻碍大豆根系生长,进而影响大豆发育的难题,该文通过仿生结构设计和理论分析的方法,设计了一种集松土、沟底镇压和开沟功能为一体的仿蚯蚓运动多功能开沟器,其设有的仿蚯蚓动态松土开沟机构可模拟蚯蚓的运动方式对种沟上层土壤进行疏松作业,设有的镇压力调节机构可对种沟下方土壤进行镇压作业。通过参数优化试验和回归分析的方法,研究仿蚯蚓运动多功能开沟器关键结构参数和作业速度对平均土壤温度(0~100 mm)、平均土壤含水率(0~100 mm)和大豆出苗时间的影响规律,并运用Design-Expert和Matlab软件对试验结果进行分析,得出最优参数组合为:作业速度8 km/h、松土机构凸起高度6 mm和波纹圆盘波峰数量15。通过对比验证试验,发现仿蚯蚓运动多功能开沟器相较于传统单元盘和双圆盘开沟器,可提升土壤含水率(0~100 mm)5.92%和4.86%,提高土壤温度(0~100 mm)0.5和0.4℃,提前大豆出苗时间0.5和0.92 d。仿蚯蚓运动多功能开沟器可有效改善土壤耕种层结构,使耕种层土壤达到表层松软和下层坚实的状态,有效提高土壤温度和含水率,进而促进大豆发育,可为提高中国大豆产量提供技术装备支撑。     

驯鹿足底非规则特征形貌数学模型构建及验证

为攻克常规防滑轮胎在冰面上通过性低的难题,以驯鹿足为仿生原型,对驯鹿足底特征形貌进行分析。该文通过逆向工程技术,将驯鹿足单个足底划分为内、外侧边缘曲线、脊线凹槽面和足跟凸冠面4个典型部位。运用1st Op软件和MATLAB软件对特征部位拟合并构建数学模型,利用X射线能谱仪对驯鹿足底特征部位进行元素分析。内、外侧边缘曲线方程的决定系数R~2分别为0.994、0.992;脊线凹槽面和足跟凸冠面曲面方程的R~2分别为0.96、0.98。通过模型验证发现,模型拟合值与实际值的相对误差均值在5%以下,实现了驯鹿足底特征形貌从生物模型到数学模型的转化。能谱分析结果表明驯鹿足底除含有大量的碳、氧及氮元素外,硫、硅、铁、铝、钙5种元素含量较高,并且不同部位的元素存在差别。该研究可为工程仿生技术应用于冰路面行驶车辆胎面设计提供新的研究方向和参考依据。     

天牛仿生大麻收割机切割刀片设计与试验

针对现有大麻收割机切割刀片存在切割阻力大、功耗高、割茬质量差的问题。运用仿生学原理,通过提取天牛上颚切割齿部位齿廓曲线,以天牛切割齿廓代替普通稻麦收割机刀片的三角形尖齿,设计了仿生切割刀片。利用双动刀切割装置测试平台,对收割期大麻茎秆进行了仿生刀片和普遍刀片单茎秆切割性能对比试验。试验表明,2种刀片的切割力-位移曲线都可分为挤压、切割和切割完毕3个阶段,其中仿生刀片具有切入能力强、切割茬口较平齐、切割质量好的优势。通过对2组切割试验数据进行均值统计和方差分析可知,仿生刀片和普通刀片单茎秆最大切割力和切割功耗平均值分别为442.6、478.1 N和2.16、2.35 J,仿生刀片和普通刀片相比,平均最大切割力和切割功耗分别降低7.4%和8.0%,表明仿生刀片较普通刀片具有更优的减阻降耗性能;方差分析表明刀片类型对单茎秆最大切割力影响极显著(P0.01),对单茎秆切割功耗影响显著(P0.05)。     

气动柔性关节仿生六足机器人步态规划与运动性能研究

采用自主研发的气动多向弯曲柔性关节设计了一种仿生六足机器人。该机器人外形类似蜘蛛,利用腿部柔性关节在气压下的形变进行驱动。针对机器人腿部运动的特点,采用三角步态法,规划了机器人的行进和转弯步态,进行了仿真和实验。依据关节形变机理,建立了机器人运动学模型,确定了本体和足部位置关系,分析了机器人的步距、转角和整体速度,并通过实验加以验证。利用3D运动捕捉系统进行了机器人运动学实验,获得了机器人足部工作空间,分析了在不同气压、步频和负载条件下机器人的运动性能。实验结果表明,按照规划步态,通过气压控制系统协调腿部运动,机器人可实现前进、平移和转弯等功能。该机器人最大运动速度为100 mm/s,可负载能力为0.5 kg。     

昆虫视觉在寄主寻找及定位过程中的作用

昆虫与寄主植物相互作用的研究一直是生态学研究的重要问题,在过去的几十年中一直以化学生态学为主导,昆虫视觉在寄主寻找与定位过程中的功能研究很少。随着试验技术与观测手段的不断提高,尤其是昆虫视网膜电位测定技术的发展,为昆虫视觉功能研究提供了新手段和新技术。本文阐述了昆虫视觉的概念与内涵,分析了昆虫视觉的研究现状及目前对昆虫视觉功能的认识误区,总结了昆虫视觉在寄主植物寻找过程中的作用:包括昆虫视觉的光谱学响应,对寄主植物形态刺激、寄主分布及农业景观的反应,并介绍了视网膜电位技术在昆虫视觉功能研究中的应用。本文认为将来的昆虫与植物关系的研究应综合考虑视觉和嗅觉的作用,昆虫视觉功能的研究应与化学信息通讯研究同样受到重视。昆虫视觉在寄主寻找、定位过程中的作用和功能将会成为昆虫-植物关系研究中一个非常具有前景的领域。     

从虫害诱导水稻挥发物中筛选对拟环纹豹蛛有引诱活性的化合物

为明确虫害诱导水稻挥发物中对拟环纹豹蛛Pardosa pseudoannulata有引诱作用的活性组分,选择了10种常见虫害诱导产生的水稻挥发物,测试了拟环纹豹蛛雌、雄成蛛对每种挥发物的嗅觉选择和触角电位反应。嗅觉选择结果表明,虫害诱导产生的水稻挥发物对拟环纹豹蛛雌成蛛的嗅觉选择无诱导作用,但能诱导拟环纹豹蛛雄成蛛的嗅觉选择,其中1μg/μL和1.5μg/μL水杨酸甲酯、0.25μg/μL(Z)-3-己烯-1-醇、0.5μg/μL 2-庚酮、0.25μg/μL和1μg/μL芳樟醇对雄成蛛的诱导作用显著;拟环纹豹蛛雄成蛛对1μg/μL水杨酸甲酯、0.25μg/μL(Z)-3-己烯-1-醇、0.5μg/μL 2-庚酮及0.25μg/μL芳樟醇的选择潜伏期两两间差异均不显著。触角电位分析表明,4种挥发物同样能诱导拟环纹豹蛛雌、雄成蛛触肢和第一对步足产生电位反应,水杨酸甲酯和(Z)-3-己烯-1-醇的效果最显著,2-庚酮和芳樟醇稍弱;只有2-庚酮在雌、雄成蛛间差异显著,其它挥发物在雌、雄成蛛间均差异不显著。表明虫害诱导的水稻挥发物能诱导拟环纹豹蛛成蛛产生嗅觉选择和电位反应,不同挥发物可能代表不同的生态学信息,挥发物种类和浓度对雌、雄成蛛的影响存在差异。     

中红侧沟茧蜂非典型气味受体的克隆及组织特异性表达

 【目的】研究中红侧沟茧蜂Microplitis mediator非典型气味受体的表达谱。【方法】使用RT-PCR法克隆得到中红侧沟茧蜂非典型气味受体基因序列。使用实时荧光定量PCR法研究其表达谱。【结果】克隆得到中红侧沟茧蜂非典型气味受体全长基因。该基因在触角中特异性表达。在雌虫触角中羽化当天达到最大表达量,雄虫触角中在羽化前d阶段达到最大表达量。【结论】该非典型气味受体在中红侧沟茧蜂触角中特异存在。