基于SMA絲驅(qū)動的仿生捕蠅草設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

李 健，閆 杰，王 敏，王揚(yáng)威

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

0 引 言

我國林業(yè)資源有限，作為重點(diǎn)的保護(hù)對象，病蟲害防治占據(jù)著極其重要的地位。隨著社會的發(fā)展，對林業(yè)資源的保護(hù)方法也隨著技術(shù)的進(jìn)步而不斷深入。在林業(yè)保護(hù)中，每年因病蟲害威脅帶來的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)150億元，因此研究有效的病蟲害防治方法和監(jiān)管手段變得尤為重要[1]。目前主要通過化學(xué)方法、生物方法及物理方法來對病蟲害進(jìn)行防治?；瘜W(xué)方法是通過施藥對森林樹木進(jìn)行治理，治療效果快速有效，但是會對森林的生態(tài)環(huán)境造成損傷；生物方法是通過引進(jìn)害蟲天敵進(jìn)行防治，利用生物鏈之間的關(guān)系進(jìn)行防治，但在使用時存在造成生物鏈?zhǔn)Ш獾娘L(fēng)險；物理方法是通過“聲、光、電、熱”等物理手段對害蟲進(jìn)行誘殺，該方法是綠色防控技術(shù)，效果快速顯著，得到了廣泛應(yīng)用。上述三種法病蟲害防治方法和監(jiān)管手段均受制于某些因素?zé)o法達(dá)到現(xiàn)階段對于病蟲害防治的相關(guān)目標(biāo)與要求。因此研制自動捕蟲裝置，輔以信息素等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對于特定樹木上的特定害蟲，尤其是運(yùn)動能力強(qiáng)的害蟲的活體捕捉，對于蟲情監(jiān)測與防控研究具有重要意義。

形狀記憶合金(以下簡稱SMA)，是一種在加熱升溫后能完全消除其在較低溫度下發(fā)生的變形、恢復(fù)其變形前原始形狀的合金材料，即具有“記憶”效應(yīng)的合金[2]。SMA的另外一種重要性質(zhì)是偽彈性，又稱為超彈性，表現(xiàn)為：在外力作用下，SMA具有比一般金屬大得多的變形恢復(fù)能力，即在加載過程中產(chǎn)生的大應(yīng)變會隨著卸載而恢復(fù)。SMA絲集傳感與驅(qū)動于一身，因而得到了廣泛的研究及應(yīng)用，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、能夠輸出直線運(yùn)動、功重比高[3]。

生物體經(jīng)過上億年的進(jìn)化，具備了各具特色的運(yùn)動能力和環(huán)境適應(yīng)能力，某些生物具備的功能比迄今為止任何人工制造的機(jī)械都優(yōu)越得多[4]。因此，越來越多的研究人員把研究目標(biāo)轉(zhuǎn)向生物界，希望可以通過對生物界某些具備特定功能的生物的研究，為生產(chǎn)生活作出指導(dǎo)。捕蠅草的葉片感觸運(yùn)動可以捕捉移動甚至飛翔的昆蟲，恰好適合作為本文的仿生對象。

本文通過分析捕蠅草的動作特點(diǎn)，制定仿生目標(biāo)，選擇SMA絲作為驅(qū)動材料，研制基于SMA絲的仿生捕蠅草，設(shè)計(jì)制作仿生捕蠅草葉片，對仿生捕蠅草葉片進(jìn)行理論建模與分析，并進(jìn)行了性能實(shí)驗(yàn)和功能實(shí)驗(yàn)。

1 仿生捕蠅草葉片的設(shè)計(jì)與制作

1.1 捕蠅草的運(yùn)動機(jī)理及運(yùn)動學(xué)分析

有許多植物以蟲子為食，例如捕蠅草。植物捕捉昆蟲主要有引誘昆蟲、捕捉昆蟲、分解與吸收、維持自身生長4個步驟[5]。捕蠅草的捕捉過程極為復(fù)雜，對稱的葉片通過葉柄相連接，其引誘蟲子主要依靠葉片邊緣的蜜腺所分泌的蜜汁[6]。昆蟲被蜜汁吸引落在葉片上，當(dāng)昆蟲在一定時間內(nèi)兩次觸碰位于捕蟲夾內(nèi)的觸發(fā)絨毛時，葉片會迅速閉合(圖1左)[7]。葉片邊緣有規(guī)則狀的刺毛，在葉片閉合時，刺毛正好交錯排布，形成一個籠子，使昆蟲無法逃出。且在刺毛的終端存在分泌粘液的系統(tǒng)，可以黏住昆蟲，防止昆蟲逃脫(圖1右)。隨后昆蟲會被消化吸收，吸收的養(yǎng)分用來維持捕蠅草的自身生長[8]。

圖1 觸發(fā)絨毛(左)和刺毛(右)

捕蠅草的動作機(jī)制：捕蠅草葉片初始狀態(tài)為向外側(cè)彎曲，當(dāng)內(nèi)側(cè)觸發(fā)絨毛感受到機(jī)械刺激后，電信號會引起組織內(nèi)離子的定向運(yùn)動，形成化學(xué)勢差，并引起水的流動，在水壓的作用下細(xì)胞壁的緩慢變形，并存儲了彈性勢能，葉片的曲率逐漸變平[9]；當(dāng)水壓到達(dá)一個臨界閾值時，在幾何約束的作用下，本體彈性勢能突然釋放并轉(zhuǎn)換成動能，葉片快速屈曲，實(shí)現(xiàn)曲率從凸到凹的變化，引起的被動流可以提供粘性阻力以平衡彈性，持續(xù)的壓力供給使得葉片保持在向內(nèi)彎曲的狀態(tài)[10]。

捕蠅草葉片的動作機(jī)制涉及植物生理學(xué)、化學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)學(xué)、流體力學(xué)等諸多學(xué)科，本文主要從機(jī)械及力學(xué)的角度研究其宏觀層面的運(yùn)動學(xué)特性，并對其運(yùn)動方式進(jìn)行仿生化研究，在快速抓取及控制方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

通常情況下捕蠅草的整個運(yùn)動過程大概可以分為初始階段、捕捉階段、消化階段3個階段[11]。在初始階段，捕蠅草的兩個葉片呈張開狀態(tài)，且對稱分布，葉片的張開角度為58.2°，葉片頂間距為7.7 mm；在捕捉階段，捕蠅草在一定時間間隔內(nèi)受到兩次刺激時，葉片迅速閉合，完成捕捉動作。捕蠅草能夠在4～6 s內(nèi)完成葉片的閉合(野生捕蠅草時間會更短，最快可在0.5 s內(nèi)完成捕捉動作)，刺毛相互交錯，防治獵物逃脫，此時捕蠅草葉片并未完全閉合，而是進(jìn)入消化階段。在消化階段，捕蠅草葉片緩慢閉合，直至獵物消化吸收完畢。

圖2、圖3分別為捕蠅草初始階段和捕捉階段的圖象。

圖2 捕蠅草初始狀態(tài)

圖3 捕蠅草捕捉過程

量化分析捕蠅草運(yùn)動過程的各個階段，我們得到捕蠅草在整個運(yùn)動過程中葉片頂間距、角度及時間的數(shù)據(jù),如表1所示。

表1 捕蠅草葉片頂間距與時間

圖4為捕蠅草葉片頂間距與距離變化速率隨時間變化曲線。通過對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)捕蠅草葉片可以在4～5 s內(nèi)完成葉片的合攏動作，頂間距呈現(xiàn)遞減趨勢，變化速率呈現(xiàn)出拋物線趨勢。在0～4 s時間內(nèi)，捕蠅草的頂間距逐漸減小，變化速率呈現(xiàn)遞增趨勢；在第4 s時，捕蠅草的頂間距變化速率達(dá)到峰值，為1.53 mm/s；在4～7 s時，捕蠅草的頂間距變化速率呈現(xiàn)遞減趨勢，且逐漸進(jìn)入平緩階段，此時頂間距為3.67 mm，捕蠅草刺毛相互交錯，捕捉階段結(jié)束，進(jìn)入消化階段。直至消化階段結(jié)束，捕蠅草葉片的頂間距，趨近于0。

圖4 頂間距、距離變化速率與時間的關(guān)系曲線

圖5為捕蠅草葉片張開角度及角度變化速率與時間的關(guān)系曲線。通過對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，我們發(fā)現(xiàn)捕蠅草在初始階段的葉片張開角度為58.2°，在捕捉階段，葉片的張開角度逐漸減小，當(dāng)減小至27°左右時，葉片的角度變化趨于平緩。捕蠅草葉片的角度變化速率呈現(xiàn)拋物線趨勢，在0～4 s時，捕蠅草葉片的角度逐漸減小，角度變化速率逐漸增加。在4 s時達(dá)到峰值，此時捕蠅草葉片的角度為36.6°，角度變化速率為11.5 rad/s。在4 s以后，捕蠅草葉片角度持續(xù)減小，角度變化速率逐漸減小，捕捉階段結(jié)束后，捕蠅草的角度變化速率趨于平緩，角度逐漸減小，進(jìn)入消化階段。

圖5 角度與角度變化速率與時間的關(guān)系曲線

綜合上述分析，捕蠅草在捕捉階段，葉片的頂間距和角度逐漸減小，相應(yīng)的變化速率呈現(xiàn)拋物線趨勢，且均在4 s達(dá)到變化峰值，而后變化速率逐漸趨于平緩，在7 s進(jìn)入消化階段。在消化階段，捕蠅草的頂間距和角度逐漸減小，直至頂間距和角度變化至零，此時捕蠅草葉片會繼續(xù)保持一段時間(圖3(i))，直至獵物消化完畢，才會張開葉片，進(jìn)入下一次捕捉階段。

1.2 仿生捕蠅草的仿生目標(biāo)與設(shè)計(jì)要求

1.2.1 仿生目標(biāo)

本文的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是運(yùn)用仿生學(xué)知識，根據(jù)捕蠅草運(yùn)動過程中的運(yùn)動特點(diǎn)和捕蠅草葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制作一種仿生葉片。綜合考慮仿生捕蠅草在捕捉獵物時的運(yùn)動特性，設(shè)計(jì)了一種仿生捕蠅草，提出了以新型智能材料SMA絲作為驅(qū)動、以硅膠作為本體的新型仿生捕蠅草的設(shè)計(jì)、制作、控制方案。仿生捕蠅草葉片需要在特定環(huán)境要求下實(shí)現(xiàn)彎曲動作，完成捕捉任務(wù)。

1.2.2 設(shè)計(jì)要求

利用SMA絲作為驅(qū)動材料設(shè)計(jì)仿生捕蠅草，考慮到空間的特殊環(huán)境以及目標(biāo)的非合作性，仿生捕蠅草需要滿足以下設(shè)計(jì)要求：

1)質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡單；

2)最大張開角度應(yīng)不低于58°；

3)捕捉動作迅速，響應(yīng)時間快；

4)對抓捕目標(biāo)具有一定的適應(yīng)性。

1.3 仿生捕蠅草葉片的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作方法

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)思，運(yùn)用繪圖軟件對捕蠅草葉片結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。捕蠅草葉片結(jié)構(gòu)主要由SMA 絲、捕蠅草葉片本體、上下夾板及相應(yīng)連接元件組成，如圖6所示。捕蠅草的葉片采用超彈性材料硅膠通過模具澆注制作而成，且葉片內(nèi)鋪有SMA絲。SMA絲在仿生捕蠅草本體內(nèi)部形成回路，通過上下夾板固定于硅膠兩端。

圖6 仿生捕蠅草葉片結(jié)構(gòu)

需要考慮的主要因素有SMA 絲在葉片驅(qū)動器內(nèi)壁的排布方式、SMA 絲在腔體驅(qū)動器內(nèi)壁的固定方式、葉片壁厚、內(nèi)腔形狀及其結(jié)構(gòu)尺寸、如何進(jìn)行通電及通電參數(shù)的設(shè)置。

SMA絲在葉片驅(qū)動器內(nèi)壁的排列方式有兩種，一種為兩端式，一種為全貼合式，如圖7所示?？紤]到仿生捕蠅草的設(shè)計(jì)初衷和兩種排列方式的優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用全貼合式的布置方式，使其在滿足變形條件的前提下，仍具有一定的變形恢復(fù)能力和環(huán)境適應(yīng)能力。

圖7 SMA絲布置方式

將仿生捕蠅草葉片的具體運(yùn)動過程劃分為如下三步：

(1)當(dāng)葉片中的 SMA 絲未通電時，葉片本身不發(fā)生變形。

(2)當(dāng)給 SMA 絲施加大小合適的電壓時，SMA 絲收縮，帶動葉片收縮。

(3)當(dāng) SMA 絲斷電時，葉片形變恢復(fù)，重復(fù)以上控制步驟。

考慮到以上問題，采用硅膠澆注固化成型技術(shù)制作葉片，按照捕蠅草實(shí)物尺寸和形狀確定捕蠅草葉片結(jié)構(gòu)尺寸。硅膠具有流動性，葉片模具是曲面狀態(tài)，為了確保硅膠充分填充并保持曲面形態(tài)，將模具分為上下兩個部分，如圖8所示。其中，上半部分設(shè)計(jì)兩處凹槽，主要用于插板，板子上開孔，用于固定SMA絲。上半部分的模具上開小孔，主要用于澆注硅膠以及排出空氣，使硅膠充分澆注。下半部分設(shè)計(jì)與上半部分對稱的凹槽，用于板子的固定。上下板四周開孔，使用螺釘固定模具，上下兩個部分配合，保證葉片形狀，中間凸面為捕蠅草葉片形狀。

圖8 仿生捕蠅草葉片模具結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)前述仿生捕蠅草葉片的驅(qū)動原理可知，對葉片的控制實(shí)際上就是對SMA絲的驅(qū)動控制?？刂坪肧MA 絲的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系是關(guān)鍵，而上述特性是受溫度影響的，因此問題就轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)來控制SMA絲的溫度變化。引起SMA絲溫度變化的方法是加熱和冷卻，其中加熱包括內(nèi)部加熱和外部加熱。內(nèi)部加熱主要是通過給SMA絲通電，將電能轉(zhuǎn)化熱能；而外部加熱主要是通過水加熱或輻射加熱。冷卻包括自然冷卻、強(qiáng)迫對流冷卻、半導(dǎo)體熱泵冷卻和熱池冷卻4種方法。綜合考慮本文設(shè)計(jì)的仿生捕蠅草SMA驅(qū)動原理和空間條件，本文選用比較可靠方便的通電加熱方法和自然冷卻方法。

1.4 仿生捕蠅草的力學(xué)建模

基于SMA絲驅(qū)動的仿生捕蠅草葉片在設(shè)計(jì)初始，根據(jù)適量控制原理，共三組SMA絲在空間上合理分布，同時控制三組SMA絲的動作，使其能夠完成仿生捕蠅草葉片的彎曲變形。在建立力學(xué)模型前，假設(shè)葉片彎曲變形結(jié)束后，葉片整體處于平衡狀態(tài)，即仿生捕蠅草葉片本體和SMA絲以及相應(yīng)連接元件均處于平衡狀態(tài)。葉片本體一端固定，另外一端是自由端，在整體的變形彎曲過程中，不計(jì)自重。在葉片的變形過程中，以假想中性層為界，靠近SMA絲的一側(cè)受到擠壓，存在壓應(yīng)力；遠(yuǎn)離SMA絲的一側(cè)受拉，存在拉應(yīng)力。SMA 絲嵌入葉片中，當(dāng)SMA絲加熱時，SMA 絲將發(fā)生收縮，從而迫使仿生葉片產(chǎn)生類似于捕蠅草捕捉時的彎曲變形。本文認(rèn)為任意一點(diǎn)的SMA的應(yīng)力是相同的，并且到葉片凹面的距離是不變的，故可以認(rèn)為SMA絲有一個不變的力矩。當(dāng)葉片呈一定角度彎曲時，可以達(dá)到力矩平衡?；谏鲜黾僭O(shè)，建立力學(xué)模型如圖9所示，取仿生葉片的一個橫截面做力學(xué)分析。根據(jù)葉片變形時的受力情況，可以得到平衡狀態(tài)下的幾個方程。

圖9 仿生捕蠅草葉片力學(xué)模型示意圖

當(dāng)葉片呈一定角度彎曲時，可以達(dá)到力矩平衡，得到：

Wf=Wb+Wg

式中：Wf為SMA絲產(chǎn)生的力矩；Wb為硅膠產(chǎn)生的力矩；Wg為葉片凹面彎曲后產(chǎn)生的力矩。

Wf=8πσr2

(1)

(2)

Wg=kiθ

(3)

通過上式可以求出彎曲角度θ關(guān)于SMA絲收縮量的函數(shù)表達(dá)式：

(4)

式中：σ為SMA絲的拉應(yīng)力(mPa)；r為SMA絲的半徑(m)；E為SMA絲的彈性模量；Y為SMA絲短點(diǎn)的矢量距離；h為SMA絲彎曲的距離；ki為固定常數(shù)。

通過控制加熱時間、通電電壓、通電電流，可控制SMA絲的收縮量，依據(jù)矢量控制原理，實(shí)現(xiàn)葉片的不同角度彎曲變形。

2 仿生捕蠅草的性能實(shí)驗(yàn)研究

2.1 仿生捕蠅草的測試實(shí)驗(yàn)平臺搭建

SMA絲通電后，在電流的作用下發(fā)熱，當(dāng)溫度達(dá)到相應(yīng)的相變溫度時，SMA絲收縮。本文的控制任務(wù)相對簡單，控制部分由系統(tǒng)電源、控制芯片、繼電器等三部分組成，如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)測試平臺

系統(tǒng)電源采用恒壓恒流可調(diào)學(xué)生電源，為SMA絲提供電壓以及電流，控制芯片控制繼電器的通斷，從而調(diào)節(jié)SMA絲的通電時間，以及電流的占空比。通過參數(shù)化設(shè)置電壓、電流、通電時間以及占空比，研究分析參數(shù)對于捕蠅草葉片彎曲性能的影響，為捕蠅草葉片的捕捉實(shí)驗(yàn)提供控制參數(shù)。

2.2 仿生捕蠅草的性能實(shí)驗(yàn)研究

本文通過加熱方式來控制SMA絲收縮，合適的加熱時間、加熱電壓和加熱電流是仿生捕蠅草葉片彎曲的基本保障。本小節(jié)將通過加熱單側(cè)3組SMA絲使其收縮，并驅(qū)動仿生捕蠅草葉片實(shí)現(xiàn)單次單側(cè)的彎曲實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)中獲取的參數(shù)進(jìn)行研究分析。

通電加熱仿生捕蠅草葉片的單側(cè)SMA絲，記錄不同加熱時間下的仿生捕蠅草葉片彎曲的角度參數(shù)。采用六種不同的電壓值來做單側(cè)SMA絲的加熱收縮實(shí)驗(yàn)，以100 ms為一個間隔，等間隔地增加加熱時間。當(dāng)無法驅(qū)動仿生捕蠅草或者仿生捕蠅草葉片內(nèi)的SMA絲受損時，停止加熱，以確定最佳控制參數(shù)。

分別將2 V、4 V、6 V、8 V、10 V、12 V作為加熱電壓，3 A作為加熱電流，首次通電時間為50 ms，隨后增加至100 ms、200 ms、300 ms、400 ms、500 ms，使用高速攝象機(jī)記錄彎曲過程，隨后處理視頻，得到各個通電時間下的最大變化角度，并作對比，如圖11所示。

圖11 不同電壓及通電時間下的角度變化趨勢

當(dāng)初始電壓小于2 V時，SMA絲不發(fā)生響應(yīng)，不會產(chǎn)生收縮現(xiàn)象，仿生捕蠅草葉片呈幾乎不動狀態(tài)。用 12 V作為加熱電壓，各個通電時間下，SMA絲溫度升高較快，且溫度較高，SMA絲均被燒斷。由于存在誤差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所繪制的曲線大致規(guī)律相同，雖然并不完全一致，但是不規(guī)律數(shù)據(jù)的波動較小，證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果可靠。

捕蠅草的最大彎曲角度隨著通電時間的增加而先增加后減小，最大彎曲角度的峰值普遍出現(xiàn)在通電時間為100 ms時。從圖11中可以看出，通電電壓對捕蠅草最大彎曲角度的影響較大，通電電壓越大。捕蠅草的最大彎曲角度普遍越大。這根據(jù)整體規(guī)律，可以看出，4 V時實(shí)驗(yàn)誤差較大，這是因?yàn)椴断壊莸膭幼鞑煌?、不均勻。為了保證仿生捕蠅草葉片的捕捉過程快速、同步且彎曲角度較大，選擇電壓為8 V，通電時間為100 ms。

通電電流的大小直接影響SMA絲的升溫速度，進(jìn)而影響SMA絲的響應(yīng)時間。為了確定SMA的驅(qū)動電流，獲得 SMA 絲在不同電流下所能達(dá)到的最大彎曲角度，如圖12所示，得到不同電流強(qiáng)度下仿生捕蠅草葉片的彎曲過程中角度變化。

圖12 通電電流與角度變化關(guān)系圖

由圖12可知，捕蠅草的最大彎曲角度隨著通電電流的增加而增大，當(dāng)通電電流達(dá)到4 A時，仿生捕蠅草內(nèi)的SMA絲有變紅現(xiàn)象，說明SMA絲的受熱溫度較高，無法持續(xù)反復(fù)進(jìn)行加熱，會影響形SMA絲的性質(zhì)，從而影響仿生捕蠅草的彎曲性能。

電流越大，響應(yīng)時間越短。然而電流過大，控制不當(dāng)，容易造成通電溫度過高，SMA 高溫失效；電流過低，一方面響應(yīng)時間長，另一方面可能會達(dá)不到 SMA 的相變結(jié)束溫度，使驅(qū)動過程不能完成。因此研究不同電流下SMA 絲的驅(qū)動特性，給予驅(qū)動器合理的通電電流，對提高驅(qū)動器響應(yīng)速度和防止SMA 過熱失效具有重要的意義。本文選擇通電電流為3 A。

綜上所述，確定仿生捕蠅草葉片最佳的控制參數(shù)為8 V，3 A，100 ms。在此控制參數(shù)下仿生捕蠅草葉片的彎曲過程如圖13所示，捕蠅草彎曲角度近30°，且響應(yīng)時間短，能夠在一定時間內(nèi)恢復(fù)到初始狀態(tài)。在一定時間間隔內(nèi)重復(fù)彎曲變形動作，變形無明顯衰減，滿足初始設(shè)計(jì)目標(biāo)與設(shè)計(jì)初衷。

圖13 8 V,3 A,100 ms控制參數(shù)下葉片彎曲變形圖

2.3 仿生捕蠅草的功能實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，確定實(shí)驗(yàn)的控制參數(shù)為通電電壓8 V、通電電流3 A、通電時間100 ms，根據(jù)上述參數(shù)，進(jìn)行仿生捕蠅草葉片的功能實(shí)驗(yàn)。使用8 V、3 A的直流電源對SMA絲通電，使仿生捕蠅草葉片向內(nèi)彎曲閉合。由圖14可知，仿生捕蠅草葉片在一個周期內(nèi)的運(yùn)動過程可分為以下三步：

圖14 雙葉片運(yùn)動變化對比圖

(1)未通電時，仿生捕蠅草葉片處于自然彎曲狀態(tài)，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，彎曲角度29°，故將葉片彎曲起始點(diǎn)置于量角器67°、125° 處，也就是說捕蠅草的初始張開角度為58°。

(2)對 SMA 絲施加 8 V、3 A的電壓、電流，當(dāng)通電時間為 100 ms時，葉片內(nèi)SMA絲整體收縮，促使仿生捕蠅草葉片彎曲閉合進(jìn)行捕捉。

(3)斷電狀態(tài)時，SMA 絲變形恢復(fù)，仿生捕蠅草葉片恢復(fù)初始狀態(tài)。

將制作的仿生捕蠅草葉片的運(yùn)動形態(tài)與高速攝象機(jī)記錄下的捕蠅草變化進(jìn)行對比，如圖14所示。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，仿生捕蠅草葉片運(yùn)動與實(shí)際捕蠅草運(yùn)動基本一致，能夠滿足捕捉目標(biāo)。初始狀態(tài)下，捕蠅草張開時葉片呈現(xiàn)外凸?fàn)顟B(tài)，進(jìn)行捕捉后，葉片會由外凸轉(zhuǎn)換為內(nèi)凹，從而達(dá)到密封狀態(tài)。仿生捕蠅草葉片并未達(dá)到對葉片狀態(tài)轉(zhuǎn)變的仿生。在運(yùn)動階段下，捕蠅草葉片運(yùn)動迅速，仿生葉片能夠在1 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)葉片的閉合，達(dá)到了與捕蠅草相當(dāng)?shù)乃健Ｔ陂]合狀態(tài)下，捕蠅草能夠在多個維度上實(shí)現(xiàn)屈曲變形，捕捉過程結(jié)束后，捕蠅草葉片完全閉合，不留一點(diǎn)縫隙。而仿生捕蠅草葉片由于制作誤差及結(jié)構(gòu)因素，只能夠發(fā)生單維度的屈曲變形，導(dǎo)致閉合后存在縫隙，無法緊密閉合，需進(jìn)行后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)制作了一款基于SMA絲驅(qū)動的仿生捕蠅草，可以在常溫狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)捕捉功能。仿生捕蠅草整體質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡單，最大張開角度達(dá)到58°，能夠在1 s內(nèi)完成葉片的閉合動作。仿生捕蠅草葉片本體材料為硅膠，葉片具有一定的柔性，且在對目標(biāo)物進(jìn)行捕捉時具有一定的適應(yīng)性，具有較好的包裹性。

性能測試及功能性實(shí)驗(yàn)都表明，仿生捕蠅草能夠滿足初始設(shè)計(jì)目標(biāo)和設(shè)計(jì)初衷，響應(yīng)迅速，對工作環(huán)境要求較低且無污染，可重復(fù)利用，具有一定的經(jīng)濟(jì)價值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)問題的分析總結(jié)，可以對仿生捕蠅草葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，輔之一誘捕裝置，能夠更好地達(dá)到捕蠅草的全流程仿生目標(biāo)，使其能夠全流程完成捕捉任務(wù)，從而更好地實(shí)現(xiàn)病蟲害防治和蟲情監(jiān)控。