生物材料与仿生力学前沿研究分享

之前已经使用鸟类飞行观测、风洞中的物理模型、理论建模和流动可视化对鸟尾巴的空气动力学功能进行了研究。然而，这些方法都没有提供关于尾部功能的严格、定量的证据，因为（i）使用活体动物无法实现适当的操纵和控制，以及（ii）翅膀和身体之间的空气动力学相互作用挑战了简化的理论或物理建模方法。在这里，我们开发了一个综合的分析阻力模型，通过高保真计算流体动力学（CFD）进行校准，并通过虚拟操纵其姿态来研究尾部的空气动力学行为。用于CFD的鸟类几何结构先前使用自由滑翔仓猫头鹰（Tyto alba）的立体摄影测量重建，我们根据尾流测量验证了CFD模拟。使用这个CFD校准的阻力模型，我们预测了16次具有一系列尾部姿态的滑翔飞行的阻力产生。这些观察到的姿势是在更广泛的理论姿势参数扫描的背景下设置的，其中尾巴展开角和仰角是独立操纵的。我们观察到的滑翔鸟的姿势与接近最小的总阻力相对应

 

 

 

 

 

 

我们研究了表面曲率对软材料褶皱模式演变的影响。将理论分析和傅立叶谱方法相结合，以充分了解表面褶皱和图案转变的发生。我们揭示了表面曲率及其各向异性在褶皱模式转变中起着关键作用，例如，从正弦模式转变为六边形模式。基于非线性平衡方程，提出了一种傅立叶谱方法来跟踪弯曲双层系统中表面褶皱模式的演变。通过仿真结果与相关实验的比较，验证了该方法的有效性。模拟表明，六边形相可能演变为双稳态或迷宫相，这取决于曲率各向异性、过应力、无量纲曲率参数和曲率梯度。这项工作不仅有助于理解一些自然系统中的图案形成，而且这里提出的方法还可以找到广泛的技术应用，例如，使用曲面上的迷宫图案设计具有高安全级别的防反渗透系统。

 

 

 

防冰表面在许多行业中具有重要的意义，已经引起了世界各国的广泛关注。研究了不同表面类型的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(CNTs/PDMS)纳米复合材料的三线(即覆冰前、覆冰后和覆冰后)协同憎冰性。同时，在经典成核理论、热力学分析和焦耳加热的框架下，阐明了这一现象的机制。结冰: 根据经典的成核理论，绘制了结冰热力学(温度-时间)曲线，分析了纳米复合材料表面静态水滴的结冰相变过程，并提出了结冰过程中的润湿状态转变。结冰后: 纳米复合材料表面的电热功能为主动除冰提供了一条最终路线，如果前两条被动防御路线失效，这条路线可以作为替代策略。

 

 

 

 

 

 

 

在将植入物放置到活骨中时，形成界面，通过该界面发生各种生物化学、生物、物理和机械相互作用。随着种植体周围骨骼力学性能的增加，这种界面会随着时间的推移而演变。由于界面过程的多因素性质，设计一个全面的模型来预测骨-植入物界面的力学行为是具有挑战性的。我们提出了一个简单的时空演化力学模型，从包含随机定向矿化胶原原纤维的骨水泥单细胞到间隙愈合场景中的宏观骨植入物界面。每个单细胞的指定杨氏模量值在1.62GPa和25.73GPa之间，分别对应于矿化胶原原纤重叠区域中矿物体积分数的最小值（即0）和最大值（即0.4）。对间隙闭合和随后的硬化进行建模，以反映植入物周围骨形成的两个主要方向，即接触成骨和距离成骨。线性弹性随机有限元模型揭示了骨-植入物界面刚度的高度非线性时间演变，强烈受接触成骨和距离成骨的特定动力学的支配。骨-植入物界面在间隙闭合之前具有较小的刚度，间隙闭合随后演变成高得多的刚度。这种转变让人想起渗透转变，其阈值对应于间隙闭合。这里提出的模型虽然是初步的，但可以纳入骨植入系统的未来计算中，其中界面是机械定义的。

 

 

 

 

机械传导在引起远端结肠和直肠（结直肠）疼痛中起着核心作用，在那里嵌入的感觉神经末梢将微观机械应力和应变转化为神经动作电位。结直肠在厚度和纵向上表现出强烈的不均匀性，胶原集中在粘膜下层，因此表明该层的重要承重作用。粘膜下层的感觉神经末梢密度也明显最大，这表明它具有伤害性功能。因此，结直肠中的生物力学异质性影响嵌入结直肠不同层内的传入末梢周围的微观机械应力和应变，这对于各种机械刺 激的机械传导至关重要。在本研究中，我们的目的是：（1）校准和验证一个三层的结直肠计算模型；（2） 预测活体外结直肠机械刺 激期间的应力和应变的组织内分布（即周向拉伸、斑点探测和粘膜剪切）；和（3）建立一种方法来计算包埋在结直肠中的传入神经末梢周围的局部微机械应力和应变。我们建立了三层FE模型，包括粘膜层、粘膜下层和肌肉层，并结合残余拉伸，以计算当结直肠受到用于表征离体传入神经编码的机械刺 激时组织内的应力和应变。最后，我们建立了一种方法来详细计算嵌入结直肠的传入末梢周围的局部微机械应力和应变，并用一个有代表性的例子证明了这一点。我们的新方法将桥接实验中现有的神经生理学和生物力学证据，以推进我们对结直肠机械转导的机制理解。