專利名稱：用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測量裝置及方法
技術領域：
本發明涉及昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測量裝置及方法，屬于生物活體與表面爬附性能測量領域。
背景技術：
在自然界中，人們常常見到蒼蠅、螞蟻、蟋蟀等昆蟲在光滑的表面快速爬行，甚至能倒吊在天花板上。這種奇特的自然現象引起了無數生物學家的興趣，他們對此進行了深入的研究。研究發現，許多昆蟲足上都有著形態各異的粘性足墊。這些足墊可迅速釋放，并且通過足墊產生的爬附力控制行進和奔跑。其機制顯示了驚人的結構多樣性和卓越的性能。爬行過程中與接觸面間的附著機制及摩擦特性是仿生學的重要分支，在昆蟲爬附性能上的研究對機器人仿生足掌仿生材料的研制具有一定的指導意義。爬附性能是昆蟲運動行為的重要能力，例如專利申請號為201020155828. I的“一種昆蟲行為檢測系統”提供了一種通過攝像機來監控昆蟲運動姿態和運動軌跡的裝置，但是該實驗裝置的實驗平臺固定，不能轉動，只能用于觀察昆蟲在水平面上的爬附行為；專利申請號為200910105865. 3的“果蠅行為試驗方法以及裝置”通過LED燈顯示不同色彩、圖形以及運動圖案來刺激果蠅，進而直接觀察果蠅趨同性等運動行為的裝置，但是不能用于研究不同粗糙度表面對昆蟲爬附行為的性能問題。爬附力作為爬附性能測量的重要方面，一直以來受到廣泛的關注與研究，國內外也開發了許多用于測試昆蟲與粗糙表面爬附力的測試裝置。例如德國的Walter Federle 等人在 2003 年雜志《The Journal of Experimental Biology》第 206 卷 “Biomechanics of ant adhesive pads frictional forces are rate-and temperature-dependent，，一文中給出了用離心分離技術來測量螞蟻的水平爬附力的測試裝置。國內周群等人在同濟大學學報2008年第36卷《螞蟻附著力的測試及ANSYS分析》也給出了一種離心式基于高速圖像反饋的爬附力測試平臺，但是只能測試水平和垂直兩個方向的爬附力。專利號為 200810203235. 5 “一種測量生物活體與物體間粘附力的測力裝置及測試方法”提出了一種運用杠桿原理測量生物活體與物體間爬附力的測力裝置和測試方法，但是該測試方法制樣復雜、實驗步驟繁瑣。而且這三種測試裝置只能測試特定角度下昆蟲與粗糙表面的爬附力， 測試范圍較小。上述專利都與本發明的裝置和方法不同，不能用于昆蟲爬附力的測量。
發明內容
由于昆蟲爪、足結構不同，握持機制不同，因此對不同的粗糙度表面的爬附力不同，不同站姿的爬行穩定性也不同。這將引起昆蟲對不同空間位置和粗糙度表面的適應性或喜好不同。而目前合適、客觀的表征手段欠缺。鑒于現有測量裝置和測試方法的不足，本發明的目的是提供昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測量裝置及方法，其測量原理是依據昆蟲對爬附表面的適應性和能夠爬附的站姿、最大忍受的擺動與振動干擾的能力進行測量的。為了實現上述目的，本發明提供了一種用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，其特征在于，包括透明箱、爬板、轉位機構、振動機構、彈簧底座以及數碼攝像裝置， 彈簧底座上連接振動機構，彈簧底座上設有透明箱和與透明箱連接的轉位機構，透明箱內設有爬板。優選地，所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置還包括控制與數據處理系統,所述的轉位機構包括轉位步進電機，所述的振動機構包括振動步進電機，所述的數碼攝像裝置包括攝像器，所述的控制與數據處理系統包括計算機，計算機連接驅動模塊和數碼圖像模塊，驅動模塊連接轉位步進電機和振動步進電機，數碼圖像模塊連接攝像機。驅動模塊用于控制轉位步進電機和振動步進電機轉動，數碼圖像模塊用于采集和分析昆蟲爬附狀態和爬附位置，驅動模塊所需要的控制信號通過計算機產生，控制信號包括驅動脈沖、方向控制、全/半角控制，利用計算機上的對外輸出數據線可方便的產生。所述的透明箱包括箱體以及通過鉸鏈連接在箱體前臂上的門，所述的門上設有把手。所述的箱體可由透明有機玻璃或透明高聚物塑料制成，其形狀可以是三棱柱形或長方體形。所述的爬板粘結在箱體的內底面。可以是相同表面粗糙度的爬板，亦可以具有不同表面粗糙度的爬板。所述的不同粗糙度爬板的拼接形式可以是如圖5A所示的條帶狀爬板、如圖5B所示為靶環式爬板和如圖5C所示的方形框爬板；爬板中間粗糙，旁邊或兩側相
對光滑。所述的轉位機構還包括由轉位步進電機驅動的轉軸,所述的轉軸與透明箱固接。 轉軸同轉位步進電機同步轉動。所述的振動機構還包括由振動步進電機驅動的電機軸，電機軸固接甩盤，所述的甩盤為偏心圓盤，且上端與連桿外切，連桿一端與座架固接在一起，另一端連接平衡重錘。 平衡重錘保持連桿與甩盤始終外切，振動步進電機帶動電機軸和與電機軸固接在一起的甩盤同步轉動，繼而帶動連桿和座架上下振動。所述的彈簧底座包括座架、四根支撐彈簧和底座，支撐彈簧的下端固定在底座上， 上端與座架固定連接。彈簧底座一方面支撐透明箱、爬板和轉位機構，另一方面在振動機構的驅動下上下振動。所述的數碼攝像裝置還包括攝像器支架，攝像器設于攝像器支架上。所述的攝像器可以根據透明箱的旋轉角度來手動改變拍攝角度以保證能夠拍到爬板上所有的昆蟲。本發明還提供了一種用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試方法，采用權利要求I所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，其特征在于，具體步驟為第一步打開透明箱，將爬板粘貼在透明箱內，放入昆蟲到爬板上，關閉透明箱；第二步通過轉位機構帶動透明箱轉動到特定位置，而后控制透明箱來回轉動而產生擺動干擾，或控制振動機構轉動產生振動干擾，或同時進行所述的擺動干擾和振動干擾；同時手動調節數碼攝像裝置的拍攝角度，通過數碼攝像裝置觀察昆蟲在爬板上的趨同區域與掉落概率，由此獲得昆蟲的可爬附概率和掉落概率。由于采用了上述的技術方案，本發明與現有技術相比，具有以下的優點和積極效果(a)測量對象的范圍更廣，能夠測量在不同種類昆蟲，如蠅類、蟋蟀、甲蟲或螞蟻等與粗糙表面間的爬附概率；(b)測試時，對昆蟲試樣的處理簡單，對于不會飛行或跳躍的生物活體試樣直接進行實驗，實驗速度快、成本低；(c)要獲得昆蟲與物體間的最大爬附力值，可以先由該測試裝置測量獲得合適的粗糙度，再利用其他爬附力精密測量儀器測試在該粗糙度下昆蟲的最大爬附力，針對性強；(d)測試過程封閉性好，不僅不易受到外界溫濕度等環境條件的干擾，而且最大限度的保護了實驗過程中掉落的活體試樣，測試結果穩定。
圖I是用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測量裝置立體圖2是用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測量裝置主視圖3是用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測量裝置俯視圖4是控制與數據處理系統圖5A是條帶狀爬板示意圖5B是靶環式爬板示意圖5C是方形框爬板不意圖6a是透明箱平置狀態示意圖6b是透明箱側置狀態示意圖6c是透明箱倒置狀態示意圖中，I-透明箱，其包括11-箱體；12_門；13_昆蟲；
2-爬板，其包括條帶狀爬板A、靶環式爬板B和方形框爬板C ；
3-轉位機構，其包括31-轉位步進電機；32_轉軸；
4-振動機構，其包括41-振動步進電機；42_電機軸；43_思盤；44_平衡重銀45-連桿
5-彈簧底座，其包括51-座架；52_支撐彈簧；53_底座；
6-數碼攝像裝置，其包括61-攝像器；62_攝像器支架；
7-控制與數據處理系統，其包括71-計算機；72_驅動模塊；73_數碼圖像模塊；具體實施方式
下面結合具體實施例，進一步闡述本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明
而不用于限制本發明的范圍。此外應理解，在閱讀了本發明講授的內容之后，本領域技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權利要求書所限定的范圍。實施例I如圖I所示，為用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測量裝置立體圖，其主視圖和側視圖如圖2和圖3所示，是由放置昆蟲13的透明箱1，爬板2，帶動透明箱I轉動的轉位機構3，實現透明箱I上下振動的振動機構4，彈簧底座5，觀察昆蟲13所處位置和爬附狀態的數碼攝像裝置6，進行數據采集與機構運行的控制與數據處理系統7組成。彈簧底座5上設有透明箱I和與透明箱I連接的轉位機構3，透明箱I內設有爬板 2。透明箱I由透明有機玻璃制成，其形狀是三棱柱形，棱柱底面為正三角形，邊長為10cm， 側棱長20cm，兩側與轉軸32固接，側面開有15cmX5cm的門12，門12上安裝有把手，可以方便開啟與關閉。所述的爬板2粘結在箱體11的內底面。所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置還包括控制與數據處理
5系統7，如圖4所示，為昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測量裝置控制與數據處理系統圖，所述的控制與數據處理系統7包括計算機71，計算機71連接驅動模塊72和數碼圖像模塊73， 驅動模塊72連接轉位步進電機31和振動步進電機41，數碼圖像模塊73連接攝像機61。驅動模塊72用于控制轉位步進電機31和振動步進電機41轉動，數碼圖像模塊73用于采集和分析昆蟲爬附狀態和爬附位置，驅動模塊72所需要的控制信號通過計算機產生，控制信號包括驅動脈沖、方向控制、全/半角控制，利用計算機71上的對外輸出數據線可方便的產生。所述的轉位機構3包括轉位步進電機31以及由轉位步進電機31驅動的轉軸32， 所述的轉軸32與透明箱I固接。轉軸同轉位步進電機同步轉動。轉軸32直徑為2cm與座架51高度為10cm。所述的振動機構4包括由振動步進電機41和振動步進電機41驅動的電機軸42，電機軸42直徑為2cm，電機軸42固接甩盤43，所述的甩盤43為偏心圓盤，甩盤43為直徑為3cm,厚度為Icm,上端與連桿45外切,連桿45是尺寸為30cmX IcmX 0. 5cm 的鋼質金屬桿，一端與座架51固接，另一端懸掛平衡重錘44。平衡重錘44為鉛質，重量為 10kg。平衡重錘44保持連桿與甩盤始終外切，振動步進電機41帶動電機軸42和與電機軸 42固接在一起的甩盤43同步轉動，繼而帶動連桿45和座架51上下振動。座架51為木質薄板，尺寸為30cmX 20cmX 0. 5cm,底座53為木質薄板，尺寸為30cmX 20cmX 0. 5cm,座架51 和底座53之間通過4根支撐彈簧52連接，支撐彈簧52自由長度為5cm，彈性系數為100N/ cm。彈簧底座一方面支撐透明箱、爬板和轉位機構，另一方面在振動機構的驅動下上下振動。所述的數碼攝像裝置6包括攝像器61和攝像器支架62，攝像器61設于攝像器支架62 上。攝像器支架62為可伸縮支架，高度可調。所述的攝像器61可以根據透明箱的旋轉角度來手動改變拍攝角度以保證能夠拍到爬板上所有的昆蟲。使用上述裝置測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的方法如下(I)開啟轉位步進電機31，帶動透明箱I轉動到底面呈水平狀態，取將要測試的爬板2，將其裁剪成20cmX IOcm大小，反面粘貼雙面膠，而后打開門12，將爬板2粘在透明箱 I底面。同時取將要測試的昆蟲50個，若所要測試的昆蟲試樣有翅膀(或跳足)且能夠飛行(或跳躍)，則用用膠水粘貼在一起(或用試樣夾夾住)，以使其不能飛行(或跳躍)，放入爬板2中的相對粗糙面上，關閉門12 ；(2)調節攝像架62的高度到透明箱I的中線下方，開啟攝像器61，調節攝像器61 向下30°左右以保證能夠看到所有的昆蟲試樣。開啟計算機71，根據實驗要求設定好轉位步進電機31和振動步進電機41的轉向和轉速,開始實驗；(3)先啟動轉位步進電機31帶動透明箱I轉到特定的位置，而后驅動轉位步進電機31周期性正轉或反轉產生擺動(擺動時，轉位步進電機轉速為5r/min，轉向變化頻率為 2Hz)，或者開啟振動步進電機41帶動透明箱I上下振動，或兩者復合作用。同時根據透明箱I轉動的位置手動調節攝像器61的角度，保證能夠看到爬附在爬板2上的所有昆蟲，同時觀察實驗過程中昆蟲爬附的位置并在實驗結束時記錄掉落的昆蟲數量；(4)重復(1)_(3)，測試20次，取平均值，并得出昆蟲在該粗糙度表面爬附的概率 P為p = — xl 00%
式中，好為爬附未掉落的昆蟲數量的平均值；N為每次試驗的昆蟲數。(5)關閉步進電機、攝像器62、存儲實驗結果并關閉計算機71，打開透明箱I的門 12，取出昆蟲試樣，取下爬板2，關閉門12，實驗結束。實施例2采用實施例I所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測量裝置，以蒼蠅為例，將顆粒大小為5 y m的二氧化硅拋光紙作為爬板2，測試其倒置時擺動干擾下的爬附概率。具體步驟為(I)開啟轉位步進電機31，帶動透明箱I轉動到如圖6a所示的平置狀態，取將要測試的爬板2，將其裁剪成20cmX IOcm大小，反面粘貼雙面膠，而后打開門12，將爬板2粘在透明箱I底面。同時取將要測試的昆蟲50個，用膠水將蒼蠅的翅膀粘在一起使其失去飛行能力，放入爬板2中的相對粗糙面上，關閉門12 ；(2)調節攝像架62的高度到透明箱I的中線下方，開啟攝像器61，調節攝像器61 向下30°左右以保證能夠看到所有的昆蟲試樣。開啟計算機71，根據實驗要求設定好轉位步進電機31和振動步進電機41的轉向和轉速,開始實驗；(3)先啟動轉位步進電機31帶動透明箱I轉到如圖6b所示的倒置的位置，而后驅動轉位步進電機31周期性正轉或反轉產生擺動(擺動時,轉位步進電機轉速為5r/min,轉向變化頻率為2Hz)。同時根據透明箱I轉動的位置手動調節攝像器61的角度，保證能夠看到爬附在爬板2上的所有昆蟲，同時觀察實驗過程中昆蟲爬附的位置并在實驗結束時記錄掉落的昆蟲數量；(4)重復(1)_(3)，測試20次，取平均值，并得出昆蟲在該粗糙度表面爬附的概率 P為
權利要求
1.一種用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，其特征在于，包括透明箱(I)、爬板(2)、轉位機構(3)、振動機構(4)、彈簧底座(5)以及數碼攝像裝置￠)，彈簧底座(5)上連接振動機構(4)，彈簧底座(5)上設有透明箱⑴和與透明箱⑴連接的轉位機構 (3)，透明箱⑴內設有爬板(2)。
2.如權利要求I所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，其特征在于，還包括控制與數據處理系統(7)，所述的轉位機構(3)包括轉位步進電機(31)，所述的振動機構(4)包括振動步進電機(41)，所述的數碼攝像裝置(6)包括攝像器(61)，所述的控制與數據處理系統(7)包括計算機(71)，計算機(71)連接驅動模塊(72)和數碼圖像模塊(73)，驅動模塊(72)連接轉位步進電機(31)和振動步進電機(41)，數碼圖像模塊(73) 連接攝像機(61)。
3.如權利要求2所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，其特征在于，所述的透明箱(I)包括箱體(11)以及通過鉸鏈連接在箱體(11)前臂上的門(12)，所述的門(12)上設有把手。
4.如權利要求2所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，其特征在于，所述的爬板(2)粘結在箱體(11)的內底面。
5.如權利要求2所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，其特征在于，所述的轉位機構(3)還包括由轉位步進電機(31)驅動的轉軸(32)，所述的轉軸(32)與透明箱⑴固接。
6.如權利要求2所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，其特征在于，所述的振動機構⑷還包括由振動步進電機(41)驅動的電機軸(42)，電機軸(42)固接甩盤(43)，所述的甩盤(43)為偏心圓盤，且上端與連桿(45)外切，連桿(45) —端與座架 (51)固接在一起，另一端連接平衡重錘(44)。
7.如權利要求2所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，其特征在于，所述的彈簧底座(5)包括座架(51)、四根支撐彈簧(52)和底座(53)，支撐彈簧(52)的下端固定在底座(53)上，上端與座架(51)固定連接。
8.如權利要求2所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，其特征在于，所述的數碼攝像裝置(6)還包括攝像器支架(62)，攝像器￠1)設于攝像器支架(62) 上。
9.一種用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試方法，采用權利要求I所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，其特征在于，具體步驟為第一步打開透明箱(1)，將爬板⑵粘貼在透明箱⑴內，放入昆蟲(13)到爬板⑵ 上，關閉透明箱⑴；第二步通過轉位機構(3)帶動透明箱(I)轉動到特定位置，而后控制透明箱(I)來回轉動而產生擺動干擾，或控制振動機構(4)轉動產生振動干擾，或同時進行所述的擺動干擾和振動干擾；同時手動調節數碼攝像裝置(6)的拍攝角度，通過數碼攝像裝置(6)觀察昆蟲在爬板(2)上的趨同區域與掉落概率，由此獲得昆蟲的可爬附概率和掉落概率。
全文摘要
本發明涉及用于測試昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測量裝置及方法，所述的用于測量昆蟲對粗糙表面可爬附概率的測試裝置，包括透明箱、爬板、轉位機構、振動機構、彈簧底座以及數碼攝像裝置。所述的測試方法，具體步驟為第一步打開透明箱，將爬板粘貼在透明箱內，放入昆蟲到爬板上，關閉透明箱；第二步通過轉位機構帶動透明箱轉動到特定位置，而后控制透明箱來回轉動而產生擺動干擾，或控制振動機構轉動產生振動干擾，或同時進行擺動干擾和振動干擾；同時調節數碼攝像裝置的拍攝角度，通過數碼攝像裝置觀察獲得昆蟲的可爬附概率和掉落概率。本發明可以測量昆蟲在不同空間位置和粗糙度表面的可爬附概率。
文檔編號A01K67/033GK102578044SQ20121003083
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月11日 優先權日2012年2月11日
發明者于偉東, 劉洪玲, 崔瑞國, 杜趙群 申請人:東華大學