On imitation octopus sucker anti skid tire bionics bioinformatics and design

Mechanical Engineering and Design June 2013, Volume 2, Issue 2, PP.14-19

On Imitation Octopus Sucker Anti-skid Tire Bionics Bioinformatics and Design Likun Zhou, Hongwei Wang Military Traffic & Transportation Department, Armed police logistics institute, Tianjin 300162, China

Abstract Bionics has become an important design means to improve the performance of the car in the field of automotive design and the bionics tire research has become a hot topic in recent years. The octopus sucker is taken as bionic study object in this paper. The octopus biological structure analysis was made from morphological parameters, wrist characteristics and sucker characteristics and the adsorption mechanism of octopus suckers was summarized and analyzed. According to the above analysis and the octopus suckers bionics biological information extracted, the preliminary design of the imitation of octopus sucker type anti-skid tyre has been developed, which holds higher theoretical reference value.

Keywords: Bionics; the Octopus Suckers; Tire Design; Biological Information

仿章鱼吸盘式防滑轮胎仿生学生物信息分析与设计 周利坤，王洪伟 武警后勤学院，军交运输系 天津 300162 摘

要：仿生学应用于汽车设计领域已成为改善汽车性能的重要设计手段，近年来，关于仿生轮胎方面的研究成为热点

课题。以章鱼吸盘作为仿生研究对象，从形态参数、腕部特征和吸盘特征等方面详细进行了章鱼生物结构分析，并归纳 分析了章鱼吸盘的吸附机理。综合上述分析，提取了章鱼吸盘仿生学生物信息，并对仿章鱼吸盘式防滑轮胎进行了初步 设计，具有较好的理论参考价值。 关键词：仿生学；章鱼吸盘；轮胎设计；生物信息

引言 汽车冬季防滑是世界性研究的热点和难点问题，各国研究人员一直致力于轮胎防滑理论研究。我国北方 寒区和南方冻雨区每年道路积雪结冰现象严重，给人民生活带来了很大影响。为解决冰面防滑难的问题，世 界上许多国家一直致力于汽车防滑技术的研究。 传统的防滑装备主要是通过增大轮胎与路面的摩擦力来达到防滑效果，在实际中存在诸多问题。自汽车 诞生之日，仿生学便开始应用于汽车设计领域，以其独特的代码解放固有造型模式的设计形态，诠释对动力、 速度象征意义[1]。如今，仿生学不仅成为指导和辅助汽车造型设计的一个重要学科，而且成为改善汽车性能 的重要设计手段，国内先后研究开发了第 1、2 代仿生轮胎，出现了关于驼蹄、蚯蚓、蜣螂、豹子、蛇、猫、 青蛙、蜂巢、蜘蛛网等仿生轮胎[2]，并性能优越。但有关仿生吸盘式防滑轮胎方面的研究报道比较少。

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仿生对象生物信息分析

1.1 仿生对象选取 在生物界，人们可以发现许多具有吸盘的动植物[3]，例如植物中的葡萄科爬山虎，靠的是枝条顶端的吸 基金项目：陕西省重点学科建设专项资金资助项目(102-00X903)

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盘攀缘于峭壁或岩石上；节肢动物门甲壳纲蔓足亚纲的藤壶，常借助于其底部的吸盘附于船底或岩石上；环 节动物门蛭纲，以口为吸盘吸附于寄主体表靠吸血为生；有些蛙类可以通过四肢掌底的吸盘，垂直吸附于树 干上生活；腹吸鳅亚科、圆鳍鱼科、喉盘鱼科、鰕虎鱼科借助其吸盘牢固吸附在岩石或水草上，防止湍急的 型海洋动物身上；水蛭通过感觉神经控制吸盘盘壁贴合在被吸附表面；龙虱在交配时雄性龙虱的吸盘可以保 持长时间吸附，等等。 通过查阅资料、对比分析和观察研究，发现章鱼吸盘具有独特的结构特征、排布方式及吸附机理，各腕 上的吸盘可产生较大吸附力，实现在光滑表面上交替吸附，快速移动，以及仿章鱼吸盘原理在生活生产中得 到广泛应用，因此，选择章鱼吸盘作为仿真对象具体研究。 章鱼[4](Octopus)别称“蛸”，俗称“八爪鱼”。其体短，卵圆形，无鳍，头上生八腕，腕间有膜相连， 腕长短不一，腕上吸盘无柄（如图 1），属软体动物门(Mollusca)、头足纲(Cephalopoda)、八腕目(Octopoda)、 章鱼科(Octopodidae)。我国主要有 8 种：短蛸(O.ocellatus)、卵蛸(O.ovulum)、双点蛸(O.bimaculatus)、真蛸 (O.vulgaris)、环蛸(O.faciatus)、长蛸(O.svariabilis)、纺捶蛸(O.fusformis)、嘉庚蛸(O.Tankahke)，常见有 3 种： 短蛸(O.ocellatus)、长蛸(O.svariabilis)和真蛸(O.vulgaris)等，其主要分布于南北沿海。

图 1 章鱼高清图

图 2 章鱼特征简化示意图

章鱼吸盘能产生巨大的吸附力，据研究表明[5][6]，章鱼每条腕上都有 300 个吸盘，直径为 2.5 毫米的吸盘 可吸住 48 克重的物体；身长 1.5-2 米的章鱼，它的吸盘直径约为 6 毫米，吸重 100 多克，假设每个吸盘的直 径为 6 毫米，8 条腕手上 2400 个吸盘用尽全力，可吸重 240 多千克。虽然章鱼的吸盘通常不同时起作用，但 是它们可轻易拖起超过自身重 5 倍、10 倍、甚至 20 倍的物体。工业上使用较多的平直型，即扁平真空吸盘， 它与章鱼吸盘的形状和吸附原理均非常相似，产生的吸重也很大，直径为 2～360 毫米的单层扁平吸盘，最 大吸重可达 520 千克[7]。 在现实生产生活中，人们也普遍应用到章鱼吸盘原理，如“真空吸盘式”塑料挂衣钩；凹形底运动鞋， 即日本鬼塚受章鱼启发，将运动鞋做成吸盘式，防滑效果极佳；燃烧消耗罐中的氧气，导致罐内外产生压力 差，进行拔火罐；利用章鱼吸盘抓起煤块，甚至打捞沉到海底的物品；根据吸附原理，制成真空起重机，可 吊起 30 吨水泥预制板[8]等，真空吸附原理已被广泛运用到机器人、汽车组装、医疗机械、食品机械、自动搬 运机械、轻工机械、印刷机械、塑料制品机械等领域，发挥着极为重要作用。

章鱼生物结构分析

1.2 1.2.1

形态参数分析

章鱼形态参数[9][10]包括总长、胴长、胴宽、头宽、外套腔孔径、漏斗全长、漏斗形状、腕长、吸盘数、 吸盘直径、自由端长、腕间膜深度、口球直径、鳃小片数、齿舌长和宽、前后唾液腺长等；角质颚参数包括 头盖长、脊突长、喙长、喙宽、侧壁长、基线长、翼长、颚角、侧壁夹角等。 - 15 www.ivypub.org/med

1.2.2

腕部特征分析

章鱼有八条可收缩的腕，腕的长短不一，短蛸的腕长约 12 厘米，长蛸的腕长约 48.5 厘米，真蛸的腕长 约 32.5 厘米等[4]；腕式也有所不同，通常根据腕上吸盘分为单列和双列两种；腕上吸盘数目基本相等，且随 着腕的长度增加而增加，各腕第 1、2 吸盘尺寸较小，第 3 至 8 吸盘尺寸较大，之后至腕尖端吸盘尺寸逐渐 减小；腕间膜较深。如图 2 所示。 1.2.3

吸盘特征分析

章鱼吸盘直径大小不一，具体特征如图 3 所示。它由三维阵列肌肉紧密而成，其肌肉有三个主要的纤维 定向肌[11][12]： ①可以穿过薄壁的放射肌； ②周边布满吸盘的环状肌； ③垂直于放射肌和环状肌的睫状肌。 另外，吸盘还包括嵌入在肌肉组织的内外纤维结缔组织层和交叉结缔组织纤维。三维阵列肌肉可以调节 肌肉液压，使内部吸呛压力减少，形成吸附力。放射肌收缩使吸盘壁变薄，从而增加吸盘的封闭体积。睫状 肌和环状肌对抗放射肌。交叉结缔组织纤维可储存弹性能量，延长附着时间。

图 3 吸盘高清图

图 4 章鱼附着在水族箱墙壁上

吸盘圆盘状的部分称为漏斗。当吸盘吸附时，它会紧紧贴住物体表面，如图 4 所示。漏斗表面蕴藏着一 系列的放射脊和放射沟，它们可定期脱落，被不断延长的几丁质表皮或吸盘内衬覆盖。另外，漏斗被边缘松 弛和褶曲的真皮和上皮所包围，被环形沟将它和真皮和上皮分隔开，如图 5 所示。 图 5 中：在漏斗上可以看到放射沟、放射脊(I)和打开的小孔通向吸盘腹(A)，漏斗被边缘松弛的上皮(E) 所环绕，一条窄沟把漏斗和上皮隔开。 在漏斗中间有一个小孔通往的凹形空腔，称为吸盘腹（图 5，图 6）。几丁质表皮覆盖着漏斗，延伸并 覆盖吸盘腹的内表面。表皮作为一个整体会从漏斗和吸盘中脱落。此外，漏斗还包含了一系列凹槽，它们从 漏斗中心一直延伸到边缘，几丁质的表面角质层含有一系列明显的小挂钩或齿状物。

图 5 显微镜下的章鱼吸盘

图 6 章鱼吸盘剖面示意图 - 16 www.ivypub.org/med

图 6 中：A，吸盘腹；AR，吸盘腹顶；AW，吸盘腹壁；C，环状肌；CC，交叉结缔组织纤维；D，真 皮；E，外附肌肉；EC，外附环形肌；EP，上皮；IN，漏斗；IC，内部结缔组织层；M，睫状肌；R，放射 肌；S1，主括约肌；S2，次括约肌。 吸盘通过一系列外在肌束的作用附着在章鱼腕上，组成肌束的肌肉群可以在任何方向上转动整个吸盘， 并可以拉长至平时的两倍，转向和收缩能力很强。

1.3 章鱼吸盘吸附机理分析 章鱼吸盘有着各式各样惊人的功能，包括把身体固定在海洋底层、捕食、移动、趋化性识别、行为展示、 控制、取样和收集物体等。图 7 为章鱼通过收缩肌肉群使独特的吸盘触手沿着海底的岩石“走路”。

图 7 章鱼交替吸附爬行

这些功能的完成主要依靠章鱼吸盘的吸附机理，即在生理调节作用下，通过发达的肌肉机制，控制肌肉 收缩排出吸盘内部的水，形成密封凹腔，造成吸盘内外压力差而产生吸附力吸附在物体表面上，而后调节肌 肉液压使吸盘松开或吸附更紧以达到目的。其基本吸附方式为垂直吸附，吸附力的大小主要由吸附区的吸盘 内外压力差决定。另外，章鱼吸盘上的径向开槽、小挂钩或齿状物可以增加吸盘边缘和被吸附表面的摩擦力， 传输吸盘边缘下方的压力，其方向与章鱼运动方向相反。 综合分析，仿章鱼吸附机理可归纳为[12]-[14]： ①吸盘通常为具有弹性体边缘的凹形体，其弹性体边缘在外力作用下，可发生弹性形变使凹形体的体积 发生变化，同时与被吸附表面形成密封空腔； ②为了保证吸盘边缘不漏气，通常在弹性边缘的上方设有刚性组织； ③吸附力的大小取决于吸盘和被吸附表面之间空腔负压的大小，为获得较大的负压，通常需要具有类似 吸盘强劲有力的肌肉组织，使空腔的体积发生改变，排除气体，产生负压； ④在吸盘的内壁表面可适当设计一些弹性较强的微小凸状物，提高物体之间的摩擦作用，增强吸盘与被 吸附表面的切向摩擦力。

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章鱼吸盘仿生学生物信息分析 生物形态特征主要是指生物形态的结构性质，通常包含两方面：一是生物形态的构成要素，例如生物体

各部分的大小及形状等；二是各种构成要素之间的相互关系，例如生物体各部分之间的所处角度及相对距离 等。综合上述分析，提取了相应的生物信息如下： （1）章鱼有八条腕，每条腕上的吸盘个数基本相等，吸盘直径大小不一，越靠近尖端的吸盘直径越小。 （2）章鱼吸盘的漏斗中心有一个凹形空腔，一般呈圆锥、圆台或球缺等形状；其吸盘有收缩性、静力 机制和弹性储能机制，可向各个方向旋转、弯曲、伸缩变形。章鱼通常利用吸盘肌肉收缩排出内部的水，形 成密封空腔，造成压力差吸附在物体表面上，其吸附力大小可根据收缩弹性等调节。 （3）章鱼吸盘的基本吸附是垂直吸附，主要提供垂直于被吸附物体表面的吸附力，同时吸盘上的径向 开槽和齿状物可以增加吸盘边缘和被吸附表面的摩擦力，传输吸盘边缘下方的压力。 - 17 www.ivypub.org/med

（4）章鱼吸盘一般平行或并列规则地排布在各条腕上，各吸盘之间均具有独立性，可交替吸附在物体 表面，其中某个或某些吸盘吸附失效并不影响其它吸盘的吸附作用。

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仿章鱼吸盘式防滑轮胎设计 提取的生物信息表明，章鱼吸盘由三维阵列肌紧密而成，呈凹形漏斗状，对其进行合理简化，建立三种

不同凹形吸盘仿生表面单元体的数学模型，即圆锥型吸盘、圆台型吸盘、球缺型吸盘，选定圆锥型吸盘作为 仿生单元体，利用 pro/E 软件设计相应的三维结构模型。同时，结合章鱼吸盘的高收缩弹性、耐磨性及耐寒 性等性能，选择天然橡胶作为主要原材料进行材料设计。

3.1 仿生布局的原则 结合提取的生物信息、仿生轮胎特点和具体布局的要求，以增加吸附摩擦阻力为设计重点，提出仿生布 局的基本原则如下： （1）布局要符合仿生学原理，外形类似章鱼吸盘的排布特征规律。 （2）根据不同需要设计成不同直径的真空吸盘，内壁布局一些柔软微小凸状物，增加吸盘与接触面的 切向摩擦力； （3）胎面上所布局的吸盘均是完整的，各个吸盘之间互不相切，防止吸盘发生重叠失效现象； （4）根据轮胎的转动规律，及胎面美观的设计要求，吸盘沿胎面纵、横向均匀规则布局，且靠近胎面 纵向边沿的吸盘直径相对较小； （5）吸盘符合有效吸附性能需求。汽车行驶过程中，胎面上的吸盘随着轮胎转动有序地与冰面粘合吸 附，倾覆松开，每个瞬间发生吸附的吸盘面积会发生变化，布局设计中既要保证吸盘吸附力能满足汽车正常 行驶的牵引力、制动力、转向力等要求，又要保证吸盘有效吸附面积变化不大，以确保汽车行驶的稳定性； （6）在保证以上基本要求的基础上，还应尽量做到生热少，散热快，排水强和低噪声等。

3.2 仿生布局设计 结合章鱼吸盘平行或并列规则布局的特点，建立以圆锥型吸盘为仿生单元体的基于矩形布局规律的仿生 随机布局模型。这种布局方式的实质是将吸盘中心点有规律地分布在平面上。 具体地说，在同一展开平铺的矩形胎面上产生 n 维点（ n  2 ）： ①将吸盘直径按从大到小的顺序进行矩形布局，产生维点； ②以最大直径吸盘中心点为元素集合，产生二维点，再次进行矩形布局； ③同理产生 n 维点，胎面上所有吸盘布局，即为轮胎布局模型。 最终组合布局的局部效果，如图 8 所示。运用 Pro/E 软件设计其相应的轮胎结构模型，如图 9 所示。

图 8 仿章鱼吸盘型局部平面示意图

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图 9 仿章鱼吸盘型轮胎三维结构示意图

结论 本文运用仿生学原理，将章鱼吸盘机理引用到汽车轮胎防滑原理中，通过沿胎面布局多排直径不同的， - 18 www.ivypub.org/med

一定间隔排列的吸盘，从而借助吸盘吸附力达到良好的防滑效果，为今后拓展汽车防滑领域的研究提供了非 常有价值的理论参考依据。

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【作者简介】 周利坤（1970-），男，陕西西安人，博士，副教授，硕士生

王洪伟（1985-），男，研究生，研究方向：汽车工程。

导师，研究方向为运输装备及保障工程等。

Email: 172548703@qq.com

Email: zhoulikun89@sohu.com

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