应用仿生学与生物力学

中耳鼓膜和听骨链作为从空气中的声音信号到内耳听觉感受器的声音感知的桥梁，通过气固转换和固液转换两种方式将外耳的声音信号进行转换。另外，通过三个听骨结构形成的杠杆原理，将声音集中放大到内耳。然而，中耳的声音传递功能会因疾病、遗传或创伤而降低。因此，用中耳假体替换受损的听骨可以恢复传导性功能。中耳假体的功能实现取决于假体从鼓膜到镫骨板对人听觉感知频率的振动响应，受假体与鼓膜结合方式、材料和几何形状的影响。本研究针对不同类型的听骨链损伤设计了合理的修复结构，并利用有限元方法分析了其频率响应特性。此外，为了获得更好的振动频率响应，在假体中设计了一个球结构来模拟其放大功能。结果表明，不同损伤类型的中耳假体能有效地传递振动能量。特别是当加入不同材料的球结构模型时，一阶和二阶共振频率和响应振幅非常接近。而铝合金球材料形成的第三级共振频率比其他两级大，表现出良好的响应特性。

阅读全文

脑震荡是社会日益沉重的经济负担。机动车碰撞（MVCs）是导致脑震荡的主要原因，可能是由于头部加速度过高。速度的变化（即- )MVC中的车辆是一个确定的碰撞严重性度量。因此，本文的目的是分析以往研究的结果，以确定三角洲之间的关系-以及线性头部加速度，包括乘员参数。数据来自先前的研究论文，包括线性头部加速度和增量-在事件发生后，乘员的头部位置，之前影响乘员的意识，以及性别，年龄，身高，体重的时间。统计分析显示之间的δ-以下显著权力关系头部加速度： ( , ).进一步的分析显示- ,之前影响乘员的性别和头部位置是头部加速度的显著预测（ 和 ,分别）。本文发展的最强模型被认为是生理上不可信的-对应于80克的理论震荡阈值超过了δ-与死亡的概率有关。今后的研究应着眼于在MVCS以帮助提供乘员头部的运动性能更全面的数据集建立一个更强大的预测模型之间的δ-关系头部线性和角加速度。

阅读全文

研究了7名高水平乒乓球运动员上旋正手的运动学参数及其在主体间和主体内的变异性。一个无线惯性测量单元（IMU）系统测量了击球手的运动，分析准备位置、后挥杆和前挥杆事件，一个安装在球拍上的压电传感器捕捉到球拍的接触。在四个阶段的循环中（后摆、击球、跟随和回到准备位置），身体传感器记录了循环和阶段持续时间；在击球手的肩、肘、腕和膝关节的矢状面上的角度；以及击球手在接触球拍时的加速度。计算变异系数（CV）以确定运动员内部和运动员之间运动参数的变异性。观察到的中风持续时间的变异性很低( )表示不变。角度的中小型个体内变异( )表示每个玩家使用了广泛可重复的技术。个体内运动的巨大变异性可能是功能性的（即运动调节和避免损伤）。膝关节和肘关节角度的个体间和个体内变异性很低；腕关节伸展是最可变的参数( )对于所有任务，肩关节变异性为中到大。手部加速度的变异性很低( ).各个玩家在接触瞬间实现相对恒定的手加速，可能是因为在一个关节（例如，肩）角度变化可通过在另一（例如，手腕）的变化进行补偿。这些发现可能有助于指导教学过程和个性化的训练过程。

阅读全文

膝关节作为下肢运动的主要关节，是最易受损伤的关节。膝关节损伤严重影响患者的正常生活能力和心理健康。了解正常膝关节和病变膝关节的生物力学特性，是设计膝关节辅助器械和优化康复训练方案的迫切需要。在本文中，我们系统地搜索了电子数据库（2000年至2019年11月），包括ScienceDirect、Web of Science、PubMed、Google Scholar和IEEE/IET电子图书馆，寻找潜在的相关文章。在删除副本并将包含标准应用于标题、摘要和全文之后，138篇文章仍有待审查。所选文章分为两组进行分析。首先，讨论和分析了正常膝关节的真实运动和在矢状面和冠状面上的正常行走、跑步、爬楼梯和坐立4种日常运动的正常膝关节生物力学。其次，对膝关节常见肌肉骨骼和神经系统疾病的运动生物力学效应的研究现状进行了综述。最后，对目前研究中存在的问题进行了讨论，并对今后的研究提出了建议。总的来说，这篇综述揭示了目前对正常和病变膝关节的生物力学还没有明确的评估。膝关节的肌肉骨骼或神经系统疾病对生物力学特性有显著影响。进一步了解正常膝关节和病变膝关节的生物力学特性仍然是今后迫切需要解决的问题。

阅读全文

发育性运动研究的重点是在一个物种的不同发育阶段的运动行为的演变。不同于脊椎动物，无脊椎动物个体发育的运动是认真调查。蝗虫代表一个优秀的生物模型来研究这个问题。他们是hemimetabolous昆虫和在不同虫态类似的方面和行为。这项研究的目的是研究的跳跃性能飞蝗在不同发育阶段。三龄、四龄和成年的跳跃一.迁徙动物通过一个高速照相机记录。数据进行分析，以开发昆虫的简化生物力学模型：刺槐后腿的弹性接头简化为位于股骨-胫骨关节作为一个半月过程中的扭转弹簧和基于涉及两个移动和几何数据的精力充沛的方法。一个简化的数学模型评估的每个测试跳跃的性能。结果表明，较长的后腿长度，较高的弹性参数，以及更长的起飞时间协同地有助于更大的速度和能量储存/成人蝗虫释放，如果相比于年轻龄;与此同时，它们由于质量增加补偿加速的可能减小。这一发现还给出了先进的仿生机器人的跳跃设计的见解。

阅读全文

不同于传统的充气轮胎中，非充气轮胎（NPT）是防爆和维护简单，并提供低的滚动阻力。在高车速，但是，通过NPT的开式软辐结构所产生的复杂的气流产生高气动噪声，这有利于声音污染在车辆的交通环境。通过的想法，一个非光滑结构肋可影响流体流，并提供降噪，的非光滑脊状表面的上的NPT和噪声减速机构的气动噪声的影响的分析的启发在本文作了介绍。First, computational fluid dynamics (CFD) was used to analyze the surface pressure coefficient characteristics of a smooth flexible-spoke tire rolling at a speed of 80 km/h and subsequently validating the numerical simulation results by comparing them with published test results. Secondly, large eddy simulation (LES) and the Ffowcs Williams–Hawkings (FW-H) method were, respectively, used to determine the transient flow and far-field aerodynamic noise. Then, the mechanism of noise reduction was investigated using a vortex theory. Based on the vortex theory, the positions and strengths of noise sources were determined using the Lamb vector. Finally, according to the fluid boundary layer theory, a nonsmooth riblet surface was arranged on the surface of the spokes, and the influences of the riblet structure parameters, including size, position, and direction, on aerodynamic noise were analyzed. Based on the vortex theory, it was found that the nonsmooth riblet structure can reduce the Lamb vector, suppress the generation of flow vortices, decrease acoustic source strength, and effectively decrease noise up to 5.18 dB using the optimized riblet structure. The study results provide a theoretical basis for the structural design of a new low-noise NPT.

阅读全文