昆虫翅翼仿生学研究,对揭示扑翼飞行的气动和稳定性原理具有深远意义,同时能够为微型扑翼飞行器的仿生翅翼研制提供理论参考。近二十年来,国外许多学者对昆虫翅翼的功能形态学和材料力学性质等方面开展了较为广泛的研究,取得了一定的成果。然而昆虫翅翼研究的学术前沿主要被西方国家所占据,国内在昆虫翅翼的研究及仿生研制方面相对薄弱。因此,开展昆虫翅翼研究,对我国研制超薄轻质仿生材料及微型扑翼飞行器具有重要的意义。目前,国内外研究主要集中于具有较大几何尺寸的蜻蜓翅翼、蝗虫翅翼和甲壳虫翅翼等,而对小尺寸的蜜蜂翅翼研究较少。本文以蜜蜂前、后翅为研究对象,通过研究其功能形态学、宏微观结构特征、材料特性等,提出了研究昆虫翅翼形态学和力学特性的基本方法,揭示了蜜蜂翅翼的功能特性及高速拍动条件下的工作原理,推动了扑翼飞行和生物材料的仿生学研究及其相关应用。本文的主要工作和研究成果概括如下:(1)基于统计学理论,采用多种显微实验技术,开展了蜜蜂翅翼的功能形态学特征研究,建立了蜜蜂翅翼的层级结构模型。对于翅翼形状,利用贝塔分布函数可以准确描述前、后翅的形状特征;对于脉序,相比于蜻蜓翅翼等,蜜蜂翅翼的翅面面积更小、脉序更简化、翅室数量更少;对于组装模式,翅脉被翅膜上表皮层和下表皮层光滑且无缝地封装为一个整体;对于宏微观结构,蜜蜂翅翼是一类各向异性的具有三维褶皱结构的多级生物材料,具有宏观、微观和纳观三个尺度下的三级结构,表现出良好的抵抗碰撞和磨损的能力,为昆虫翅翼的仿生建模提供了重要参考。(2)通过功能形态学分析、理论模型、高速摄影和数值模拟等方法,分析了前后翅连接结构在不同工况下的变形特征、工作机理及对扑翼飞行的影响。连接结构包括前翅后缘的螺旋形卷膜结构和后翅前缘的“V形”挂钩结构。基于对连接结构的显微观察并运用功能形态学分析方法,建立了卷膜结构的力学理论模型,计算了不同受力条件下卷膜结构的变形,阐明了连接结构的工作原理,并发现节肢弹性蛋白赋予了其抵抗疲劳断裂的能力。基于一维高速摄影系统获得的前后翅夹角随拍动时间的变化关系,对扑翼飞行受前后翅夹角变化的气动影响进行了数值模拟,结果表明夹角变化增大了蜜蜂飞行的平均升力系数和平均阻力系数,但平均阻力系数相较于平均升力系数增加得更快。(3)采用荧光显微技术和三维高速摄影系统,测量了蜜蜂翅翼的节肢弹性蛋白分布并验证了节肢弹性蛋白分布对翅翼形状变化的影响。蜜蜂翅翼包含节肢弹性蛋白斑块和条纹两种存在形式。基于前后翅连接结构的功能以及节肢弹性蛋白在翅翼背侧和腹侧的分布规律,获得了耦合前后翅的弯线结构特征和耦合翅在扑翼飞行中的弦向变化特征。结果表明:耦合翅翼具有五条弯线,并使耦合翅翼在扑翼飞行中产生了凹形、平板、凸形和“S”形四种拱形;其中,凹形和凸形拱分别出现于下拍和上拍阶段,平板形和“S”形拱作为凹形拱和凸形拱之间实现相互转换的必要过渡,出现于外转和内转阶段。(4)通过弯曲实验,测量了蜜蜂前翅在不同弯曲条件下的抗弯刚度,阐明了前翅的弯曲特性。测量了前翅在背侧弯曲时的展向抗弯刚度EI展-背、腹侧弯曲时的展向抗弯刚度EI展-腹、背侧弯曲时的弦向抗弯刚度EI弦-背和腹侧弯曲时的弦向抗弯刚度EI弦-腹,基于这四种抗弯刚度之间的关系,提出了前翅的展向-弦向弯曲异性;从前翅的节肢弹性蛋白分布、三维褶皱结构和脉序特征出发,分析了展向-弦向弯曲异性的影响因素;最后,基于弯曲实验和阶梯梁模型,获得了前翅分别在腹侧和背侧弯曲条件下的展向等效模量E等效。(5)通过拉伸实验,测量了前翅前缘脉在新鲜、干燥脱水及不同离体时刻条件下的材料力学参数,分别阐明了前缘脉在不同水分含量条件下的拉伸特性。通过新鲜、干燥和不同离体时刻前缘脉的拉伸实验,分别对比了新鲜和干燥前缘脉的弹性模量、抗拉强度和拉伸断裂应变,并分析了材料水分含量对前缘脉材料力学特性的影响。结果表明:材料内部的水分含量降低了材料的弹性模量和抗拉强度,提高了拉伸断裂应变;在较短的离体时间内,前缘脉的水分含量对其弹性模量的影响较大,但对抗拉强度和断裂应变的影响较小;前缘脉的弹性模量随离体时间的变化规律为E脉(t)=C(1-eAtD),即离体时间趋于无穷大时,E脉会无限接近干燥前缘脉的弹性模量值C。