【摘 要】
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咀嚼是人类最熟悉、最频繁的活动之一,关系着人类对营养物质的消化吸收。健康的咀嚼活动不仅利于食物的消化,口腔健康环境的保持,还能够舒缓压力、放松心情。咀嚼是一项由颌骨、舌头、牙齿、面部肌肉组织等相互协调配合的精密复杂的运动,其中舌头在咀嚼过程中能够搅拌食物、将食物运送到牙面、帮助吞咽等,发挥着重要作用。仿生咀嚼装置是依据人类口腔生理结构模拟人类咀嚼活动的装置,可用其开发针对具有咀嚼或吞咽障碍群体的专
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（31801623）:基于咀嚼运动和口腔环境的仿生咀嚼食品质地分析系统研究；
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咀嚼是人类最熟悉、最频繁的活动之一,关系着人类对营养物质的消化吸收。健康的咀嚼活动不仅利于食物的消化,口腔健康环境的保持,还能够舒缓压力、放松心情。咀嚼是一项由颌骨、舌头、牙齿、面部肌肉组织等相互协调配合的精密复杂的运动,其中舌头在咀嚼过程中能够搅拌食物、将食物运送到牙面、帮助吞咽等,发挥着重要作用。仿生咀嚼装置是依据人类口腔生理结构模拟人类咀嚼活动的装置,可用其开发针对具有咀嚼或吞咽障碍群体的专用食品,也可为食品质地进行评价。现有的仿生咀嚼装置大部分没有仿生舌部件,少数添加了刚性的块状舌块、片状的舌片,运动形式单一,与人体舌头柔软的形态和灵活的运动特性有较大的差距。本研究针对现有仿生舌的不足,在本课题组研制的仿生咀嚼装置基础上,结合三维建模技术、有限元运动仿真分析及仿生学理论基础,提出了一种气体驱动软体仿生舌,验证了其运动设计的可行性,并对仿生咀嚼装置的可靠性进行了研究。本研究设计了一个气体驱动软体仿生舌,完善了仿生咀嚼装置的功能,为食物团的获取和咀嚼效能的验证提供新思路。本研究的主要内容如下:（1）依照现有仿生口腔尺寸,在CATIA V5 R21三维建模软件中设计了软体仿生舌模型及其部件,介绍了仿生舌模型的部件组成、结构参数及部件作用。仿生舌模型由1个舌面、1个纵向驱动器、2个横向驱动器、12个半透槽和2个全透槽组成。其中舌面的作用是将食物运送到牙面,搅拌食物等;纵向驱动器与横向驱动器的作用分别是为仿生舌的纵向和横向运动提供动力;半透槽和全透槽的作用是减小运动时舌面和舌根的阻力。在ABAQUS 6.14.4有限元仿真分析软件中验证该仿生舌模型的运动情况,计算结果收敛,设计合理。（2）选用邵氏硬度40度的硅胶制备仿生舌,通过硅胶单轴拉伸实验,在ABAQUS 6.14.4有限元仿真分析软件中,选取Yeoh本构模型,得到材料属性相关参数为C10=0.3249,C20=5.198e-2,C30=-4.411e-3,d1=d2=d3=0。首先模拟分析纵向驱动器和横向驱动器的弯曲运动,得到了不同压强载荷下驱动器末端中点位移和圆心角拟合曲线。然后模拟出仿生舌模型的4种运动形态,包括翻舌、侧翻舌、卷舌和凹舌。通过模压技术制备出软体仿生舌及其驱动器,构建气体驱动装置,验证纵向驱动器的弯曲效果。结果表明纵向驱动器末端中点位移的实验值与仿真值显著性正相关（x方向位移:r=0.995,P=0.005;y方向位移:r=0.986,P=0.014）。综上,纵向驱动器弯曲效果符合预期。（3）本研究以花生为实验材料,开展人类咀嚼（体内）、仿生咀嚼装置破碎（体外）实验,对比分析花生破碎颗粒的质量分布、累积质量分数和中值粒径d50,结果表明随着咀嚼次数增加,其质量分布相似,累积质量分数逐渐接近100%,中值粒径逐渐减小,且体外实验中仿生咀嚼装置电机转速50r/min时的中值粒径最小。探究仿生咀嚼装置电机转速对咀嚼效率的影响,对比花生仿生咀嚼装置与人类咀嚼实验结果d50偏差平均值。结果表明仿生咀嚼装置随电机转速的增加d50偏差平均值逐渐减小,仿生咀嚼装置电机转速50r/min咀嚼效率最高。对体内、体外实验花生颗粒中值粒径d50进行皮尔逊相关性分析,结果表明仿生咀嚼装置10、30、50r/min与体内实验结果分别呈极显著相关（r=0.988,P=0.002）、显著性相关（r=0.935,P=0.020）、显著性相关（r=0.959,P=0.010）。综上所述,仿生咀嚼装置具有稳定可靠的咀嚼效能。
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