基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构的制作方法

1.本发明涉及昆虫翅脉的折叠伸展仿生结构领域，具体涉及一种基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构。

背景技术：

2.仿生学是一门既古老又年轻的学科，其主要研究自然界中生物体的结构与功能的工作原理，并根据这些原理发明出新的设备、工具和科技，创造出适用于生产、学习和生活的先进技术。
3.昆虫的翅是由外胚层发育而来，在幼体形态时，鳞翅以器官芽的形式保留在幼体体内(内翅型昆虫)，待经历完全变态发育过程后，翅芽发育成完整的翅，此后，其表皮细胞逐渐降解并愈合为翅膜，其上布满各种感觉器官和部分体壁衍生物，而含有气管的体壁渐渐愈合形成翅脉，其内布满各种运动神经、血浆、血淋巴。羽化完成后，翅脉间的细胞死亡，形成透明的双层角质层，而翅脉的细胞继续存活，成为成体昆虫翅膀中唯一存活的细胞。因此，昆虫翅膀的表皮细胞在羽化展翅后就停止发育，翅膀结构也不再会有变化。
4.枯叶蛱蝶(kallima inachus)属于鳞翅目(lepidoptera)，蛱蝶总科(nymphaloidea)，蛱蝶科(nymphalidae)，蛱蝶亚科(nympha linae)，斑蛱蝶族(hypolimni)，枯叶蛱蝶属(kallima doubleday)，是昆虫纲著名的具有拟态与保护物种，其鳞翅反面具有枯黄叶片的特征，包括叶片的中脉、侧脉、颜和霉斑等，合拢竖起后类似一片枯叶。羽化过程是蝴蝶形态变化的主要过程，枯叶蛱蝶从没有鳞翅的蛹迅速变为大型鳞翅的成虫，鳞翅的形态发生剧烈变化，表面积迅速扩大9.30倍。在蛹期的发育过程中，鳞翅逐步分化出大量微米级的单元折叠结构，它们是一种双重折叠结构，能提供31.35倍表面积变化，远大于鳞翅的实际变化，可为鳞翅展平提供足量的表面积储备。
5.随着航天器技术的不断发展和广泛应用，航天器的结构和功能不断变化和日趋复杂，可展结构是实现航天器结构主结构、次结构或某一部件由初始收拢构形，变化到最终展开构形，并保持该构形的结构和机构，广泛应用于航天领域的各种空间飞行器和星球探测器中，如卫星飞行器天线、大型光学镜面、飞船太阳电池阵、空间站大型支撑构架、星球探测器太阳帆板等。空间可展结构受到空间运输系统的空间和重量限制，通常要具有较大的展开/收缩体积或面积比和极高的系统可靠性，其研究与实现面临一系列的理论、方法和技术挑战。同时空间展开结构是航天器中最容易发生故障的器件之一，近年来，航天器的故障多与展开结构有关，一旦发生故障，几乎是致命性的。已报道1990至2002年间美国卫星17次大型故障，其中17.6％是由展开结构导致。空间可展结构涉及新型可展结构机理、结构构形研究、结构体系、设计应用技术开发、展开动力学分析理论、结构分析理论、展开驱动机构与控制方法、空间环境适应性等方面。新型展开机理是研制空间可展结构的重点之一。
6.申请号为201410711895.x的发明专利公开了基于蝴蝶鳞翅发育的空间仿生可展结构，该包括囊状物和导向管，所述囊状物的两端分别为固定端和自由端，所述的导向管固定在囊状物内，且导向管的充液端固定在囊状物的固定端处，导向管呈树状分布于囊状物
内部，并作为囊状物展开后的支撑骨架；所述的囊状物和导向管均为弹性材料制成，厚度均匀；所述的囊状物的材料硬度小于导向管的硬度。申请号为201610447558.3的发明专利公开了基于枯叶蛱鳞翅的可展仿生结构，该仿生结构的主支撑管、次支撑管、连接支撑管均被囊状物所包覆；囊状物的两端分别为固定端和自由端；囊状物内的四周除固定端外，通过1根主支撑管支撑；囊状物内还设有呈放射状均匀分布的多根次支撑管；次支撑管的一端固定在囊状物的固定端处；次支撑管的另一端与位于囊状物自由端处的主支撑管相连通；相邻两个次支撑管的中间部位通过一根连接支撑管相连通；所述的主支撑管、次支撑管和连接支撑管的横截面均为椭圆形；所述的囊状物与主支撑管、次支撑管、连接支撑管均通过连锁结构相连。
7.上述两个专利中，公开的枯叶蛱蝶的鳞翅的结构均为单层的伸展结构，与枯叶蛱蝶的双重折叠结构存在实际上的差异，由于单层伸展结构的伸展后强度要比双重的折叠伸展结构强度要低，因此上述专利中的伸展结构存在展开后强度不足的问题，同时上述两个专利仅仅对翅脉的伸展结构做出了详细的研究，并没有公开配套的翅膜的折叠伸展结构，而翅膜的折叠伸展是双重翅膜在二维方向上的伸展，单层翅膜的伸展包括横向伸展和纵向伸展，目前并未有相关的研究文献以及基于该双重折叠伸展的仿生结构被公开。

技术实现要素：

8.本发明设计了一种基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，该仿生结构的仿生度更高且仿生双层折叠伸展结构的强度也更高，复合折叠结构既能提供较大的面积变化比，又能提高自身的稳定性，大量的复合折叠结构分散应力、分担形变，空间环境适应力更强。
9.为了达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现的：
10.基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，包括翅脉折叠结构和双层翅膜折叠结构，翅脉折叠结构贯通式穿插于双层翅膜折叠结构的中间部位，所述翅脉折叠结构包括可径向扩张的中空管，所述双层翅膜折叠结构包括上层膜折叠结构和下层膜折叠结构，中空管的一侧引出2道第一约束丝，2道第一约束丝分别与上层膜折叠结构和下层膜折叠结构连接，中空管的另一侧也引出2道第一约束丝，2道第一约束丝同样分别与上层膜折叠结构和下层膜折叠结构连接，所述上层膜折叠结构与下层膜折叠结构之间连接有第二约束丝，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构上引出第三约束丝。
11.进一步的，所述中空管为截面呈锯齿状的环形折叠结构，环形折叠结构由若干个三维立体的折叠单元组成，若干个折叠单元相互连接组成中空管。
12.进一步的，所述上层膜折叠结构和下层膜折叠结构分别由翅膜折叠结构区和翅翼折叠结构区，上层膜折叠结构的2道第一约束丝之间的区域和下层膜折叠结构的2道第一约束丝之间的区域即为翅膜折叠结构区，2道第一约束丝之外的区域为翅翼折叠结构区，所述第二约束丝设置于上层膜折叠结构的翅翼折叠结构区和下层膜折叠结构的翅翼折叠结构区之间，所述上层膜折叠结构的翅膜折叠结构区和下层膜折叠结构的翅膜折叠结构区的边缘向翅翼折叠结构区放射状引出若干第三约束丝。
13.进一步的，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构为横向呈锯齿状且纵向呈波浪状的三维折叠结构，若干上层膜折叠结构相互连接组成上层膜，若干下层膜折叠结构相互连接
组成下层膜。
14.进一步的，所述翅脉折叠结构包括纵向翅脉折叠结构和横向翅脉折叠结构，横向翅脉折叠结构的两端与纵向翅脉折叠结构相贯通。
15.进一步的，所述中空管中可充入空气介质或者液体介质。
16.进一步的，所述中空管采用高密度聚乙烯材质，双层翅膜折叠结构采用乳胶材质。
17.进一步的，所述第一约束丝、第二约束丝和第三约束丝采用光敏固化材料制成。
18.本发明以枯叶蛱蝶的前翅为基体模型，纵向翅脉折叠结构和横向翅脉折叠结构的中空管在充气或者充液后，中空管由褶皱状态充盈至圆管形状态，而上层翅膜折叠结构和下层翅膜折叠结构在纵向翅脉折叠结构和横向翅脉折叠结构的扩张、牵拉下分别沿横向和纵向展开，同时上层膜折叠结构和下层脉折叠结构在第一约束丝的牵拉下逐渐向翅脉折叠结构的中空管靠拢并贴合，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构的翅脉折叠结构区最终贴合于中空管上，第一约束丝、第二约束丝和第三约束丝可在光照的紫外线作用下粘贴至上、下层膜折叠结构的接触面上并硬化；第二约束丝能够对上层膜折叠结构和下层膜折叠结构的相对运动起到限制作用，上、下层膜折叠结构的相对距离被限制，从而对整个伸展结构的伸展进行相对距离的作用；第三约束丝可对上、下层翅膜折叠结构的横向伸展进行限制，防止上、下层翅膜折叠结构伸展过度而发生撕裂。
19.本发明的有益效果是：该仿生结构的仿生度更高且仿生双层折叠伸展结构的强度也更高，复合折叠结构既能提供较大的面积变化比，又能提高自身的稳定性，大量的复合折叠结构分散应力、分担形变，空间环境适应力更强。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是枯叶蛱蝶羽化展翅后的平面结构示意图；
22.图2是基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构的单元结构立体示意图一；
23.图3是基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构的单元结构透视示意图二；
24.图4是基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构的伸展变化示意图。
25.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
26.1-纵向翅脉，2-横向翅脉，3-翅膜，6-中空管，7-上层膜折叠结构，8-下层膜折叠结构，9-第一约束丝，10-第二约束丝，11-第三约束丝，12-翅膜折叠结构区，13-翅翼折叠结构区。
27.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
28.如图1-3所示，基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，包括翅脉折叠结构和双层翅膜折叠结构，翅脉折叠结构贯通式穿插于双层翅膜折叠结构的中间部位，所述翅脉折叠结构包括可径向扩张的中空管6，所述中空管6为截面呈锯齿状的环形折叠结构，环形折叠结构由若干个三维立体的折叠单元组成，若干个折叠单元相互连接组成中空管。。所述双层翅膜折叠结构包括上层膜折叠结构7和下层膜折叠结构8，中空管的一侧引出2道第一约束丝9，2道第一约束丝9分别与上层膜折叠结构7和下层膜折叠结构8连接，中空管6的另一侧也引出2道第一约束丝9，2道第一约束丝9同样分别与上层膜折叠结构7和下层膜折叠结构8连接，所述上层膜折叠结构7与下层膜折叠结构8之间连接有第二约束丝10，上层膜折叠结构7和下层膜折叠结构8上引出第三约束丝11。
29.所述上层膜折叠结构7和下层膜折叠结构8分别由翅膜折叠结构区12和翅翼折叠结构区13，上层膜折叠结构的2道第一约束丝9之间的区域和下层膜折叠结构8的2道第一约束丝之间的区域即为翅膜折叠结构区12，2道第一约束丝9之外的区域为翅翼折叠结构区13，所述第二约束丝10设置于上层膜折叠结构7的翅翼折叠结构区13和下层膜折叠结构的翅翼折叠结构区13之间，所述上层膜折叠结构7的翅膜折叠结构区12和下层膜折叠结构的翅膜折叠结构区12的边缘向翅翼折叠结构区13放射状引出若干第三约束丝11。
30.本发明中，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构为横向呈锯齿状且纵向呈波浪状的折叠结构，若干上层膜折叠结构相互连接组成上层膜，若干下层膜折叠结构相互连接组成下层膜。
31.本发明中，所述翅脉折叠结构包括纵向翅脉折叠结构和横向翅脉折叠结构，横向翅脉折叠结构的两端与纵向翅脉折叠结构相贯通。
32.本发明中，所述中空管6中可充入空气介质或者液体介质。
33.本发明中，所述中空管6采用高密度聚乙烯材质，双层翅膜折叠结构采用乳胶材质。
34.本发明中，所述第一约束丝、第二约束丝和第三约束丝采用光敏固化材料制成。
35.枯叶蛱蝶在羽化时，翅脉和翅膜折叠结构在展翅动力的作用下依次展平，储备的折叠面积逐渐释放，宏观变化表现为表面积快速增加，鳞翅的展开过程受到翅脉结构和布局的影响，形成先长度增加、后宽度增加的变化趋势。因此，鳞翅形态变化是大量微观结构形变积累的结果，微观结构既是鳞翅的组成单元，又是鳞翅的功能单元，调控着鳞翅的形变和展翅过程。
36.如图4所示，翅脉折叠结构的中空管在充入液体介质时会快速展开，同时翅膜折叠结构会迅速径向扩展，翅膜折叠结构在展开的过程中，中空管上方和下方的第一约束丝会分别牵拉上层膜折叠结构和下层膜折叠结构横向展开，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构的翅膜折叠结构区12则分别贴合至中空管6的上表面和下表面上，而翅翼折叠结构区13在相邻的第一约束丝的牵拉下沿横向迅速展开，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构的翅翼折叠结构区13则相互贴合，形成双层翅膜折叠结构；上层膜折叠结构和下层膜折叠结构在中空管纵向展开时，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构在中空管上纵向相邻的两道第一约束丝会分别牵拉上层膜折叠结构和下层膜折叠结构纵向展开，从而完成鳞翅的二维折叠伸展，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构上设置有放射状的第三约束丝，第三约束丝可防止翅膜展开时发生撕裂；在上层膜折叠结构和下层膜折叠结构重叠后，第一约束丝、第二约束
丝和第三约束丝在光敏作用下粘贴并固化于上层膜折叠结构和下层膜折叠结构之间。
37.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

技术特征：

1.基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，其特征在于，包括翅脉折叠结构和双层翅膜折叠结构，翅脉折叠结构贯通式穿插于双层翅膜折叠结构的中间部位，所述翅脉折叠结构包括可径向扩张的中空管，所述双层翅膜折叠结构包括上层膜折叠结构和下层膜折叠结构，中空管的一侧引出2道第一约束丝，2道第一约束丝分别与上层膜折叠结构和下层膜折叠结构链接，中空管的另一侧也引出2道第一约束丝，2道第一约束丝同样分别与上层膜折叠结构和下层膜折叠结构链接，所述上层膜折叠结构与下层膜折叠结构之间链接有第二约束丝，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构上引出第三约束丝。2.根据权利要求1所述的基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，其特征在于，所述中空管为截面呈锯齿状的环形折叠结构，环形折叠结构由若干个三维立体的折叠单元组成，若干个折叠单元相互连接组成中空管。3.根据权利要求1或2所述的基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，其特征在于，所述上层膜折叠结构和下层膜折叠结构分别由翅膜折叠结构区和翅翼折叠结构区，上层膜折叠结构的2道第一约束丝之间的区域和下层膜折叠结构的2道第一约束丝之间的区域即为翅膜折叠结构区，2道第一约束丝之外的区域为翅翼折叠结构区，所述第二约束丝设置于上层膜折叠结构的翅翼折叠结构区和下层膜折叠结构的翅翼折叠结构区之间，所述上层膜折叠结构的翅膜折叠结构区和下层膜折叠结构的翅膜折叠结构区的边缘向翅翼折叠结构区放射状引出若干第三约束丝。4.根据权利要求3所述的基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，其特征在于，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构为横向呈锯齿状且纵向呈波浪状的三维折叠结构，若干上层膜折叠结构相互连接组成上层膜，若干下层膜折叠结构相互连接组成下层膜。5.根据权利要求1基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，其特征在于，所述翅脉折叠结构包括纵向翅脉折叠结构和横向翅脉折叠结构，横向翅脉折叠结构的两端与纵向翅脉折叠结构相贯通。6.根据权利要求2所述的基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，其特征在于，所述中空管中可充入空气介质或者液体介质。7.根据权利要求6所述的基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，其特征在于，所述中空管采用高密度聚乙烯材质，双层翅膜折叠结构采用乳胶材质。8.根据权利要求1所述的基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，其特征在于，所述第一约束丝、第二约束丝和第三约束丝采用光敏固化材料制成。

技术总结

本发明公开了基于枯叶蛱蝶羽化展翅的仿生双层折叠伸展结构，包括翅脉折叠结构和双层翅膜折叠结构，翅脉折叠结构贯通式穿插于双层翅膜折叠结构的中间部位，所述翅脉折叠结构包括可径向扩张的中空管，所述双层翅膜折叠结构包括上层膜折叠结构和下层膜折叠结构，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构均通过第一约束丝与翅膜折叠结构链接；所述上层膜折叠结构与下层膜折叠结构之间链接有第二约束丝，上层膜折叠结构和下层膜折叠结构上引出第三约束丝。该仿生结构的仿生度更高且仿生双层折叠伸展结构的强度也更高，复合折叠结构既能提供较大的面积变化比，又能提高自身的稳定性，大量的复合折叠结构分散应力、分担形变，空间环境适应力更强。力更强。力更强。