指导教师：戴振东 教授/博导
论文题目：动物黏附攀爬运动中的肢体协同策略及仿生启示
答辩委员会名单：
主席：宋爱国 教授/博导 东南大学
委员：柏合民 研究员/博导 上海航天805所
徐胜元 教授/博导 南京理工大学
袁鹏 研究员/博导 上海体育大学
黄巍教授/博导 南京航空航天大学
吉爱红 研究员/博导 南京航空航天大学
戴振东 教授/博导 南京航空航天大学
秘书：王周义副研究员/硕导 南京航空航天大学
答辩时间：2022-08-08 上午9:30
答辩地点：南航明故宫校区A12#528
学位论文简介：
优异的运动能力，不仅取决于运动器官与环境间的相互作用，还依赖于运动器官间的行为协同。以壁虎为代表的黏附动物在不同环境下展现出了优异的运动能力与很强的环境适应性，这是运动系统各器官（黏附脚掌/足−灵活的四肢/尾−刚柔相济的匍匐躯干等）行为协同的结果。揭示该过程行为协同的规律及定量关系，有助于理解动物的功能进化，并推进其仿生应用。针对黏附攀爬运动中不同器官间运动行为的协同策略以及应对复杂环境的适应性协调机制，论文对不同种类黏附动物在多种运动环境下的体-肢-足等器官的运动行为和足底运动反力进行测试和分析。首先分析了动物体型和刚柔度与行为图像分析精度间的关系，建立了适合于不同小动物体型和结构特点的运动行为与反力同步精准测试系统；实现了对四足（壁虎）/六足（竹节虫）黏附动物在不同运动方向、斜角及狭小空间内运动行为和反力的精确测量与定量表征；完善了壁虎黏附攀爬运动的力学模型；发现了肢体等器官间的行为协同关系；揭示了不同种类黏附动物在不同环境下运动器官的功能变化及行为协同的共性规律，提出黏附攀爬机器人的仿生设计原则与控制策略。
论文主要研究内容和取得的成果如下：
(1) 针对不同体型小动物运动行为精准捕捉的需求，提出多目相机布局优化、标记点设计、图像采集及处理新方法，实现了对刚−柔耦合结构对象运动行为的精确捕捉；配合多维力测试平台，解决了柔性黏附小动物有限空间内运动行为和反力精准测试的技术难题。
(2) 系统研究了壁虎在倾斜面及狭小空间内的运动行为和反力；实现对壁虎体−肢−足的运动行为和反力的定量化表征；发现了脚掌黏−脱附运动的节律性周期；完善了壁虎黏附攀爬运动的力学模型，对其肢体的功能转变机理开展了分析验证；发现壁虎在狭小空间内，攀爬的驱动从脚掌黏附驱动转变为脚掌黏附和多器官摩擦混合推进。
(3) 研究了竹节虫在不同斜角基底上攀爬运动的运动行为和反力模式；发现竹节虫在大斜角上大幅降低身体高度以减小倾覆，且减小肢体支撑角度增大匍匐姿态；竹节虫主要通过调节运动反力适应缓坡运动，前肢和中肢的黏附和驱动作用明显增大，支撑作用减弱，后肢承担更多支撑作用。
(4) 对比分析了四足壁虎和六足昆虫在黏附攀爬运动中不同肢体的运动功能及协同关系，发现了不同生理结构对黏附动物适应性调节策略的影响；揭示了拥有不同肢体数量的黏附动物各肢体运动协同策略的共性规律；总结了黏附动物肢体等运动器官的分级结构及协同策略；提出了仿生黏附机器人系统化设计的指导原则，包括具有主动自由度的躯干和尾部、气动/液驱柔性黏附脚等，并提出面向高自由度和柔性黏附结构的黏−脱附运动控制策略，为提高机器人运动性能和环境适应性提供可行的方案。
主要创新点
(1) 系统研究了壁虎在黏附攀爬运动中肢体等器官的运动功能及协同关系。发现脚掌黏−脱附运动的节律性周期，揭示其在小空间内脚掌黏附与躯干、尾部等器官摩擦的混合推进机制。
(2) 揭示不同生理结构和肢体数量黏附动物肢体等器官协同策略的共性规律，指导仿生黏附机器人的总体设计和黏−脱附运动控制策略。
(3) 建立了适用于不同体型小动物运动行为精确测量的多目相机布局方法和标记点设计原则。
