基本信息
- 項目名稱：
- 基于三葉蟲裂膜眼的古仿生學(xué)LED燈具
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品是利用古仿生學(xué)原理,將三葉蟲這種古老生物特殊的眼體結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計為更加節(jié)能環(huán)保的LED燈具，力圖實現(xiàn)LED燈顆粒在非標準曲面上的排布、優(yōu)化照明效果、消除光斑并降低累加損耗，具有廣闊的應(yīng)用前景和市場推廣價值。本作品集古生物學(xué)、古環(huán)境學(xué)、仿生學(xué)、光學(xué)和機械制造與工程應(yīng)用于一體，其理論研究對古生物學(xué)和仿生學(xué)的拓展和深化具有重要意義，也是在古仿生學(xué)方面的一次大膽嘗試。
- 詳細介紹：
- 本作品是一種基于三葉蟲裂膜眼設(shè)計的古仿生學(xué)LED燈具，該燈具的設(shè)計主要采用逆向設(shè)計的思路，并根據(jù)光路可逆原理和三葉蟲眼的物理結(jié)構(gòu)，將“眼”這種光的收集工具反向設(shè)計為光的發(fā)射工具。燈具模型在制作過程中使用了顯微CT掃描、三維設(shè)計制圖、快速成型等先進技術(shù)。經(jīng)過檢測，我們設(shè)計的裂膜眼型LED燈模型功率僅1.2w，相當于3-3.5w左右的熒光管節(jié)能燈。我們設(shè)計的LED燈具模型是將LED顆粒以一定規(guī)律排布在模擬三葉蟲裂膜眼的曲面上，該模型較傳統(tǒng)的平面布置的LED燈的照射均勻度更好，其1m時的中心照度為209lx，照射范圍較同功率的平板型LED燈大42.3%；由于不需在LED顆粒前加裝二次折射透鏡而達到均勻配置光線的目的，故采用本設(shè)計方案生產(chǎn)的LED燈具將避免由于穿透透鏡所產(chǎn)生的光損耗，從而在降低生產(chǎn)成本的同時又減少了電能的損耗。目前古仿生學(xué)在國內(nèi)還罕有成果，故我們的工作是具有創(chuàng)新性的，并為古生物學(xué)重放異彩、進一步服務(wù)社會找到了一個很好的途徑。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標
- 作品設(shè)計的目的：1）力圖實現(xiàn)LED燈顆粒在非標準曲面上的排布、優(yōu)化照明效果、消除光斑、避免反光碗和二次透射鏡對光能的損耗，從而使LED燈具更加節(jié)能環(huán)保；2）是對古仿生學(xué)的一次大膽的嘗試，為古生物服務(wù)社會找到另一條途徑。基本思路：從對三葉蟲的基礎(chǔ)研究中提取出我們需要的仿生學(xué)信息，再利用顯微CT掃描、白光三維掃描儀對所選標本進行三維數(shù)據(jù)的提取，然后利用 Solidworks軟件進行三維建模，再對建好的模型進行光路測試，修正后選取最佳模型，最后對快速成型機打印出的實體模型進行電路的安裝、修飾及光學(xué)測試。即主要有基礎(chǔ)研究、建模仿真、樣品制作、實體模型獲得及測試四個階段。 創(chuàng)新點：1)是古仿生學(xué)在國內(nèi)較早的嘗試，并首次將三葉蟲裂膜眼的結(jié)構(gòu)運用到LED燈的設(shè)計上；2）運用光路可逆原理，將光的吸收工具逆向制作為光的發(fā)射工具。技術(shù)關(guān)鍵：三葉蟲眼睛表面三維數(shù)據(jù)的獲取及光學(xué)檢測及優(yōu)化。
科學(xué)性、先進性
- 1.科學(xué)性：1)研究方法和手段先進 本作品的制作基礎(chǔ)是對三葉蟲裂膜眼功能與結(jié)構(gòu)科學(xué)研究的成果；我們采用了顯微CT掃描、超景深顯微鏡等先進技術(shù)對三葉蟲裂膜眼進行了觀察和數(shù)據(jù)提取。并科學(xué)地論證了三葉蟲的眼不會自行屈光，進一步說明三葉蟲裂膜眼適用于光的可逆原理；2）運用仿生學(xué)原理設(shè)計燈具結(jié)構(gòu)和構(gòu)造 本作品是依據(jù)仿生學(xué)原理制作的，證明了了古仿生學(xué)相對于現(xiàn)生生物仿生學(xué)所具有的優(yōu)勢；3）儀器數(shù)據(jù)真實可靠 本作品最后得出的結(jié)論是采用標準的燈具照度檢測公式、使用精確的照度儀、經(jīng)過科學(xué)的測算和分析后得出的 2.先進性 1）從理論角度來說：本例是利用古仿生學(xué)首次將三葉蟲裂膜眼 的結(jié)構(gòu)運用到了LED燈具的結(jié)構(gòu)和外觀造型設(shè)計上。2)從作品本身功能的角度：本作品研制的燈的功率為1.2 w，但其亮度相當于普通3-3.5w 螢光管節(jié)能燈，其照射范圍擴大約42.3%左右、有效照射范圍夾角擴大15.2%，并且有光照更加均勻、沒有光斑等優(yōu)點。另外，LED燈本身具有高效、綠色環(huán)保、適合反復(fù)開關(guān)、壽命長等特征。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 1)2011年3月17號獲xx大學(xué)第八屆“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)科技作品競賽二等獎; 2)2011年6月3日獲xx省第八屆“挑戰(zhàn)杯·青春在沃”課外學(xué)術(shù)科技作品競賽特等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)合作
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品 、模型、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 1. 技術(shù)特點 該作品是將LED顆粒按照正六邊形的方式排列在放大了的三葉蟲裂膜眼特殊曲面上；2. 技術(shù)優(yōu)勢 該作品能耗非常小、照射范圍廣、光線均勻度好，其照射范圍的正下方不會產(chǎn)生明顯的光斑，更加節(jié)能環(huán)保、生產(chǎn)成本低；3. 適應(yīng)范圍 該作品目前僅為實驗室模型，下一步該模型可發(fā)展為高指向型和散射型，以供不同的需求使用；4. 推廣前景 本作品由于具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保等特點，并可根據(jù)LED顆粒的性質(zhì)制作不同形狀和不同大小的燈具，相信該產(chǎn)品在眾多照明領(lǐng)域都具有較好的推廣前景；5. 技術(shù)性說明 使用的LED顆粒型號為T-1 3/4（5 mm）半球形白光LED，總功率：1.2 W，電流為20 mA，驅(qū)動電壓：2.5 V外觀尺寸為64 × 38 × 22 mm；6. 市場分析和經(jīng)濟效益預(yù)測 若能推廣三葉蟲裂膜眼的古仿生學(xué)曲面到多種規(guī)格和用途的LED燈具上，折射透鏡則可取消，另外由于生產(chǎn)工藝更加簡化，故這種新型的仿生學(xué)LED燈具則將更便宜和節(jié)能，經(jīng)濟效益無可估量。
同類課題研究水平概述
- 1.LED燈的發(fā)展現(xiàn)狀與問題 LED即為發(fā)光二極管，該固體光源具有效率高、光線質(zhì)量高、光色純、能耗極小、壽命長、可靠耐用、運用靈活、綠色環(huán)保等特點。目前LED照明燈具行業(yè)正處于高速的發(fā)展階段，LED發(fā)光二極管被認為是21世紀最有價值的新光源，將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導(dǎo)。雖然LED燈具有如此多的優(yōu)點，但在LED燈的設(shè)計中依然存在一些問題：根據(jù)我們對市場上已經(jīng)形成產(chǎn)品的LED燈具的觀察，幾乎所有LED顆粒在燈座上的排布都是平面排布的，在曲面上排布的LED燈具非常少，或僅僅是通過曲面反射的方式來實現(xiàn)照射面積的擴大。平面排布的LED燈具在其正下方會產(chǎn)生亮斑，目前一般通過調(diào)整反光碗或在LED發(fā)光顆粒前加裝二次折射透鏡的方式實現(xiàn)消除亮斑、優(yōu)化照明的均勻性和擴大照射范圍，但無論采用哪種方式，光線在反射和折射過程中無疑都會發(fā)生衰減；而采用規(guī)則曲面排布LED顆粒在實際運用中，往往會發(fā)現(xiàn)這種燈具在照明上將產(chǎn)生光照明暗交替的現(xiàn)象，即亦出現(xiàn)照明不均勻的缺陷。如何能最大限度的發(fā)揮LED顆粒的效率，是我們現(xiàn)在面臨的問題。2 古仿生學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀 仿生學(xué)是一門上個世紀中葉才發(fā)展出來的新興邊緣學(xué)科，該學(xué)科的目的是通過對生物的結(jié)構(gòu)、功能和工作機理的研究，總結(jié)其中的優(yōu)良之處，并盡量運用到工程技術(shù)之中，使之成為性能更加優(yōu)良的裝置和機械。生物在漫長的適應(yīng)演化過程中，其個體或部分器官往往會朝最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)特征方向發(fā)展。有學(xué)者進一步強調(diào)：生物在生長發(fā)育的過程中會趨向最“節(jié)能”的方向發(fā)展，這類仿生在節(jié)能降耗方面有非常重要的實際意義。 古仿生學(xué)的仿生對象是地史中出現(xiàn)的古生物，其研究對象為地層中遺存的各種化石。相對于古仿生學(xué)，現(xiàn)代生物仿生學(xué)中我們看到的僅是地質(zhì)歷史中的很短一個片段的生物所表現(xiàn)出來的形貌特征，在這個時間尺度上，我們并不能肯定我們所看到的生物形態(tài)就是在演化中最優(yōu)秀的。這時候，古生物由于其超長的時間跨度給我們提供了明晰的演化序列，為我們總結(jié)并篩選某一部分或某個器官的優(yōu)勢因素提供了可能。古仿生學(xué)相對于以現(xiàn)代生物為基礎(chǔ)的仿生學(xué)來說，其學(xué)科交叉面更大。在國外，古仿生學(xué)已經(jīng)取得了一些成功，日本學(xué)者目前正在通過對深海放射蟲外殼的研究，寄希望尋找新型火箭整流罩的設(shè)計方案。古仿生學(xué)的某些先進之處已經(jīng)愈來愈受到重視，但在我國，該學(xué)科尚無專門研究，相信我們這次所做的工作，是本方向的一個新的嘗試。
