基本信息
- 项目名称：
- 基于三叶虫裂膜眼的古仿生学LED灯具
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品是利用古仿生学原理,将三叶虫这种古老生物特殊的眼体结构逆向设计为更加节能环保的LED灯具，力图实现LED灯颗粒在非标准曲面上的排布、优化照明效果、消除光斑并降低累加损耗，具有广阔的应用前景和市场推广价值。本作品集古生物学、古环境学、仿生学、光学和机械制造与工程应用于一体，其理论研究对古生物学和仿生学的拓展和深化具有重要意义，也是在古仿生学方面的一次大胆尝试。
- 详细介绍：
- 本作品是一种基于三叶虫裂膜眼设计的古仿生学LED灯具，该灯具的设计主要采用逆向设计的思路，并根据光路可逆原理和三叶虫眼的物理结构，将“眼”这种光的收集工具反向设计为光的发射工具。灯具模型在制作过程中使用了显微CT扫描、三维设计制图、快速成型等先进技术。经过检测，我们设计的裂膜眼型LED灯模型功率仅1.2w，相当于3-3.5w左右的荧光管节能灯。我们设计的LED灯具模型是将LED颗粒以一定规律排布在模拟三叶虫裂膜眼的曲面上，该模型较传统的平面布置的LED灯的照射均匀度更好，其1m时的中心照度为209lx，照射范围较同功率的平板型LED灯大42.3%；由于不需在LED颗粒前加装二次折射透镜而达到均匀配置光线的目的，故采用本设计方案生产的LED灯具将避免由于穿透透镜所产生的光损耗，从而在降低生产成本的同时又减少了电能的损耗。目前古仿生学在国内还罕有成果，故我们的工作是具有创新性的，并为古生物学重放异彩、进一步服务社会找到了一个很好的途径。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 作品设计的目的：1）力图实现LED灯颗粒在非标准曲面上的排布、优化照明效果、消除光斑、避免反光碗和二次透射镜对光能的损耗，从而使LED灯具更加节能环保；2）是对古仿生学的一次大胆的尝试，为古生物服务社会找到另一条途径。基本思路：从对三叶虫的基础研究中提取出我们需要的仿生学信息，再利用显微CT扫描、白光三维扫描仪对所选标本进行三维数据的提取，然后利用 Solidworks软件进行三维建模，再对建好的模型进行光路测试，修正后选取最佳模型，最后对快速成型机打印出的实体模型进行电路的安装、修饰及光学测试。即主要有基础研究、建模仿真、样品制作、实体模型获得及测试四个阶段。 创新点：1)是古仿生学在国内较早的尝试，并首次将三叶虫裂膜眼的结构运用到LED灯的设计上；2）运用光路可逆原理，将光的吸收工具逆向制作为光的发射工具。技术关键：三叶虫眼睛表面三维数据的获取及光学检测及优化。
科学性、先进性
- 1.科学性：1)研究方法和手段先进 本作品的制作基础是对三叶虫裂膜眼功能与结构科学研究的成果；我们采用了显微CT扫描、超景深显微镜等先进技术对三叶虫裂膜眼进行了观察和数据提取。并科学地论证了三叶虫的眼不会自行屈光，进一步说明三叶虫裂膜眼适用于光的可逆原理；2）运用仿生学原理设计灯具结构和构造 本作品是依据仿生学原理制作的，证明了了古仿生学相对于现生生物仿生学所具有的优势；3）仪器数据真实可靠 本作品最后得出的结论是采用标准的灯具照度检测公式、使用精确的照度仪、经过科学的测算和分析后得出的 2.先进性 1）从理论角度来说：本例是利用古仿生学首次将三叶虫裂膜眼 的结构运用到了LED灯具的结构和外观造型设计上。2)从作品本身功能的角度：本作品研制的灯的功率为1.2 w，但其亮度相当于普通3-3.5w 萤光管节能灯，其照射范围扩大约42.3%左右、有效照射范围夹角扩大15.2%，并且有光照更加均匀、没有光斑等优点。另外，LED灯本身具有高效、绿色环保、适合反复开关、寿命长等特征。
获奖情况及鉴定结果
- 1)2011年3月17号获xx大学第八届“挑战杯”课外学术科技作品竞赛二等奖; 2)2011年6月3日获xx省第八届“挑战杯·青春在沃”课外学术科技作品竞赛特等奖。
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 技术合作
作品可展示的形式
- 实物、产品 、模型、图纸、现场演示、图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 1. 技术特点 该作品是将LED颗粒按照正六边形的方式排列在放大了的三叶虫裂膜眼特殊曲面上；2. 技术优势 该作品能耗非常小、照射范围广、光线均匀度好，其照射范围的正下方不会产生明显的光斑，更加节能环保、生产成本低；3. 适应范围 该作品目前仅为实验室模型，下一步该模型可发展为高指向型和散射型，以供不同的需求使用；4. 推广前景 本作品由于具有高效节能、绿色环保等特点，并可根据LED颗粒的性质制作不同形状和不同大小的灯具，相信该产品在众多照明领域都具有较好的推广前景；5. 技术性说明 使用的LED颗粒型号为T-1 3/4（5 mm）半球形白光LED，总功率：1.2 W，电流为20 mA，驱动电压：2.5 V外观尺寸为64 × 38 × 22 mm；6. 市场分析和经济效益预测 若能推广三叶虫裂膜眼的古仿生学曲面到多种规格和用途的LED灯具上，折射透镜则可取消，另外由于生产工艺更加简化，故这种新型的仿生学LED灯具则将更便宜和节能，经济效益无可估量。
同类课题研究水平概述
- 1.LED灯的发展现状与问题 LED即为发光二极管，该固体光源具有效率高、光线质量高、光色纯、能耗极小、寿命长、可靠耐用、运用灵活、绿色环保等特点。目前LED照明灯具行业正处于高速的发展阶段，LED发光二极管被认为是21世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导。虽然LED灯具有如此多的优点，但在LED灯的设计中依然存在一些问题：根据我们对市场上已经形成产品的LED灯具的观察，几乎所有LED颗粒在灯座上的排布都是平面排布的，在曲面上排布的LED灯具非常少，或仅仅是通过曲面反射的方式来实现照射面积的扩大。平面排布的LED灯具在其正下方会产生亮斑，目前一般通过调整反光碗或在LED发光颗粒前加装二次折射透镜的方式实现消除亮斑、优化照明的均匀性和扩大照射范围，但无论采用哪种方式，光线在反射和折射过程中无疑都会发生衰减；而采用规则曲面排布LED颗粒在实际运用中，往往会发现这种灯具在照明上将产生光照明暗交替的现象，即亦出现照明不均匀的缺陷。如何能最大限度的发挥LED颗粒的效率，是我们现在面临的问题。2 古仿生学的发展现状 仿生学是一门上个世纪中叶才发展出来的新兴边缘学科，该学科的目的是通过对生物的结构、功能和工作机理的研究，总结其中的优良之处，并尽量运用到工程技术之中，使之成为性能更加优良的装置和机械。生物在漫长的适应演化过程中，其个体或部分器官往往会朝最优化的结构特征方向发展。有学者进一步强调：生物在生长发育的过程中会趋向最“节能”的方向发展，这类仿生在节能降耗方面有非常重要的实际意义。 古仿生学的仿生对象是地史中出现的古生物，其研究对象为地层中遗存的各种化石。相对于古仿生学，现代生物仿生学中我们看到的仅是地质历史中的很短一个片段的生物所表现出来的形貌特征，在这个时间尺度上，我们并不能肯定我们所看到的生物形态就是在演化中最优秀的。这时候，古生物由于其超长的时间跨度给我们提供了明晰的演化序列，为我们总结并筛选某一部分或某个器官的优势因素提供了可能。古仿生学相对于以现代生物为基础的仿生学来说，其学科交叉面更大。在国外，古仿生学已经取得了一些成功，日本学者目前正在通过对深海放射虫外壳的研究，寄希望寻找新型火箭整流罩的设计方案。古仿生学的某些先进之处已经愈来愈受到重视，但在我国，该学科尚无专门研究，相信我们这次所做的工作，是本方向的一个新的尝试。
