随着陆地资源日渐减少,人们逐渐把更多的目光投向了蕴含大量且丰富生物能源和矿物资源的海洋。随着人类对海洋资源的不断开发和利用意识的提高,作为实现海洋作业和科学考察重要的深海作业工具的水下机器人应运而生并蓬勃发展,而机械手作为机器人与外界环境相互作用的重要环节,代替人类完成各种极端环境下艰难危险的工作,更是实现海洋资源开发过程中必不可少的装备之一。但是,目前水下机械手采用的驱动方式均存在各自的不足,普遍存在体积和质量比较大,响应速度比较慢,驱动传动效率比较低的问题。自然界的许多生物经过了数亿万年的进化,生物体本身具备了高效、精巧、卓越的生物运动功能和特性,从而为新型仿生驱动与传动技术的研究提供了天然的生物蓝本。因此,本文针对目前水下机械手普遍存在的驱动与传动效率低的问题,以在水中具有显著快速闭合运动特征的枪虾螯部为研究对象,对其快速闭合运动机理进行了试验与建模研究。本文通过试验研究了枪虾螯部的表面形态、断层微结构、材料组成和力学性能。借助电镜分析发现枪虾螯部表面存在微凸、菱形沟槽和直线型条纹,呈现复合型非光滑表面;通过CFD仿真试验和PIV流态显示试验分别验证螯部非光滑形态和构形对运动的减阻作用;通过电镜发现螯部断层共有四层不同的微结构,最外层是很薄的上表皮层,其表面覆盖一层蜡质;第二层由光滑层和纤维片层结构共同组成,片层之间构成空腔,这种结构既可以显著的减轻整体的重量,又使枪虾具备了较强的抗压性能,同时有效的阻隔热量的传递;第三层疏密多孔的螺旋夹板层结构,赋予枪虾轻质性能的同时,还可以吸收和分散受冲击时的动能和载荷。此外,螺旋夹板层交错堆砌结构能有效的阻止裂纹的继续传播,从而阻止整体结构的断裂,提高了止裂性能;最内层是一种简单的层状结构。四层结构纤维排列方式和厚度都不同,相应的功能作用也有差异。通过能谱分析得知四层结构以及动定螯组成元素相同,但是含量相差很大,进一步通过傅里叶红外光谱和XRD试验确定螯部的物质组成。借助纳米压痕仪进行表面和断层的力学性能测试,并计算了其屈服强度和弹性指数。结果表明,不同测试位置处弹性模量和硬度值不同,这反映了生物材料的非均质性。动螯力学性能优于定螯,这可能有利于驱动力的传递,保证其作为主动件完成快速闭合运动,也有益于为枪虾在争斗过程中提供攻击和防御效能。螯部断层的内外表皮层之间力学性能差异较大,主要是由于纤维的取向、堆积方式和密度不同等导致的其微结构存在疏密差异造成的。内外表皮层间力学性能的变化与其钙元素含量的梯度变化也有必然关系。这种力学性能上的差异,有利于枪虾受到冲击时吸收和分散载荷,从而阻止破裂的发生或抑制裂纹的扩展。根据断层微结构,简化提出了一种仿生轻质高强耐冲击的复合结构。通过高速运动捕捉试验观察分析了螯部闭合运动的过程和细节,综合组织切片和Micro-CT扫描试验,得出了螯部的肌肉拓扑结构,最后得出枪虾螯部快速闭合运动的机理。本文通过生物基本特征试验观察、纳米力学测试、仿真等方法,多尺度综合解析了枪虾螯部的材料、结构、形态和构形的特征及功能。通过组织切片和Micro-CT扫描试验探究了螯部骨骼肌肉的拓扑结构,揭示了其螯部的多因素耦合的快速闭合运动机制,为具备高效驱动与传动特征的仿生机械手的开发设计提供了新思路,同时亦可为研制新型快速驱动与传动装置提供重要的生物力学理论基础和技术支持,具有重要的科学意义与工程应用价值。