微夹持器是进行微操作的重要工具,在微机械零件加工、微机械装配、生物医学工程和精密光学工程等方面均有广泛的应用前景。高运动速度与力学精度的微夹持器可以改善微操作、微装配的可操作性,但目前的微夹持器在位移控制与驱动力控制等方面不够完善。蚂蚁在捕食及运输食物过程中,上颚作用类似于微夹持器的夹持机构,既可以运输蚁卵、水滴等柔软的物质,也可以打斗、筑巢、捕食猎物等,这为设计新型微夹持器设计提供了绝佳参考。本文以蚂蚁上颚为研究对象,选取四种不同种属的长颚蚂蚁进行研究,观察上颚运动规律及咬合力特性。建立肌肉驱动模型,分析其运动控制机理。结合理论分析,提出仿生微夹持器的概念设计。该项研究将丰富和完善蚂蚁捕食机理,对微夹持器的发展具有重要的理论意义和工程实用价值。首先,通过宏观实验观测蚂蚁的捕食速度和咬合力。通过高速摄像技术捕捉蚂蚁捕食动态过程,获得上颚运动速度、加速度等各项运动学参数。蚂蚁捕食时,上颚迅速闭合,其中上颚平均运动速度最大的是里氏勾猛蚁,可达602 rad/s。其次是猎镰猛蚁,速度约为35.08 rad/s,约是日本弓背蚁的4.8倍,双齿多刺蚁的8.7倍。借助薄膜压力传感器测量蚂蚁咬合力。研究发现,速度、体型较小的日本弓背蚁平均最大咬合力可到达40.3 mN,大于速度、体型较大的猎镰猛蚁的咬合力30.6 mN。里氏勾猛蚁咬合力最小,不足1 mN。其次,利用冷冻切片技术观察了蚂蚁头部肌肉微观结构及分布情况。参与上颚运动控制的内收肌包含丝状接触型和直接接触型两种不同肌肉。其中咬合力比较大的日本弓背蚁丝状接触型肌肉较多,而上颚闭合速度较大的猎镰猛蚁直接接触型肌肉较多。最后,基于肌肉几何形状与物理特性建立分布式驱动模型,结合肌肉控制机理,将丝状和直接接触型肌肉分别等效为圆锥形和圆柱形肌肉,构建肌肉驱动模型。理论分析和实验结果表明,在肌肉数目、长度、体积等情况相同条件下,圆柱形肌肉有助于提高上颚运动速度,圆锥形肌肉更有助于提供夹持作用力。使得日本弓背蚁肌肉提供的咬合力大于猎镰猛蚁的1.3倍,而猎镰猛蚁却可以产生大于日本弓背蚁4倍的上颚转速。通过对蚂蚁上颚运动的理论分析与建模,给出了仿生微夹持器的概念设计模型。将上颚、表皮内突、内收肌等效为微夹持器的夹持臂、连杆及运动控制机构。该微夹持器可同时达到速度快和驱动力大的效果,且机构结构紧凑,适用于多种微操作场合。