生物世界中的昆虫微系统实际上是一个由大自然创造的具有高度可靠性的微机械系统。昆虫相关器官工作的力学原理从宏观、微观直至纳观常常出现多尺度的近乎完美的协调与统一,使得它们具有许多令人惊奇的特殊绝技。研究与这些特殊绝技相关的生物材料或微纳米结构的力学行为及其科学原理,对于仿生设计和制造高级微纳机械系统具有重要意义。蚊子是一种极为常见的小型昆虫,拥有许多特殊绝技：第一,蚊子具有超强的“浮水”功能,它能够在水面上浮立、行走、产卵,并能自由起飞和降落；第二,蚊子具有“无痛吸血”功能,它依靠一个大长径比的高弹性、高强度的天然“微针”系统——口针无痛刺入人体皮肤并吸食血液,且刺入过程中从未发生过任何强度问题；第三,蚊子具有粘附功能,它能够在墙壁、玻璃等固体表面上自由粘附停留；第四,蚊子具有许多特殊的飞行绝技,它不但能够在空中自由飞行,而且能够实现急停甚至倒飞等；第五,蚊子具有优异的侦探和导航功能,它能够在夜间准确侦探和锁定目标,并实施攻击(叮咬)；蚊子还具有其它许多无法一一列举的特殊生物功能。本文主要围绕蚊子的前两大特殊技能,采用微纳米测试与观察技术,并结合理论分析和数值模拟技术对蚊子腿部的表面湿润性、超强水面承载力以及口针刺入皮肤的力学机理等方面展开了一系列的研究工作。对蚊子腿部的表面润湿性进行了实验研究,发现蚊子腿是一种天然的超疏水表面。利用傅里叶红外光谱仪对蚊子腿部成分进行了分析,发现蚊子腿部的主要成分对腿部表面的湿润性虽然有一定影响,但不足以导致其腿表面具有超疏水性能。用扫描电子显微镜对蚊子腿部表面的微纳观结构进行观察,发现其腿部是由尺度在十微米级的鳞片、亚微米级的纵肋和纳米级的横筋的三级特殊结构巧妙构成的天然超疏水表面。根据蚊子腿部的这种特殊的微纳观结构,结合经典表面润湿理论,构建了一种“具有多级复合结构”的理论模型,对蚊子腿部的超疏水性能进行了理论分析,结果表明蚊子腿表面的超疏水性是表面多级微纳结构共同作用的结果。对蚊子腿的水面承载力进行了实验测量,发现蚊子腿在水面上具有超强的承载能力。单根蚊子后腿在水面上的承载力平均为600微牛,约为蚊子平均体重的23倍。对蚊子腿压向水面过程进行了理论分析,求得了蚊子腿水面承载力的理论值,并与实验结果进行了对比。利用此理论模型结合实验,分析了产生蚊子腿水面超强承载力的几种物理机制：包括腿的长度、表面的多级微纳米结构、特殊的横截面结构等。对蚊子口针的微纳观结构及刺入皮肤的力学行为进行了实验观察。发现口针的两大刺入部件——上唇和下颚的尖端尺寸均在微纳米量级,上颚端部轴向上具有明显的加筋结构,下颚端部两侧分布有精致的微纳锯齿。蚊子口针刺入皮肤的过程不是简单的直接刺入,而是先用上唇端部刺破皮肤表面,将口针锚定在皮肤里面以后,紧接着用带有微纳锯齿的下颚按一定的频率振动锯入皮肤内部。本文对口针的振动刺入规律进行了定量统计分析,发现振动频率随着刺入时间(刺入深度)的增加而降低；振幅大小约为40～80μm,并随着刺入时间(刺入深度)的增加而增加。先后设计两种高精度微力测量系统对蚊子口针刺入皮肤的刺入力进行了测量,发现蚊子口针的刺入力非常小,平均值约为十几微牛,比目前报道的人造微针的最小刺入力小三个数量级。并且发现,蚊子在刺破皮肤表面以后的进一步刺入过程中,口针对皮肤的作用力并不像人造微针那样随着刺入深度的增加而持续增加,而是显著下降并保持在一个极小的值(甚至几乎为零)上下波动。通过对蚊子口针的刺入机制分析,发现蚊子口针的微纳观结构及其特殊的刺入方式是导致刺入皮肤超级省力的根本原因。根据蚊子口针振动刺入皮肤超级省力的力学原理,设计了一套新型的微纳锯齿振动手术刀,实验证实该手术刀具有很好的省力效果。利用非线性有限元软件ABAQUS,考虑了不同皮肤层的力学性能及材料的失效和破坏,对人造微针及天然“微针”(蚊子口针)刺入皮肤的过程进行了数值模拟。首先,通过对人造微针刺入皮肤过程的有限元模拟分析,揭示了人造微针刺入皮肤过程中微针与皮肤的相互作用机理,讨论了刺入过程中皮肤的变形和破坏及微针受力随刺入位移的变化关系,得到了刺入力的大小,并详细分析了皮肤力学性能及微针各个形状参数对刺入力的影响。数值模拟结果同实验观察基本相符,验证了该数值模型的可靠性,为下一步天然“微针”(蚊子口针)刺入皮肤的数值模拟奠定基础,并为微针的设计和优化提供了一定的理论依据。在此基础上,利用三维建模软件CATIA建立了蚊子口针的端部模型,对口针端部刺入皮肤的过程进行了数值模拟,对刺入过程中皮肤的变形和破坏、口针受力随刺入位移变化的关系以及刺入力进行了讨论。模拟结果与实际刺入实验吻合良好。