冲击现象普遍存在于机械、交通、航空、军工等众多工程领域以及我们的日常生活中。冲击力往往高达数倍于物体本身重量,多数具有危害性。在工程领域,冲击影响工作部件寿命、降低工作精度与稳定性、危及运行安全、降低生产效率,是制约国民经济发展的重大科学与技术问题;在人的运动过程中,足部与地面接触产生的冲击波可通过人体骨骼向上传播,危害人体健康,例如退行性关节疾病、假体关节松动、足底筋膜炎和应力性骨折等。缓冲是解决冲击问题的有效方法。缓冲装置可以延长冲击作用时间,降低冲击力。虽然目前的缓冲装置种类繁多,但是与具有高效缓冲功能的生物结构相比还存在诸多不足。因此,开发和设计具有较好缓冲性能的缓冲结构对于提高工程机械的工作寿命与工作效率,提升人们的生活、工作的舒适度,具有不可忽视的重要意义。近年来,仿生学的快速发展为缓冲技术的创新开发带来了灵感。四足趾行动物的腿-足能够适应多种复杂的路面,并保持了卓越的移动能力,通过其腿-足系统能够有效缓释地面冲击力,实现安全、稳定、高效的运动。因此本文以德国牧羊犬下肢腿-足为研究对象,通过采集、分析其下肢在触地阶段的运动学数据,揭示其下肢腿-足骨骼肌肉系统的触地缓冲策略;对掌垫的形态、结构、生物材料特性进行了跨尺度分析,解析了掌垫的缓冲机理;综合揭示了犬腿-足骨骼肌肉系统的多元耦合缓冲机理,并在此基础上结合仿生学方法,进行了具有良好缓冲特性的仿生耦合中底的设计制造研究。本文主要研究内容如下:(1)犬前肢和后肢具有不同的运动模式和缓冲策略。通过分析犬前肢和后肢各关节角的变化规律、关节位移等,发现犬前肢在触地阶段做倒立摆运动,前肢通过腕关节被动屈曲,拉伸腕关节周围的肌肉、韧带等组织吸收冲击能量;犬后肢在触地阶段做推动运动,后肢通过踝关节屈曲,下肢的肌肉系统主动收缩吸收冲击能量。(2)犬前掌垫与后掌垫具有不同的生物力学功能。通过对比分析了垂直地反力峰值、达到垂直地反力峰值所需时间、与地面接触面积、平均压强等足底压力数据,发现前掌垫在运动中具有缓冲与支撑功能;而后掌垫具有缓冲功能,但是支撑功能不显著。(3)犬足垫的材料特性以及足垫的离散分布结构有利于其缓冲功能。通过在有限元软件中对单轴拉伸试验结果进行拟合,获取了足垫材料的超弹性模型及相关参数;采用动态机械分析仪对测试了足垫的粘弹特性。基于犬足部CT扫描结果,采用逆向工程建模技术重建了前足在矢状面方向和冠状面方向的有限元模型并进行了仿真计算,计算结果表明足垫的离散分布特征可以使足垫变形更加充分,延长作用时间,降低冲击力。(4)犬掌垫是由内外两层缓冲单元组成的缓冲系统。综合采用组织染色方法、扫描电子显微镜、核磁共振成像技术及逆向工程建模技术等多种方法对犬掌垫进行了系统研究。掌垫的内层缓冲单元是由真皮层和皮下组织内的胶原纤维层裹着脂肪团组成;掌垫的外层单元是由真皮层乳突嵌入到蜂窝状的复层上皮组织内形成,通过有限元仿真计算表明,掌垫外层单元具缓冲作用。(5)综合犬腿部关节运动规律和足部的结构、形态特征,本文提出犬腿‐足系统优异缓冲功能的展现是犬腿部多关节的运动耦合子系统和基于结构和形态的足部耦合子系统间耦合的结果,两子系统为犬腿‐足系统耦合的耦元,两者之间通过上下方位进行耦联,并通过非完全均衡组合式实现了冲击作用的逐级缓释,展现了整体的高效缓冲功能。(6)仿生耦合中底的设计制造及其性能测试。依据掌垫耦合缓冲模型设计仿生耦合缓冲单元,通过极差分析、正交多项式回归分析,确定了影响仿生耦合单元缓冲作用的主次因素依次为内嵌物弹性模量、内嵌物的高度、整个模型的高度;内嵌物弹性模量与仿生耦合单元缓冲作用呈非线性负相关,内嵌物高度、模型整体高度与仿生耦合单元缓冲作用呈非线性正相关。采用硅胶复模法制作了仿生耦合缓冲中底,并进行了性能测试试验研究,表明分布有仿生耦合缓冲单元的仿生鞋底具有较好的缓冲效果,但是仿生鞋底的穿着舒适性与仿生耦合单元的分布有关。