基本信息
- 項目名稱：
- 基于三葉蟲裂膜眼的古仿生學LED燈具
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品是利用古仿生學原理,將三葉蟲這種古老生物特殊的眼體結構逆向設計為更加節(jié)能環(huán)保的LED燈具，力圖實現(xiàn)LED燈顆粒在非標準曲面上的排布、優(yōu)化照明效果、消除光斑并降低累加損耗，具有廣闊的應用前景和市場推廣價值。本作品集古生物學、古環(huán)境學、仿生學、光學和機械制造與工程應用于一體，其理論研究對古生物學和仿生學的拓展和深化具有重要意義，也是在古仿生學方面的一次大膽嘗試。
- 詳細介紹：
- 本作品是一種基于三葉蟲裂膜眼設計的古仿生學LED燈具，該燈具的設計主要采用逆向設計的思路，并根據(jù)光路可逆原理和三葉蟲眼的物理結構，將“眼”這種光的收集工具反向設計為光的發(fā)射工具。燈具模型在制作過程中使用了顯微CT掃描、三維設計制圖、快速成型等先進技術。經(jīng)過檢測，我們設計的裂膜眼型LED燈模型功率僅1.2w，相當于3-3.5w左右的熒光管節(jié)能燈。我們設計的LED燈具模型是將LED顆粒以一定規(guī)律排布在模擬三葉蟲裂膜眼的曲面上，該模型較傳統(tǒng)的平面布置的LED燈的照射均勻度更好，其1m時的中心照度為209lx，照射范圍較同功率的平板型LED燈大42.3%；由于不需在LED顆粒前加裝二次折射透鏡而達到均勻配置光線的目的，故采用本設計方案生產(chǎn)的LED燈具將避免由于穿透透鏡所產(chǎn)生的光損耗，從而在降低生產(chǎn)成本的同時又減少了電能的損耗。目前古仿生學在國內(nèi)還罕有成果，故我們的工作是具有創(chuàng)新性的，并為古生物學重放異彩、進一步服務社會找到了一個很好的途徑。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 作品設計的目的：1）力圖實現(xiàn)LED燈顆粒在非標準曲面上的排布、優(yōu)化照明效果、消除光斑、避免反光碗和二次透射鏡對光能的損耗，從而使LED燈具更加節(jié)能環(huán)保；2）是對古仿生學的一次大膽的嘗試，為古生物服務社會找到另一條途徑?；舅悸罚簭膶θ~蟲的基礎研究中提取出我們需要的仿生學信息，再利用顯微CT掃描、白光三維掃描儀對所選標本進行三維數(shù)據(jù)的提取，然后利用 Solidworks軟件進行三維建模，再對建好的模型進行光路測試，修正后選取最佳模型，最后對快速成型機打印出的實體模型進行電路的安裝、修飾及光學測試。即主要有基礎研究、建模仿真、樣品制作、實體模型獲得及測試四個階段。 創(chuàng)新點：1)是古仿生學在國內(nèi)較早的嘗試，并首次將三葉蟲裂膜眼的結構運用到LED燈的設計上；2）運用光路可逆原理，將光的吸收工具逆向制作為光的發(fā)射工具。技術關鍵：三葉蟲眼睛表面三維數(shù)據(jù)的獲取及光學檢測及優(yōu)化。
科學性、先進性
- 1.科學性：1)研究方法和手段先進 本作品的制作基礎是對三葉蟲裂膜眼功能與結構科學研究的成果；我們采用了顯微CT掃描、超景深顯微鏡等先進技術對三葉蟲裂膜眼進行了觀察和數(shù)據(jù)提取。并科學地論證了三葉蟲的眼不會自行屈光，進一步說明三葉蟲裂膜眼適用于光的可逆原理；2）運用仿生學原理設計燈具結構和構造 本作品是依據(jù)仿生學原理制作的，證明了了古仿生學相對于現(xiàn)生生物仿生學所具有的優(yōu)勢；3）儀器數(shù)據(jù)真實可靠 本作品最后得出的結論是采用標準的燈具照度檢測公式、使用精確的照度儀、經(jīng)過科學的測算和分析后得出的 2.先進性 1）從理論角度來說：本例是利用古仿生學首次將三葉蟲裂膜眼 的結構運用到了LED燈具的結構和外觀造型設計上。2)從作品本身功能的角度：本作品研制的燈的功率為1.2 w，但其亮度相當于普通3-3.5w 螢光管節(jié)能燈，其照射范圍擴大約42.3%左右、有效照射范圍夾角擴大15.2%，并且有光照更加均勻、沒有光斑等優(yōu)點。另外，LED燈本身具有高效、綠色環(huán)保、適合反復開關、壽命長等特征。
獲獎情況及鑒定結果
- 1)2011年3月17號獲xx大學第八屆“挑戰(zhàn)杯”課外學術科技作品競賽二等獎; 2)2011年6月3日獲xx省第八屆“挑戰(zhàn)杯·青春在沃”課外學術科技作品競賽特等獎。
作品所處階段
- 實驗室階段
技術轉讓方式
- 技術合作
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品 、模型、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 1. 技術特點 該作品是將LED顆粒按照正六邊形的方式排列在放大了的三葉蟲裂膜眼特殊曲面上；2. 技術優(yōu)勢 該作品能耗非常小、照射范圍廣、光線均勻度好，其照射范圍的正下方不會產(chǎn)生明顯的光斑，更加節(jié)能環(huán)保、生產(chǎn)成本低；3. 適應范圍 該作品目前僅為實驗室模型，下一步該模型可發(fā)展為高指向型和散射型，以供不同的需求使用；4. 推廣前景 本作品由于具有高效節(jié)能、綠色環(huán)保等特點，并可根據(jù)LED顆粒的性質制作不同形狀和不同大小的燈具，相信該產(chǎn)品在眾多照明領域都具有較好的推廣前景；5. 技術性說明 使用的LED顆粒型號為T-1 3/4（5 mm）半球形白光LED，總功率：1.2 W，電流為20 mA，驅動電壓：2.5 V外觀尺寸為64 × 38 × 22 mm；6. 市場分析和經(jīng)濟效益預測 若能推廣三葉蟲裂膜眼的古仿生學曲面到多種規(guī)格和用途的LED燈具上，折射透鏡則可取消，另外由于生產(chǎn)工藝更加簡化，故這種新型的仿生學LED燈具則將更便宜和節(jié)能，經(jīng)濟效益無可估量。
同類課題研究水平概述
- 1.LED燈的發(fā)展現(xiàn)狀與問題 LED即為發(fā)光二極管，該固體光源具有效率高、光線質量高、光色純、能耗極小、壽命長、可靠耐用、運用靈活、綠色環(huán)保等特點。目前LED照明燈具行業(yè)正處于高速的發(fā)展階段，LED發(fā)光二極管被認為是21世紀最有價值的新光源，將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導。雖然LED燈具有如此多的優(yōu)點，但在LED燈的設計中依然存在一些問題：根據(jù)我們對市場上已經(jīng)形成產(chǎn)品的LED燈具的觀察，幾乎所有LED顆粒在燈座上的排布都是平面排布的，在曲面上排布的LED燈具非常少，或僅僅是通過曲面反射的方式來實現(xiàn)照射面積的擴大。平面排布的LED燈具在其正下方會產(chǎn)生亮斑，目前一般通過調整反光碗或在LED發(fā)光顆粒前加裝二次折射透鏡的方式實現(xiàn)消除亮斑、優(yōu)化照明的均勻性和擴大照射范圍，但無論采用哪種方式，光線在反射和折射過程中無疑都會發(fā)生衰減；而采用規(guī)則曲面排布LED顆粒在實際運用中，往往會發(fā)現(xiàn)這種燈具在照明上將產(chǎn)生光照明暗交替的現(xiàn)象，即亦出現(xiàn)照明不均勻的缺陷。如何能最大限度的發(fā)揮LED顆粒的效率，是我們現(xiàn)在面臨的問題。2 古仿生學的發(fā)展現(xiàn)狀 仿生學是一門上個世紀中葉才發(fā)展出來的新興邊緣學科，該學科的目的是通過對生物的結構、功能和工作機理的研究，總結其中的優(yōu)良之處，并盡量運用到工程技術之中，使之成為性能更加優(yōu)良的裝置和機械。生物在漫長的適應演化過程中，其個體或部分器官往往會朝最優(yōu)化的結構特征方向發(fā)展。有學者進一步強調：生物在生長發(fā)育的過程中會趨向最“節(jié)能”的方向發(fā)展，這類仿生在節(jié)能降耗方面有非常重要的實際意義。 古仿生學的仿生對象是地史中出現(xiàn)的古生物，其研究對象為地層中遺存的各種化石。相對于古仿生學，現(xiàn)代生物仿生學中我們看到的僅是地質歷史中的很短一個片段的生物所表現(xiàn)出來的形貌特征，在這個時間尺度上，我們并不能肯定我們所看到的生物形態(tài)就是在演化中最優(yōu)秀的。這時候，古生物由于其超長的時間跨度給我們提供了明晰的演化序列，為我們總結并篩選某一部分或某個器官的優(yōu)勢因素提供了可能。古仿生學相對于以現(xiàn)代生物為基礎的仿生學來說，其學科交叉面更大。在國外，古仿生學已經(jīng)取得了一些成功，日本學者目前正在通過對深海放射蟲外殼的研究，寄希望尋找新型火箭整流罩的設計方案。古仿生學的某些先進之處已經(jīng)愈來愈受到重視，但在我國，該學科尚無專門研究，相信我們這次所做的工作，是本方向的一個新的嘗試。
