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1. 可兴奋细胞/组织的力-电耦合问题  

心脏主要有心肌细胞和间质细胞构成,心肌细胞体积大(约占心脏体积3/4)但数量少(约占心脏细胞数量),而剩余心脏空间几乎由间质细胞填补;心室的心肌细胞接受来自窦房结的兴奋,会引起心肌细胞内膜电位的变化,产导致心肌细胞钙离子浓度变化;心肌细胞钙离子浓度变化又会影响心肌细胞收缩力的改变。这样心肌细胞电学特性和力学特性就耦合起来。但由于心血管疾病会改变力学或电学特性,因此这就很有研究的价值。

图1 心肌细胞实验  

2. 生物组织的热-力耦合问题


    皮肤、牙齿等生物组织具有类似于工程复合材料的非均质多层微结构, 始终处于热-力环境之中, 外界的热-力刺激通过其微结构变化和疼痛等电生理行为影响其功能。深入研究外界伤害性热-力刺激诱发组织疼痛的机理及其量化一直是该领域的热点和难题。我们团队首次发现热刺激下组织的疼痛水平不仅取决于温度变化,而且受温度变化诱发的热应力的影响,力学因素在组织疼痛中发挥着关键作用,由此建立了热-力-电(疼痛)多场耦合行为理论,为有效指导激光、微波等临床热疗技术及镇痛方案提供了理论依据。


图2. 皮肤热疼痛实验

 

图3. 牙齿冷\热疼痛

3. 软物质力-化耦合问题

由Belousov-Zhabotinsky(BZ)化学反应驱动而产生自治振荡的凝胶(简称BZ 凝胶)是功能性凝胶研究领域的新材料,在仿生、人工智能等方面有着广泛的应用前景。基于材料变形及化学动力学相关理论,我们深入研究了BZ 自振荡凝胶的动力学特性。模拟了BZ 凝胶的自振荡过程并对其动力学相轨迹图进行分析,发现BZ 凝胶的自振荡属于典型的稳态极限环振荡行为。基于该凝胶的极限环振荡特征,利用改进的打靶法得到了BZ 凝胶的振荡周期,研究了与BZ 反应机制、初始反应物浓度、催化剂氧化还原速率和凝胶对BZ 反应的响应强度等因素有关的系统参数的变化对凝胶的振荡形式、周期和幅值的影响。结果表明,只有当这些可调节的系统参数满足一定的要求时,BZ 凝胶才能发生持续的极限环振荡;随着这些系统参数的改变,BZ 凝胶的振荡形式、周期和幅值将产生规律性的变化。此研究从非线性动力学角度对BZ 凝胶振荡行为进行分析,填补了有关BZ 凝胶的振荡特性和控制方面的空白。

图4. 可控性分析