半规管系统是人体内耳的一部分,由三根相互近似正交的半规管组成,每个半规管底部膨大的壶腹内都有一个呈现横位的镰状隆起,称作壶腹嵴。半规管内外都充斥着淋巴液,当人体发生旋转运动时,因为淋巴液的惯性影响,使得壶腹嵴顶变形,并由此感知人体头部的空间运动。由于生理原因,对于壶腹嵴的感知机理缺乏深入了解。本课题采用PVDF制成的半电极含金属芯压电纤维作为传感元件,在以前的工作基础上,按照1:1的比例,设计制备出人体壶腹嵴的实体模型,研究其角加速度传感特性,并以此来探究人体壶腹嵴的感知机理。本文的主要研究内容如下:1、设计制备了 SMPF(Symmetric Metal core PVDF Fiber)仿生纤毛传感器,并推导了 SMPF产生的电荷与激励大小之间的关系。通过实验论证得知SMPF可以感知激励信号的类型、频率和振幅,且传感信号幅值与激励幅值成线性关系。2、使用SMPF代替壶腹嵴感觉毛,用硅橡胶代替壶腹嵴顶,模仿人体壶腹嵴的结构,制备出人工直管壶腹嵴。在1的基础上推导出硅橡胶变形与SMPF输出电荷之间的关系,并进行实验论证。实验结果表明,SMPF可以感知硅橡胶变形的频率与振幅,且变形量与电荷成线性关系。3、在2的基础上,模仿人体半规管的结构,采用近似1:1的比例,设计制备出一维人体壶腹嵴实体模型,通过理论模型分析了 SMPF输出电荷与重力、角加速度之间的关系,并进行了实验验证。理论与实验结果表明,壶腹嵴在感知过程中受到重力的影响,且在重力影响不变的情况下,输出电荷与角加速度成线性关系。4、在3的基础上,设计制备人体三维壶腹嵴实体模型。建立了理论模型,研究了实体模型受到空间角加速度作用时,三根半规管输出信号之间的关系。实验结果验证了理论模型,表明无论哪根半规管处于责任半规管的位置,其余两根半规管都具有辅助感知的作用。通过理论模型的分析和实验验证,说明人体壶腹嵴产生的凹凸变形能够反应头部受到的角加速度。一维半规管中壶腹嵴的变形量,和作用在这个平面上的角加速度大小成线性关系,还受到重力作用方向的影响。根据三维半规管的输出信号,可以计算出头部受到的空间角加速度的方向和大小。本文的研究结果,验证和修正了人体内耳生物力学的一些传统理论,可以为前庭学研究领域对相关病症的检查、治疗提供一些参考。