马蹄形微结构具有强拉伸性、高透气性及拓扑可编程性等优异特性，广泛应用于生物医学设备、柔性显示器、组织工程等重要领域。基于BCT2000测试原理与GB/T 24218.5—2016钢球顶破法，构建了针对马蹄形微结构的面外变形测试方法，系统研究了三角形、Kagome形及蜂窝形三种仿生马蹄形微结构的面外变形行为。通过数值模拟和实验分析对三种马蹄形微结构的顶破载荷-位移曲线进行研究，分析了应力分布情况以及结构的面外变形情况，并以三角直线结构作为对照组。从四个方面建立了柔弹性能评价标准，分析了四种因素对柔弹性能的影响。三角形微结构展现出最优异的柔弹性综合性能，相较于传统直线型结构有明显柔弹性优势，最大面外位移增大了88.9%，低载荷承载位移增大了428.1%，面外刚度降低了59.3%，能量吸收量提高了31.5%。
针对仿生扑翼飞行器驱动机构因铰链磨损导致寿命短的缺陷，提出含间隙铰链的扑翼驱动机构动态可靠性评估方法。基于扑翼飞行器驱动机构的工作原理对机构的失效模式进行分析，确立了磨损与运动不对称性为扑翼飞行器驱动机构的关键失效模式，融合Hertz接触力模型与Archard磨损理论建立了非均匀磨损动力学模型。通过离散控制点绘制样条曲线重构磨损轮廓，实现了多周次磨损动态更新仿真。在结合Kriging和蒙特卡罗模拟的主动学习方法（AK-MCS）基础上考虑竞争失效模式，将其改进为Improved-AKMCS，以量化铰链磨损与摇臂运动不对称的竞争失效机制。结果表明：机构前65 000周次运行时以磨损失效为主，至68 000周次因运动不对称失效加剧，总可靠度由0.9989降至0.0165。灵敏度分析证实了弹性模量、磨损率及铰链初始间隙对可靠性具有显著相关性。
数字聚合酶链式反应（dPCR）因高灵敏度、高准确度以及绝对定量的特点，成为分子生物学和临床诊断领域的重要工具，但仍面临集成度不高、样本使用量大及流体控制难等问题。设计了一种集成快速阀门系统和自动加热系统的液滴型dPCR微流控芯片，同时优化了该芯片的制备工艺。研究结果表明，该芯片能够高效、均匀地生成液滴，最大生成频率达5.132 kHz，液滴直径变异系数（CV）值仅为1.67%；形变阀可在0.1 s内快速实现流体通断；集成的片上循环加热系统可实现1.2 ℃/s的温度升降，温度误差在±0.6 ℃以内；改进PDMS配方还可有效防止流体蒸发；液滴识别算法准确率高达99.7%。
针对现有外骨骼与人体腿部协调性差的问题，设计了一种基于人机匹配性的膝踝关节外骨骼。通过动作捕捉系统采集下肢关节运动的时空数据，结合生理膝关节滚滑运动特性，设计了能够适应人体膝关节运动瞬心的J字形运动轨迹的四杆机构，提出了模拟膝关节运动的连杆机构优化设计方法。数值模拟验证了优化后四杆机构能够很好地贴合人体运动，结合角度传感器实现了助力外骨骼控制系统的开发，进而借助步态和肌电实验对助力外骨骼性能有效性进行了验证。实验结果表明，穿戴后膝关节角度峰值变化幅度小于5%，膝关节力矩减小，股外侧肌、腓肠肌、股二头长头肌等肌肉活动度下降。
针对图像引导放射治疗带来的额外辐射剂量问题，以环节动物的肌肉静水结构为启发设计了一种双驱动器仿肺软体机器人，体外模拟人体肺部的呼吸变形。对仿肺软体机器人进行了三维建模和有限元仿真，由仿真结果可知，加装轴向驱动器能增加仿肺软体机器人变形自由度，使其更趋向真实肺部变形。通过共形几何方法分析了仿肺软体机器人的变形特性，并通过实验测试了其变形性能。研究结果表明：当径向驱动器气压为1 kPa和2 kPa、轴向驱动器气压为7 kPa时，径向驱动器的z轴尺寸伸长率分别为10.95%和8.87%，所设计的仿肺软体机器人能够满足模仿肺部变形的要求。最后，通过线性拟合得到了变形程度与充气气压之间的关系式，可应用于仿肺软体机器人的变形控制。
对猎豹的奔跑机构的骨骼肌肉系统的运动学模型及运动学特性进行了研究。基于已有数据,对猎豹的前后肢建立了机构模型,对其奔跑的运动过程进行仿真,计算并描述其趾端运动轨迹;结合骨骼肌肉的位置参数与已构建的运动学模型，对猎豹的骨肌坐标系统进行建模，对肌肉肌群的长度变化进行计算；进行骨肌坐标系统的运动仿真，并利用肌肉力计算模型，求解了猎豹前后肢各关节的力矩变化。基于已有解剖学数据对哺乳动物的高速运动特性从仿生学角度进行了分析，为高速奔跑机构仿生机理的实现提供了切实的数据支持，对猎豹高速奔跑的运动学特性进行了充分研究。
针对当前机械腿关节和动物腿关节之间、机械腿和动物腿之间的刚度曲线都有一定偏差的问题，提出了一种仿动物关节或腿刚度的机械腿结构设计方法。基于虚功原理和曲线插值法获得了动物关节或腿刚度曲线方程，并进行了Patran、Nastran、Adams联合仿真，提出了仿动物关节或腿刚度的机械腿结构设计方法及其优化方法。基于人体基本参数及人跳跃过程中腿刚度相关参数，进行了仿人腿踝关节刚度的机械腿结构实例设计和轻量化设计。仿真结果验证了该设计方法的有效性和可行性。
针对尿道括约肌功能障碍引起的重度尿失禁问题，设计了一种超声汽化蒸汽驱动的尿道阀。运用超声学、热力学和磁学理论建立了尿道阀的数学模型，通过仿真和实验研究了超声控制参数对尿道阀驱动特性的影响规律，通过实验研究了尿道阀的启闭特性。结果表明：尿道阀原理可行，数学模型简单有效；增大超声波的声强、辐射面积和频率，均可提高尿道阀的驱动特性；尿道阀的启闭特性良好。
研究了一种形状记忆合金（SMA）丝驱动的仿生波动鳍推进器。在分析墨鱼鳍肌肉结构和运动机制的基础上，建立了鳍波动运动学模型，研制了基于SMA丝驱动柔性鳍单元的仿生波动鳍推进器，并进行了试验研究。结果表明，仿生推进器能实现与墨鱼鳍相似的柔性运动，波幅和推进力随SMA丝的驱动脉冲宽度的增加而增大，鳍波动推进力呈周期性变化，瞬时推力在驱动脉冲宽度80 ms时达到最大值180mN。
为了设计出更好的高速列车座椅，提高乘客的乘坐舒适度，针对国内高速列车设计标准在生物力学方面缺乏明确规定的问题，建立了人体腰椎L1~L5的有限元模型，并对模型的合理性进行了实验和理论验证。对不同坐姿下的腰椎模型进行了静态和350km/h高速列车运行环境下的动力学分析，计算腰椎静态和外部激励作用下的结构响应情况，为高铁座椅的人机工程设计提供依据。
下颌骨肿瘤切除术后或下颌骨外伤后，均可造成下颌骨的缺损，从而导致语言和咀嚼功能障碍。游离腓骨瓣修复下颌骨的手术是目前最主流、最先进的下颌骨缺损修复方法，能最大限度恢复下颌骨的外形和功能，同时该手术比较复杂。为提高游离腓骨瓣和下颌骨缺损的匹配程度，采用定制化修复钛板设计和制造方法。通过采集分析病人CT数据，利用可视化和CAD技术设计出符合病人生理结构的修复体模型。利用快速原型技术制造出树脂模型用于手术指导，通过临床研究，该方法可节省手术时间，提高手术成功率。一例利用传统手术方法进行下颌骨缺损修复手术失败的病人，利用快速成型技术辅助成功的进行了二次手术。
通过对假肢膝关节系统的功能原理分析，提出了多种新型假肢膝关节结构方案，拟定了结构方案比较与选择的基本要求与准则，完成了结构设计与技术设计；结合运动仿真分析，确定了膝关节在主动屈曲时回转摆动缸的摆动范围，分析了下蹲过程中的机构力矩变化规律。设计与仿真的结果对于连骨式假肢膝关节设计、双足步行机器人开发有参考价值。
