基于分子動力學的仿生水黽機器人劃水運動微觀機理研究.pdf

1、水黽能夠在水面上靜止、高效滑行，吸引了越來越多學者對于仿生水黽機器人的研究。目前仿生水黽機器人普遍采用超疏水材料制作原理樣機，研究機器人的運動，但是這些研究只是在疏水性及劃水動作上模仿水黽運動，未能在滑行運動機理上實現(xiàn)對水黽的仿生。生物實驗研究表明水黽在水面上高效運動依賴其腿部表面規(guī)則排列的特殊微納米剛毛結構，因此從生物水黽運動、超疏水性材料特性分析入手，結合國家自然基金課題“仿生水黽機器人水面行走動力學研究”，借助微觀仿真模擬方法，將

2、仿生水黽機器人劃水過程分為入水、劃動兩個階段，并建立微觀模型仿真研究機器人超疏水材料水面運動的微觀作用機理，對于實現(xiàn)機器人在運動機理上的仿生，提高機器人在水面上的運動性能具有重要理論意義。
　　首先，基于分子動力學超疏水性材料模擬方法研究。針對于超疏水性材料分子動力學模擬的方法，為獲取材料疏水性分子動力學模擬弛豫平衡后兼顧準確性和效率的最佳仿真計算結果，分別仿真討論了積分步程、弛豫時間和原子數(shù)目三個初始條件對仿真弛豫平衡結果的影響

3、，提出以接觸角偏差、時間倍數(shù)以及二者乘積為標準選擇積分步程，以接觸角偏差和運動范圍直徑為標準選擇弛豫時間，以水滴輪廓清晰度和接觸角方差為標準選擇原子數(shù)的初始條件選擇標準，通過大量分子動力學模擬仿真驗證所提標準，并確定所采用超疏水材料微觀模型仿真所需要的初始條件。
　　其次，研究仿生水黽機器人入水動作微觀機理。仿生水黽機器人驅動腿入水階段實質是超疏水材料與水面以一定速度接觸，驅動腿入水時與水面相互作用保持Cassie浸潤狀態(tài)的微觀作

4、用機理?；诜肿觿恿W模擬方法建立微觀分析模型，仿真研究水滴以不同速度沖擊超疏水材料表面，統(tǒng)計分析超疏水材料表面浸潤狀態(tài)、浸潤狀態(tài)的改變、接觸角、水滴重心以及水滴與超疏水材料表面與水之間相互作用力的變化，進而獲得驅動腿入水動作臨界速度微觀變化規(guī)律，實現(xiàn)任意沖擊速度下超疏水材料的浸潤狀態(tài)的判斷。
　　最后，研究仿生水黽機器人劃動過程微觀機理。仿生水黽機器人驅動腿劃動過程實質是研究超疏水性材料與水面相對運動時的微觀作用機理。通過將機器

5、人的劃動過程分解為三個動作，將研究轉化為靜壓力作用下材料保持超疏水性能的微觀機理、超疏水材料與水面相對運動時臨界推力微觀作用機理、驅動腿沿著推力方向運動時與水面之間的微觀作用機理的研究。基于分子動力學模擬方法建立豎直力作用下材料微觀分析模型，統(tǒng)計分析不同豎直力作用下材料微觀浸潤狀態(tài)變化，獲取靜壓力作用下材料保持超疏水性能不失效的臨界力?；诜肿觿恿W模擬方法建立水滴在豎直力、水平推力作用下微觀模型，統(tǒng)計分析不同豎直力、水平推力作用下水滴