基于分子動(dòng)力學(xué)的仿生水黽機(jī)器人劃水運(yùn)動(dòng)微觀機(jī)理研究.pdf

1、水黽能夠在水面上靜止、高效滑行，吸引了越來(lái)越多學(xué)者對(duì)于仿生水黽機(jī)器人的研究。目前仿生水黽機(jī)器人普遍采用超疏水材料制作原理樣機(jī)，研究機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，但是這些研究只是在疏水性及劃水動(dòng)作上模仿水黽運(yùn)動(dòng)，未能在滑行運(yùn)動(dòng)機(jī)理上實(shí)現(xiàn)對(duì)水黽的仿生。生物實(shí)驗(yàn)研究表明水黽在水面上高效運(yùn)動(dòng)依賴其腿部表面規(guī)則排列的特殊微納米剛毛結(jié)構(gòu)，因此從生物水黽運(yùn)動(dòng)、超疏水性材料特性分析入手，結(jié)合國(guó)家自然基金課題“仿生水黽機(jī)器人水面行走動(dòng)力學(xué)研究”，借助微觀仿真模擬方法，將

2、仿生水黽機(jī)器人劃水過(guò)程分為入水、劃動(dòng)兩個(gè)階段，并建立微觀模型仿真研究機(jī)器人超疏水材料水面運(yùn)動(dòng)的微觀作用機(jī)理，對(duì)于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)機(jī)理上的仿生，提高機(jī)器人在水面上的運(yùn)動(dòng)性能具有重要理論意義。
　　首先，基于分子動(dòng)力學(xué)超疏水性材料模擬方法研究。針對(duì)于超疏水性材料分子動(dòng)力學(xué)模擬的方法，為獲取材料疏水性分子動(dòng)力學(xué)模擬弛豫平衡后兼顧準(zhǔn)確性和效率的最佳仿真計(jì)算結(jié)果，分別仿真討論了積分步程、弛豫時(shí)間和原子數(shù)目三個(gè)初始條件對(duì)仿真弛豫平衡結(jié)果的影響

3、，提出以接觸角偏差、時(shí)間倍數(shù)以及二者乘積為標(biāo)準(zhǔn)選擇積分步程，以接觸角偏差和運(yùn)動(dòng)范圍直徑為標(biāo)準(zhǔn)選擇弛豫時(shí)間，以水滴輪廓清晰度和接觸角方差為標(biāo)準(zhǔn)選擇原子數(shù)的初始條件選擇標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)大量分子動(dòng)力學(xué)模擬仿真驗(yàn)證所提標(biāo)準(zhǔn)，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(jī)器人入水動(dòng)作微觀機(jī)理。仿生水黽機(jī)器人驅(qū)動(dòng)腿入水階段實(shí)質(zhì)是超疏水材料與水面以一定速度接觸，驅(qū)動(dòng)腿入水時(shí)與水面相互作用保持Cassie浸潤(rùn)狀態(tài)的微觀作

4、用機(jī)理?；诜肿觿?dòng)力學(xué)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(jì)分析超疏水材料表面浸潤(rùn)狀態(tài)、浸潤(rùn)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(jìn)而獲得驅(qū)動(dòng)腿入水動(dòng)作臨界速度微觀變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)任意沖擊速度下超疏水材料的浸潤(rùn)狀態(tài)的判斷。
　　最后，研究仿生水黽機(jī)器人劃動(dòng)過(guò)程微觀機(jī)理。仿生水黽機(jī)器人驅(qū)動(dòng)腿劃動(dòng)過(guò)程實(shí)質(zhì)是研究超疏水性材料與水面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的微觀作用機(jī)理。通過(guò)將機(jī)器

5、人的劃動(dòng)過(guò)程分解為三個(gè)動(dòng)作，將研究轉(zhuǎn)化為靜壓力作用下材料保持超疏水性能的微觀機(jī)理、超疏水材料與水面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)臨界推力微觀作用機(jī)理、驅(qū)動(dòng)腿沿著推力方向運(yùn)動(dòng)時(shí)與水面之間的微觀作用機(jī)理的研究?；诜肿觿?dòng)力學(xué)模擬方法建立豎直力作用下材料微觀分析模型，統(tǒng)計(jì)分析不同豎直力作用下材料微觀浸潤(rùn)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?dòng)力學(xué)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(jì)分析不同豎直力、水平推力作用下水滴