仿壁虎機器人腳掌粘性材料的仿生學(xué)研究.pdf

1、科學(xué)研究已經(jīng)證明：壁虎的懸梁掛壁源于其腳底剛毛與接觸面之間的“范德華力”。仿壁虎人工腳掌粘性材料的研制對仿生機器人的三維無障礙運動具有十分重要的意義。課題組深入研究了“大壁虎”（中國廣西）腳掌的精細結(jié)構(gòu)及其運動力學(xué)，借鑒了國內(nèi)外同行專家的研究成果，制定了仿壁虎機器人腳掌仿生粘性材料的研制工作。論文以仿生粘性材料的研制及應(yīng)用為目標，主要進行了以下4個方面的工作：壁虎剛毛陣列的力學(xué)分析、人造剛毛陣列的設(shè)計及制備、聚氨酯/硅橡膠共聚體粘性材料

2、的研究以及人工腳掌的仿生設(shè)計。具體內(nèi)容如下： （1）基于JKR理論，理論分析了壁虎剛毛陣列與粗糙面脫附過程中的力學(xué)特性和剛毛傾斜角對剛毛陣列拉開力的影響。以MATLAB為工具，進行數(shù)值仿真計算，得出了剛毛陣列脫附過程中的脫附力、粘附力等的變化及剛毛傾斜角對剛毛陣列拉開力的影響。 （2）以JKR理論為基礎(chǔ)，分析得出了人造剛毛陣列克服纏結(jié)現(xiàn)象需滿足的幾何條件（長徑比、剛毛間距）。設(shè)計了四種尺寸的微米級剛毛陣列，并利用等離子深

3、硅刻蝕工藝制作了剛毛陣列的硅片孔陣列模具。采用真空澆鑄法進行了微米級硅橡膠剛毛陣列的澆鑄實驗，并利用化學(xué)腐蝕法實現(xiàn)剛毛陣列的脫模。 （3）實驗優(yōu)化了以聚四氫呋喃（分子量3000）為主原料的聚氨酯預(yù)聚體的合成配方，并制作了一系列聚氨酯/硅橡膠共聚體粘性材料試樣。對聚氨酯/硅橡膠共聚體粘性材料試樣進行了彈性模量和粘著力的測試，測試結(jié)果表明聚氨酯含量在30％左右時材料具有最大的粘著力，并對該試樣進行了粘附狀態(tài)下切向力的測試。