仿壁虎微納米陣列的粘附機理與控制方法研究.pdf

1、仿生微納米粘附陣列在故障檢測、搶險救災、高樓清洗、軍事偵察等特種機器人中具有重要應用前景。其工作原理是模仿壁虎趾面的粘附機理，利用柔性微納米陣列與固體表面之間的范德瓦爾斯力實現(xiàn)直接粘附。壁虎的腳掌存在微米剛毛陣列和納米絨毛陣列兩層結構，這種精細的分層結構使得絨毛與被接觸物體表面實現(xiàn)分子接觸，從而產(chǎn)生范德瓦爾斯力。壁虎腳趾的精細粘附結構具有粘附力大、對形貌和材質(zhì)適應性強、對接觸表面無損傷、自清潔、可反復使用等優(yōu)點，對研制機器人粘附爬行機構

2、具有重要借鑒作用。 目前國內(nèi)外對仿壁虎粘附陣列的粘附脫離機理、陣列加工和性能測試等方面已經(jīng)開展了大量的研究，取得了初步的研究成果。但是要將仿生微納米粘附陣列應用到仿壁虎機器人中，仍然需要解決一系列的理論與設計問題。在壁虎腳掌與接觸表面間的粘附脫離機理方面，目前主要集中在針對單根絨毛的分析，剛毛陣列以及絨毛陣列的研究較少，缺少針對微納米兩層陣列結構的粘附脫離機理的研究，并且對實驗現(xiàn)象的理論解釋不足。因此必須進一步了解壁虎微納米陣列

3、的粘附與脫離機理，建立系統(tǒng)模型。在仿壁虎粘附陣列的參數(shù)設計方面，需要系統(tǒng)、深入地考慮環(huán)境因素影響，即表面粗糙度、材料疏水性、表面自清潔性等對粘附效果的影響。國內(nèi)外設計的粘附陣列目前都是單層的微米或納米陣列結構，通過控制陣列的整體運動來實現(xiàn)粘附與脫離。其運動效果與壁虎的肌肉分組控制存在較大差距，因此應進一步設計一種符合壁虎爬行運動特征的粘附陣列。 針對以上問題，本文從建模仿真、參數(shù)設計、結構設計與控制方法、加工及特性測試實驗等四個

4、方面開展了仿壁虎粘附陣列的研究。首先對壁虎的粘附及脫離機理進行研究。建立了壁虎絨毛尖端、單根絨毛、單層納米陣列、雙層微納米陣列與表面間相互作用的力學模型；計算并仿真出粘附和脫離過程中單層納米陣列與粗糙表面間粘著合力與間距、預壓力、定位角度之間的關系，以及雙層結構與粗糙表面間的粘著合力與間距關系。接著進行仿壁虎粘附陣列的結構參數(shù)設計。為了防止剛毛、絨毛在與表面接觸時產(chǎn)生折斷、倒塌、失穩(wěn)、聚結等現(xiàn)象而破壞粘附效果，針對剛毛、絨毛的強度、剛度

5、、穩(wěn)定性以及防聚結要求進行參數(shù)設計；利用應變梯度理論研究微尺度下陣列材料的力學特性變化；然后將環(huán)境因素作為約束條件，對結構參數(shù)進行進一步的修正：其中包括陣列與粗糙度較大表面接觸所需具備的表面適應性分析、陣列與潮濕的水面接觸所需具備的疏水性分析、陣列與灰塵表面接觸所需具備的自清潔性分析。然后針對目前設計的陣列不具有壁虎爬行運動特征的問題，提出了一種具有主動控制粘附和脫離能力的仿壁虎微納米粘附陣列，它由集成驅(qū)動基片、微米級剛毛和納米級絨毛三

6、層結構組成。并對微納米陣列的脫離控制方法進行仿真分析。最后對采用微納米加工技術研制出的粘附陣列進行了粘附與脫離性能測試，并通過實驗驗證了理論分析中提出的力學模型。 本文以粘附機理和控制方法為研究重點，主要的創(chuàng)新點體現(xiàn)在以下幾個方面：1.通過對壁虎單層納米陣列結構、雙層微納米陣列結構的力學行為研究，建立了描述粘附和脫離過程力學規(guī)律的系統(tǒng)模型，得到粘附過程參數(shù)對粘著合力的作用規(guī)律。該模型從理論上解釋了已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的一些實驗現(xiàn)象，如壁虎在

7、光滑表面上的粘附效果較好；使陣列粘附于表面所需的預壓力存在一個臨界值；陣列在30度角時與接觸表面間粘附力最大，大于這個角度將引起陣列脫離等。 2.在粘附陣列的參數(shù)設計中，針對環(huán)境適應性要求，提出了使陣列具有較好的粗糙表面適應性、與潮濕表面接觸所要求的疏水性、與灰塵表面接觸所要求的自清潔性的設計準則，為粘附陣列的優(yōu)化設計奠定了基礎。 3.在粘附陣列系統(tǒng)設計中，針對現(xiàn)有陣列不具有壁虎爬行運動特征的問題，提出了具有主動控制粘附