仿壁虎脚掌粘附材料及驱动材料的研究

论文摘要

自然界中壁虎能在光滑的墙壁上行走自如,甚至能贴在天花板上快速爬行。壁虎单腿上有3条神经控制脚趾的外翻、内收和脚掌的扭转三种运动模式,从而进行简单、有效和精巧的运动控制。同时显微镜下可以看到壁虎脚掌上有近50万根直径为几十到几百纳米的刚毛。壁虎脚底微纳米刚毛所产生的尺寸效应与壁虎脚趾外翻内收的精巧运动控制的结合,最终成就了壁虎“飞檐走壁”的绝活。因此,模仿壁虎脚趾的运动对仿壁虎脚掌实现简单有效的驱动,研制具有尺寸效应的仿生微纳刚毛阵列,进而获得一种对各种环境和各种表面具有良好适应性的可控的粘附机构十分必要。本课题以壁虎科的大壁虎为仿生对象,从结构-驱动一体化角度入手,研制爬壁机器人实现三维空间运动的关键部件-脚掌的粘附结构和智能驱动材料（IPMC人工肌肉材料）。同时,在理解壁虎具有非凡的全空间运动能力的内在本质上,认识软材料与粗糙表面间的接触力学规律,为仿壁虎爬壁机器人研制中的关键技术提供支持。本文主要研究内容如下:1.针对仿壁虎机器人脚掌粘附性能的需求,设计了性能改良的聚氨酯/硅橡胶聚合体材料的配方。比照壁虎空间运动受力关系,对所制备的聚氨酯等试样进行粘着力和切向力相互关系的分析。以JKR接触理论和GW模型为基础,进行建模分析,得出在粘着弹性接触下接触点数对聚氨酯材料粘着力的影响关系。为仿壁虎机器人脚掌材料弹性模量等指标的选择、刚毛阵列几何尺寸的设计提供依据。2.对仿壁虎脚掌刚毛阵列的研制进行了丝材植毛法、激光刻蚀法、激光模型浇铸法、光刻模型浇铸法等多种方法的探索。并针对制备实验,建立刚毛缠结的力学模型,从能量角度分析刚毛阵列克服缠结必须满足的几何条件。首次提出PET“海岛”结构端部接枝聚氨酯及消融方法,有望获得二级结构的微纳米级的仿生刚毛。这种微纳复杂结构的制备是目前国际上该领域的最前沿的还未突破的难点技术。PET“海岛”结构端部接枝聚氨酯及消融方法为制备仿壁虎刚毛二级阵列结构提供了一个很好的设计思路。3.IPMC人工肌肉材料的制备和应用研究目前是国际上智能材料研究的热点之一。通过对IPMC的前期研究,发现IPMC材料在几伏电压驱动下的软性可控往复摆动恰好可实现类似壁虎脚趾外翻和内收的运动。论文首次提出了用IPMC材料驱动仿生壁虎脚掌的思路,进行了IPMC材料的制备研究,实验摸索总结了从Nafion基体的厚膜浇铸工艺到IPMC表面电极化学镀的一套IPMC制备完整工艺。并测试研究了不同波形、电压、频率激励信号对IPMC试样位移、力和电流输出的影响。从而为解决爬壁机器人用仿壁虎脚掌主动控制的关键技术提供支持。4.IPMC在低电压驱动下能产生大的位移,但其输出力却相对较小。如何提高输出力就成为IPMC驱动器应用的一个关键和难点。为增加IPMC力输出,从Nafion厚膜浇铸、电极制备工艺及多片叠加工艺三个方面进行探索实验,进一步提高了IPMC的力输出能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 仿壁虎脚掌研究概况
• 1.2.1 TDOF 运动的动物的足掌结构
• 1.2.2 壁虎刚毛粘附机理研究
• 1.2.3 壁虎刚毛粘附的接触力学分析
• 1.2.4 壁虎刚毛制备
• 1.3 仿壁虎脚趾驱动材料-IPMC 人工肌肉的研究情况
• 1.3.1 IPMC 人工肌肉简介
• 1.3.2 IPMC 人工肌肉材料的国内外研究概况
• 1.3.2.1 IPMC 人工肌肉材料的制备、特性、致动机理研究
• 1.3.2.2 IPMC 人工肌肉的应用研究
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 仿生材料的设计、制备和性能测试
• 2.1 仿壁虎脚掌材料的设计
• 2.1.1 聚氨酯材料的合成
• 2.1.2 硅橡胶材料的合成
• 2.1.3 聚氨酯/硅橡胶聚合体的合成
• 2.2 实验装置
• 2.2.1 粘着性能测试
• 2.3.2 弹性模量测试
• 2.3 实验结果与分析
• 2.3.1 聚氨酯试样
• 2.3.1.1 粘着力与法向压力的关系
• 2.3.1.2 粘着力与切向力的关系
• 2.3.1.3 聚氨酯试样粘着性能随时间的变化
• 2.3.2 硅橡胶材料试样
• 2.3.3 聚氨酯/硅橡胶聚合体试样
• 2.3.3.1 弹性模量测试
• 2.3.3.2 粘着力测试
• 2.3.3.3 切向力测试
• 2.4 聚氨酯丝与聚酯纤维丝摩擦学性能实验研究
• 2.4.1 实验部分
• 2.4.2 实验结果与分析
• 2.4.2.1 聚氨酯丝摩擦性能
• 2.4.2.2 PET 丝摩擦性能
• 2.5 本章小结
• 第三章 聚氨酯材料粗糙表面的接触力学分析
• 3.1 微尺度下的粘着力的接触力学
• 3.1.1 Hertz 接触理论
• 3.1.2 固体间的表面力
• 3.1.3 考虑表面力作用的接触理论
• 3.1.3.1 DMT 理论
• 3.1.3.2 JKR 理论
• 3.1.3.3 DMT 和JKR 理论的统一
• 3.2 粗糙表面的GW 模型
• 3.3 粗糙表面的接触力学分析
• 3.3.1 代表单个凸峰接触的的接触力学分析
• 3.3.2 代表大量凸峰接触的接触力学分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 仿刚毛阵列的设计和制备
• 4.1 丝材植毛法
• 4.2 激光刻蚀法
• 4.3 激光模型浇铸法
• 4.4 光刻模型浇铸法
• 4.4.1 刚毛阵列几何结构参数的分析
• 4.4.2 刚毛阵列尺寸的选取
• 4.4.3 仿刚毛阵列的制备
• 4.5 本章小节
• 第五章 仿壁虎脚掌驱动材料的设计与研究
• 5.1 IPMC 的工作机理
• 5.2 IPMC 制备
• 5.2.1 实验原理
• 5.2.2 实验原料和设备
• 5.2.2.1 实验原料
• 5.2.2.2 实验设备
• 5.2.3 实验步骤
• 5.2.3.1 膜的粗化
• 5.2.3.2 离子交换（吸附）
• 5.2.3.3 化学镀还原反应
• 5.2.3.4 离子交换
• 5.2.4 实验结果及总结
• 5.3 IPMC 性能测试平台
• 5.3.1 信号发生模块
• 5.3.2 信号放大模块
• 5.3.3 测试模块
• 5.3.3.1 位移测量单元
• 5.3.3.2 力测量单元
• 5.3.3.3 电流测量单元
• 5.3.4 数据采集模块
• 5.4 IPMC 的位移输出测试
• 5.4.1 实验内容
• 5.4.2 实验结果和分析
• 5.4.2.1 波形对位移输出的影响
• 5.4.2.2 电压幅值和频率对IPMC 位移输出的影响
• 5.5 IPMC 的力输出测试
• 5.5.1 实验内容
• 5.5.2 实验结果和分析
• 5.5.2.1 波形、电压幅值和频率对IPMC 力输出的影响
• 5.5.2.2 试样长度对IPMC 力输出的影响
• 5.6 IPMC 电流特性实验
• 5.6.1 实验内容
• 5.6.2 实验结果和分析
• 5.6.2.1 波形、电压幅值和频率与电流的关系
• 5.6.2.2 电流与位移的关系
• 5.6.2.3 功率比较
• 5.7 本章小结
• 第六章 仿壁虎脚掌驱动材料IPMC 性能的提高研究
• 6.1 IPMC 基体聚合物Nafion 的厚膜浇铸
• 6.1.1 Nafion 膜浇铸实验
• 6.1.1.1 实验药品及仪器
• 6.1.1.2 浇铸实验过程
• 6.1.1.3 实验结果和弹性模量的测试
• 6.1.2 以浇铸膜为基体的IPMC 材料制备和性能测试
• 6.1.2.1 IPMC 制备
• 6.1.2.2 性能测试实验内容
• 6.1.2.3 测试结果和分析
• 6.2 IPMC 表面电极制备工艺的改进
• 6.2.1 制备工艺
• 6.2.2 性能测试
• 6.2.2.1 性能测试实验内容
• 6.2.2.2 测试结果和分析
• 6.3 多片IPMC 膜叠加提高力输出性能
• 6.3.1 多片IPMC 膜叠加工艺
• 6.3.2 力输出性能测试
• 6.3.2.1 实验内容
• 6.3.2.2 测试结果和分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 本文主要工作和结论
• 7.2 本文的创新点
• 7.3 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文