不同材料表面壁虎脚掌粘附机制研究

论文摘要

壁虎具有在不同材料的墙面或天花板上的运动附着能力。用三维运动力测试系统测量大壁虎在正/零/负三表面(水平面、竖直面与天花板)上的不同材料表面(玻璃、有机玻璃、特氟龙、铝、不锈钢)运动时的三维接触力,并结合高速摄像记录大壁虎在爬行时的运动行为,获得大壁虎在上述各表面上爬行时的运动特征。比较并分析了大壁虎在不同状态下爬行时的力学参数,步态特征,质心速度与机械能的变化规律,讨论了壁虎脚掌粘附机制及其与接触表面特性之间的关系。实验结果表明,大壁虎在所有材料的水平表面上能够自由运动;在玻璃、有机玻璃、特氟龙和铝的竖直表面能够自由运动,而在不锈钢表面则不能稳定粘附;在玻璃和有机玻璃的天花板表面能自由运动,在特氟龙、铝和不锈钢表面会发生滑落现象。壁虎在不同材料的水平面和竖直面上爬行时以对角步态为主,在不同材料的天花板表面上爬行时以三角步态为主,主要通过提高步频来提高速度,受步距速度的影响很小。大壁虎在粘附性能较差的表面上运动时,会通过增大脚掌与运动表面的接触时间,减小脚掌在空中摆动的时间来实现在危险表面上的稳定粘附,并通过降低步频与减小步距来保证运动的可行性。壁虎脚掌与爬行表面之间的粘附效果不仅与表面能有一定的关系(表面能越高粘附性能越好),而且与爬行表面的分子结构也有关系。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外的研究进展
• 1.3.1 运动学研究
• 1.3.2 动力学研究
• 1.3.3 粘附机制研究
• 1.4 本论文的主要工作
• 第二章 大壁虎正/零/负表面运动实验方法
• 2.1 实验对象与材料
• 2.2 实验设备
• 2.2.1 动物运动力学实验系统
• 2.2.2 力学测试系统
• 2.2.3 图像采集系统
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 实验过程
• 2.3.2 数据处理与分析
• 2.4 小结
• 第三章 大壁虎正/零/负表面运动实验结果
• 3.1 大壁虎正表面运动实验
• 3.1.1 大壁虎正表面运动学实验
• 3.1.2 大壁虎正表面动力学实验
• 3.2 大壁虎零表面运动实验
• 3.2.1 大壁虎零表面运动学实验
• 3.2.2 大壁虎零表面动力学实验
• 3.3 大壁虎负表面运动实验
• 3.3.1 大壁虎负表面运动学实验
• 3.3.2 大壁虎负表面动力学实验
• 3.4 小结
• 第四章 大壁虎在正/零/负表面状态下不同材料表面运动分析
• 4.1 正表面不同材料表面上的运动分析
• 4.1.1 正表面运动的运动学分析
• 4.1.2 正表面运动的动力学分析
• 4.2 零表面不同材料表面上的运动分析
• 4.2.1 零表面运动的运动学分析
• 4.2.2 零表面运动的动力学分析
• 4.3 负表面不同材料表面上的运动分析
• 4.3.1 负表面运动的运动学分析
• 4.3.2 负表面运动的动力学分析
• 4.4 正/零/负表面上的运动分析
• 4.5 粘附机制分析
• 4.6 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.1.1 运动学分析
• 5.1.2 动力学分析
• 5.2 创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的科研成果及发表的学术论文