仿壁虎微纳米阵列的粘附机理与控制方法研究

论文摘要

仿生微纳米粘附阵列在故障检测、抢险救灾、高楼清洗、军事侦察等特种机器人中具有重要应用前景。其工作原理是模仿壁虎趾面的粘附机理，利用柔性微纳米阵列与固体表面之间的范德瓦尔斯力实现直接粘附。壁虎的脚掌存在微米刚毛阵列和纳米绒毛阵列两层结构，这种精细的分层结构使得绒毛与被接触物体表面实现分子接触，从而产生范德瓦尔斯力。壁虎脚趾的精细粘附结构具有粘附力大、对形貌和材质适应性强、对接触表面无损伤、自清洁、可反复使用等优点，对研制机器人粘附爬行机构具有重要借鉴作用。 目前国内外对仿壁虎粘附阵列的粘附脱离机理、阵列加工和性能测试等方面已经开展了大量的研究，取得了初步的研究成果。但是要将仿生微纳米粘附阵列应用到仿壁虎机器人中，仍然需要解决一系列的理论与设计问题。在壁虎脚掌与接触表面间的粘附脱离机理方面，目前主要集中在针对单根绒毛的分析，刚毛阵列以及绒毛阵列的研究较少，缺少针对微纳米两层阵列结构的粘附脱离机理的研究，并且对实验现象的理论解释不足。因此必须进一步了解壁虎微纳米阵列的粘附与脱离机理，建立系统模型。在仿壁虎粘附阵列的参数设计方面，需要系统、深入地考虑环境因素影响，即表面粗糙度、材料疏水性、表面自清洁性等对粘附效果的影响。国内外设计的粘附阵列目前都是单层的微米或纳米阵列结构，通过控制阵列的整体运动来实现粘附与脱离。其运动效果与壁虎的肌肉分组控制存在较大差距，因此应进一步设计一种符合壁虎爬行运动特征的粘附阵列。 针对以上问题，本文从建模仿真、参数设计、结构设计与控制方法、加工及特性测试实验等四个方面开展了仿壁虎粘附阵列的研究。首先对壁虎的粘附及脱离机理进行研究。建立了壁虎绒毛尖端、单根绒毛、单层纳米阵列、双层微纳米阵列与表面间相互作用的力学模型；计算并仿真出粘附和脱离过程中单层纳米阵列与粗糙表面间粘着合力与间距、预压力、定位角度之间的关系，以及双层结构与粗糙表面间的粘着合力与间距关系。接着进行仿壁虎粘附阵列的结构参数设计。为了防止刚毛、绒毛在与表面接触时产生折断、倒塌、失稳、聚结等现象而破坏粘附效果，针对刚毛、绒毛的

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图清单
• 表格清单
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究的意义和背景
• 1.2 仿生学介绍及仿壁虎研究概况
• 1.2.1 壁虎粘附机理研究概况
• 1.2.1.1 壁虎粘附机理研究
• 1.2.1.2 壁虎脱离机理研究
• 1.2.2 仿壁虎粘附阵列制造概况
• 1.3 本文研究目标及本文主要研究内容
• 参考文献
• 第二章 壁虎微纳米阵列的系统建模与仿真
• 2.1 微尺度粘附接触理论
• 2.2 壁虎绒毛与光滑接触表面间作用模型
• 2.3 单根绒毛与粗糙接触表面间的相互作用模型
• 2.3.1 单根绒毛受力模型分析
• 2.3.2 动态粘附接触及脱离过程中单根绒毛受力情况分析
• 2.4 单层纳米阵列与随机粗糙表面间相互作用模型
• 2.4.1 单层纳米阵列与随机粗糙表面间相互作用力模型分析
• 2.4.2 动态粘附接触及脱离情况下单层纳米阵列与随机粗糙表面间相互作用模型
• 2.5 双层微纳米阵列与随机粗糙表面间相互作用模型
• 2.6 计算与仿真
• 2.6.1 动态粘附接触状态中相互作用力与间距间的关系
• 2.6.2 动态脱离状态中相互作用力与间距间的关系
• 2.6.3 相互作用力与预压力关系
• 2.6.4 相互作用力与定位夹角关系
• 2.6.5 双层结构与粗糙表面间的相互作用力与间距关系
• 2.7 讨论
• 2.8 本章小结
• 参考文献
• 第三章 仿壁虎微纳米粘附阵列结构参数设计
• 3.1 材料力学特性的参数设计
• 3.1.1 强度要求设计
• 3.1.2 刚度要求设计
• 3.1.3 稳定性要求设计
• 3.1.4 防止绒毛聚结条件
• 3.1.5 微尺寸效应分析
• 3.2 基于阵列环境适应性的参数设计准则
• 3.2.1 粘附阵列的表面适应性
• 3.2.2 粘附阵列的疏水性
• 3.2.3 粘附阵列的自清洁性
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 仿壁虎微纳米粘附阵列系统结构设计与控制方法仿真
• 4.1 粘附阵列的驱动原理
• 4.1.1 压电驱动
• 4.1.2 静电驱动
• 4.2 仿壁虎粘附阵列结构设计
• 4.2.1 压电驱动式微纳米粘附阵列结构设计
• 4.2.2 静电驱动式微纳米粘附阵列结构设计
• 4.3 粘附阵列控制原理分析与仿真
• 4.3.1 分组控制分析
• 4.3.2 脱离控制分析与仿真
• 4.3.2.1 阵列平动脱离
• 4.3.2.2 阵列偏转角度后脱离
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 仿壁虎微纳米粘附阵列加工及特性测试实验
• 5.1 粘附阵列的加工
• 5.1.1 阵列材料
• 5.1.2 微米阵列的加工
• 5.1.3 纳米阵列的加工
• 5.2 单根刚毛特性测试实验
• 5.2.1 实验仪器
• 5.2.2 实验结果
• 5.2.3 实验分析
• 5.3 微米粘附阵列的特性测试实验
• 5.3.1 阵列实验样本
• 5.3.2 测量粘附力实验装置
• 5.3.3 实验方法、结果及分析
• 5.3.3.1 相同直径、相同间距、不同长度L的阵列的粘附效果
• 5.3.3.2 不同面积、形状的几种阵列的粘附效果对比
• 5.3.3.3 阵列与不同材料、不同粗糙度的被接触表面的粘附效果
• 5.3.3.4 阵列与玻璃表面以不同位置点脱离效果
• 5.4 讨论
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作及结论
• 6.2 本文的创新点
• 6.3 工作展望
• 攻读博士期间发表的论文和研究的项目
• 致谢