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仿壁虎脚掌刚毛阵列接触力学分析及试验研究

赵林林  
【摘要】: 壁虎能够在各种表面(如地面、墙壁、天花板上)自由地运动,这种能力是自然界长期进化的结果。Autumn等科学家通过试验验证这种特殊的粘着能力是由于壁虎脚底大量的刚毛与物体表面之间产生的“范德华力”累计而成的。研究壁虎脚掌接触机理,对研究制造仿壁虎机器人脚提供了很好的启示。 利用JKR接触理论及GW模型,对仿壁虎刚毛的材料——粗糙聚氨酯表面的微接触状态进行数值模拟。将粗糙聚氨酯表面与蓝宝石球的接触看作是点接触,将与玻片的接触看作是含无穷多个凸峰的接触面与光滑平面的接触。利用计算机分析得出粘着力以对数规律随法向力增加而增加。并在此基础上,将粗糙聚氨酯的微突起看作是刚毛阵列,将载玻片看作是具有一定表面粗糙度的平面,对刚毛阵列和载玻片的接触状态进行数值模拟,分析得出表面粗糙度越小,粘着力越大。并对同一个表面粗糙度下的载玻片,模拟刚毛阵列与基体夹角对粘着力的影响,得出30度左右时,粘着力最大。 另外,利用摩擦磨损实验机对离体的壁虎脚掌刚毛进行接触力学试验测定。提出两种试验方案,测量并分析速度、预负载、表面粗糙度对壁虎脚掌刚毛切向力的影响。通过对数据点拟合后进行回归分析得出:切向力与水平移动速度成线性递减关系;切向力与预负载成对数关系;切向力与表面粗糙度成幂关系。


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