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仿壁虎微纳米阵列的粘附机理与控制方法研究

王辉静  
【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


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