壁虎仿生材料

2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
自组织微纳米 孔膜铸造法
02
以具有大高宽比孔阵列的 膜为主模板，如氧化铝膜和聚 碳酸酯膜： 铝膜上的孔径是纳米级，具有 很高的深宽比，但得到的阵列 绒毛易于纠结； 聚碳酸酯膜上的孔径较大，深 宽比较小，但是这些孔的倾角 及间隔都是随机的，很难得到 间隔均匀、方向一致的绒毛阵 列。[3]
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另外一种解释： 以壁虎绒毛与基底接 触点为支点,绒毛另一端与 基底的距离为力臂,吸附和 脱附时拖拽力均平行于基 底,但方向相反。脱附时的 力臂远远大于吸附过程中 的力臂,由杠杆原理知,壁虎 仅需用很小的力即可让绒 毛与基底分离。[1]
02
仿壁虎粘附阵列的设 计与制造
壁虎的粘附阵列是一种性能优异的干性 粘着剂，由于是范德华力起主要作用， 粘附力主要受绒毛材料和几何形状的影 响，这为人们仿制粘附阵列提供了很大 的可能性。
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
自组织微纳米 孔膜铸造法
02
为得到类壁虎的分层绒毛 阵列，可将具有纳米孔和微米 孔的膜结合在一起作为模板。[3]
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
基于微纳米绒 毛生长的定向 自装配法
03
在金属极板上喷涂一薄层液 态聚合物膜，在相距很近的另一 极板上加上直流电场，微纳米绒 毛就开始生长直到碰到上层极板 ，精确控制时间就能得到理想的 结果。[3]
纳米级绒毛建模为有倾 角的圆柱状悬臂梁，顶 端是个半球体，如图所 示，这样更符合人工制 造绒毛的实际形状。[2]
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
2003年Metin Sitti在实验的基础上提出了三种制造方法[3]
纳米雕刻法
01
自组织微纳米 孔膜铸造法
02
基于微纳米绒毛 生长的定向自装 配法
参考资料
[1]Autumn K, Liang Y A , Hsieh S T, et al .Adhesive Force of a Single Gecko Foot-Hair [J], Nature , 2000 , 405 :681 —685 [2]SHAH G J，SITH M．Modeling and design of biomimetic adhesives inspired by gecko fot· hairs[C], IEEE, International Conference on Robotics an d Biomimetics, Shenyang, China, 2004:873-878．
他们使用两种不同的疏水性聚合物(硅树脂橡胶和聚酯树脂)制造了仿壁 虎的绒毛结构，并测量其与AFM探针间的粘附力，发现47％~63％ 的粘附力都是由范德华力提供的。在这几种主要证据的支持下，范 德华力被普遍认为是壁虎实现粘附的主要机理。[1]
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1.1壁虎的吸附机制
壁虎仿生粘附材料
汇报人： 班级： 学号：
一：壁虎的吸、脱附机制
CONTENTS
二：仿壁虎粘附阵列的设 计与制造
三：研究现状及展望
01
壁虎的吸、脱附机制
几个世纪以来,人们一直惊讶于一些动物如壁 虎、蚊子、苍蝇等超强的吸、脱附能力。壁虎 可以在各种基底上自由地爬行,即便是在天花 板上也可以1m/s 的速度迅速地移动;独特的粘 附作用源自于自然界长期的进化,研究其吸、 脱附机理对仿制与之类似的生物材料有着巨大 的启示作用。
03
前两种方法要首先生产主模板，上面有微纳米级尺度的大深宽比的孔阵 列，作为生产绒毛阵列的负版，然后用聚合物来灌注成型、烘培，通过 剥离或刻蚀与主模板分离。
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
纳米雕刻法
01
用一种纳米尖端，如原子力 显微镜或者隧道扫描显微镜 的针尖，纳米尖端阵列或者 任何具有大深宽比的微纳米 结构阵列，将其在柔软的蜡 平面上压槽，即得到主模板 。 这种方法在制造具有不同倾 角和非对称的纳米阵列时具 有很强的灵活性，可以在任 何表面或者某指定区域内进 行，但是它只能生产几种特 定高宽比率的绒毛阵列，可 得到的阵列面积小，生产速 度也较慢。[3]
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.1仿壁虎粘附阵列的设计
仿壁虎粘附阵列的设计应使其具有较强的粘附力、可控制脱离、能适 应不同粗糙度的表面、自洁性和耐久性。
Gaurav J Shah等人将 壁虎的层状阵列简化为 图所示的模型，其中 L为nm级绒毛的长度； a为绒毛半径； w为绒毛间距； θ 为绒毛倾角。
03
研究现状及展望
目前仿壁虎材料主要应用在机器人上。 仿壁虎机器人的研究主要分为吸附技术与移 动技术的研究,吸附技术研究主要是围绕研制 仿壁虎脚掌的吸附材料展开,移动技术则主要 是模仿生物的灵巧移动方式。美国、日本等 都在开展仿壁虎机器人的研究,且处在领先的 位置。
03
研究现状及展望
虽然对壁虎的微结构有了较清楚的认识, 但是还有很多问题有待进一步系统、深入地 探究。仿壁虎机器人大多运用的不是壁虎吸 附的原理,即使运用壁虎吸附的原理其效果也 远远不能达到天然壁虎的吸附效果。因此我 们需要从实际应用的角度出发,运用当今的新 兴科技尤其是纳米科技,制备出一种价格低廉 、综合性能好且能大规模生产的仿壁虎器件 。
1源自文库1壁虎的吸附机制
01
03
使用x射线轰击靶材消除静电 引力后，在离子化的条件下刚 毛仍然能够实现粘附。
粘液说？
壁虎的脚底根本不存在腺体
静电说？
02
壁虎放在玻璃罩子里，然后把玻璃 罩里的空气抽走，结果壁虎仍然可 以爬上垂直的玻璃
·
04
吸盘说？
范德华力?！
1.1壁虎的吸附机制
范德华力?！
假设为范德华力：壁虎脚部的粘附力随着所接触基底的表面能的增 加而增加，Kellar Autumn等人利用单根刚毛的粘附力，使用JKR模 型对抹刀形顶端的半径进行了近似估计，结果为0．13~0．16 um， 与实验测量值很接近。
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1.2壁虎的脱离机制
Kellar Autumn等人发 现，当刚毛与基底成30ﾟ 角时会突然发生脱离， 说明可能存在脱离的临 界角。整个脱离过程就 像是在剥离条带，这可 能是随着角度的增加， 刚毛边缘的应力增加， 导致绒毛与基底间的连 接出现裂纹，裂纹逐渐 增大造成脱离。[1]
1.2壁虎的脱离机制
[3]SITH M． High aspect ratio polymer miero／nano-strueture manufacturing using nanoembossing，nano-molding and directed self-assembly[C], IEEE, Advanced Mechatronies Conferenee, Kobe, Japan, 2003: 886-890
Kellar Autumn等人利用MEMS技术制造的高精度二维压阻悬臂梁测量了壁虎单根刚毛的粘附 力，最大值为194+25 uN 。所有刚毛同时粘附并达到最大值时，壁虎的脚掌可产生约1300 N 的粘附力。[1]
1.2壁虎的脱离机制
壁虎在竖直的墙壁上能 以1m／s的速度快速爬 行，在没有任何测量到 外拉力的条件下，刚毛 在15 ms内能轻松脱离 基底。那么爬行中迅速 的脱离是怎样实现的呢?