仿壁虎微纳米粘附阵列研究进展_任鸟飞
仿生壁虎脚助人飞檐走壁
仿生壁虎脚助人飞檐走壁
张忠霞
【期刊名称】《今日科苑》
【年(卷),期】2008(000)023
【摘要】在自然界，壁虎依靠神奇的脚“飞檐走壁”，静止时紧紧吸附；移动时轻松脱离。
由华人科学家领衔的一个美国科研小组最近成功利用碳纳米管阵列制成仿生壁虎脚，其吸附力赛过真正的壁虎脚，而且也能轻松脱离。
【总页数】1页(P43)
【作者】张忠霞
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TB39
【相关文献】
1.碳纳米管仿生壁虎脚
2.壁虎脚机器人能飞檐走壁
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壁虎粘附微观力学机制的仿生研究进展
壁虎粘附微观力学机制的仿生研究进展陈少华;志龙【摘要】A class of animals possesses special climbing abilities in nature, which attracts enormous academic interests. To investigate the macro- and micro-mechanisms of such animals＇ adhesion can not only develop relevant surface/interface mechanics, but also provide novel ideas for the design of advanced adhesive materials and appropriate adhesive system for a micro-climbing robot, and shed lights on solving methods for adhesive failure problems in MEMS/NEMS and AFM. Experiments have found that the adhesive system on gecko＇s foot is hierarchical, which will produce strong adhesion. There are millions of setae on a gecko＇s foot and each seta will branch into hundreds of spatulae. The spatula is the smallest adhesive structure in a gecko＇s foot, which is about 200nm in width and length, about 5nm in thickness. The adhesive behavior of a spatula on a surface looks like that of a finite-sized nano-film. The basic principle of the adhesion is due to Van Der Waals force between two surfaces. Plenty of spatulae will cause the adhesion force large enough to support the weight of a gecko. In the present paper, considering the real shape of the smallest adhesive structure, which is similar to a nano-film with a finite length, we present an overview of the main influence factors of the micro-adhesion mechanism of gecko＇s spatula, including the effects of adhesion length, thickness and peeling angles of a finite nano-film on the adhesion force, the effects of surface roughness andenvironmental humidity on surface/interface adhesion. Experimental investigations as well as theoretical and numerical studies are also reviewed. Finally, possible challenges and future development of the biomimetic adhesive mechanics are proposed and prospected.%本文针对壁虎粘附系统最小单元的真实形状, 类似于有限尺寸纳米薄膜的铲状纤维, 综述了对其微观粘附力学机制主要影响因素的多个研究, 主要考虑了有限尺寸纳米薄膜长度、厚度、撕脱角等对撕脱力的影响; 物体表面粗糙度以及环境湿度等对粘附的影响因素; 包括实验、理论及数值模拟的研究及结果比较. 最后给出仿生粘附力学方向仍然存在的主要科学问题及进一步的研究展望.【期刊名称】《力学进展》【年(卷),期】2012(042)003【总页数】12页(P282-293)【关键词】壁虎,;铲状纤维,;微观粘附机制,;仿生,;有限尺寸纳米薄膜【作者】陈少华;志龙【作者单位】中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室,北京100190;中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室,北京100190【正文语种】中文【中图分类】TB391 引言自然界一类生物,如壁虎、蜘蛛、蚱蜢、蚂蚁、苍蝇等,不但能在垂直的墙壁上停留和爬行,而且能在天花板上运动自如.这种超强粘附爬行的能力引起了人们广泛的研究兴趣,其中壁虎由于体重较大成为仿生粘附研究的主要对象.早在公元前4世纪亚里士多德就观察到“壁虎甚至能够头部向下也可以在树上自由地上下爬行”[1].一直以来,人们对壁虎等生物飞檐走壁的秘诀众说纷纭.近年来由于实验仪器的精度和分辨率大大提高,能够清楚地观察到微米甚至纳米尺寸的结构图像,壁虎等生物的粘附力学原理才真正被揭开.壁虎的粘附系统是一种多分级、多纤维状表面的结构,壁虎的每个脚趾生有数百万根细小刚毛,每根刚毛的尺寸约为 30∼130µm,刚毛的末端又分叉形成数百根更细小的铲状绒毛,每根绒毛长度及宽度方向的尺寸约为200 nm,厚度约为5 nm,如图1所示[2].美国科学家Autumn等[1,3]通过实验研究发现,壁虎超强的粘附能力主要来源于脚部大量微纳米刚毛与物体表面间的分子吸引力,即范德华力.范德华力是中性分子间一种微弱的电磁引力,壁虎脚部无数刚毛与固体表面间范德华力的累积形成超强的粘附力,足以支撑其体重.随后的实验研究进一步发现,环境湿度对壁虎粘附力亦有重要的影响[4-5],粘附力将随着环境相对湿度的增加而提高.多分级、多纤维粘附系统确保了壁虎具有超强的粘附力,而壁虎在捕食和逃跑的过程中不仅需要很强的粘附能力,而且需要轻松地脱黏,如何实现粘附和脱黏的快速交替也是仿生研究关注的重要科学问题之一.Chen和 Gao[6]注意到壁虎多分级粘附系统类似于纤维斜向排列的复合材料,具有一定的材料各向异性,据此建立了各向异性材料粘附接触模型,分析结果表明:沿着纤维排列方向拉伸时,界面粘附强度达到最大,而偏离该方向拉伸,界面的粘附强度急剧减小,且最大粘附强度能够超过最小粘附强度一个数量级,从理论上揭示了壁虎利用材料各向异性实现与固体表面间粘附强度受方向控制的宏观可逆粘附机制:改变施力方向可以实现很强的粘附和轻松的脱黏,这个结果与Yao和Gao[7]的数值分析结果一致.该宏观粘附机制随后得到了相应的实验验证[8-10].然而,壁虎粘附系统与固体表面接触的真实微观粘附依赖于系统末端数以百千万个纳米铲状纤维的粘附行为,每根铲状纤维类似于有限尺寸的纳米薄膜.其微观粘附机制的揭示对超强粘附表面和仿生爬壁机器人粘附系统的设计具有重要的作用.壁虎如何通过纳米铲状纤维实现微观的粘附和脱黏的交替?如何克服表面粗糙度,在不同粗糙度的表面实现鲁棒性粘附?环境湿度又是如何影响壁虎纳米铲状纤维的粘附力,为什么动物园管理人员向墙壁喷撒水雾时壁虎就被轻松地清除呢?另外,壁虎粘附系统最小铲状纤维是自然界优胜劣汰和长时间进化形成的结果,其结构尺寸对粘附性能是否具有重要的影响?对此类生物粘附机制的研究,一方面可以为超强仿生粘附材料、微型仿生爬壁机器人粘附系统的设计探索新的仿生设计概念和新的设计思想,另一方面亦可以为解决微纳机电系统中重要的粘附失效问题提供新的解决方法,同时发展表面/界面力学. 本文就上面提出的几个针对壁虎微观粘附机制的科学问题,以壁虎最小粘附铲状纤维为研究对象,主要介绍了当前国内外对以上几个科学问题的最新研究进展,包括实验、理论和数值模拟工作,重点介绍了作者等人最近获得的研究结果.最后为进一步深入研究壁虎等生物粘附机制提出了展望.图1 壁虎多分级粘附系统[2]2 微观粘附机制的实验及仿生实验研究2000年美国科学家Autumn等[3]利用装有双轴压阻悬臂的微机电系统测量了壁虎单根刚毛的粘附力(图2(a)),首次利用微观实验测量了壁虎粘附力.结果表明壁虎刚毛在基底上滑移5µm的距离后,切向粘附力达到最大值为(194±25)µN(图2b),该粘附力约为由壁虎体重估算得到的刚毛最大粘附力的10倍.如果壁虎所有刚毛同时达到最大粘附力,壁虎一只脚就能承受约100 N的重量,而典型的壁虎体重仅仅为几十克到一百克,安全系数达100左右.2005年德国科学家Huber等[11]通过原子力显微镜测量了壁虎单根铲状绒毛的粘附力.为了获得单根铲状绒毛,首先将从壁虎脚切下的单根刚毛粘在原子力显微镜的微悬臂上,然后利用聚焦离子束显微镜将铲状绒毛逐渐从刚毛上切掉,每根刚毛末端的绒毛的数量不超过5根,最后将带有铲状绒毛的原子力显微镜与基底接触,测量其粘附力(图2(c)).图2(d)为实验测量的力—位移曲线,第一类曲线(type 1)表示只有一根铲状绒毛从基底上拉脱,并且单根铲状绒毛的粘附力约为10 nN；第二类曲线(type 2)表示刚毛端部的两根铲状绒毛同时从基底上拉脱,粘附力为单根铲状绒毛的两倍；第三类曲线(type 3)表示两根铲状绒毛相继从基底上拉脱.研究壁虎粘附系统的微观结构,揭示微观粘附力机制对仿生粘附进行系统地设计具有很大的帮助.Geim等 [12]仿照壁虎脚的毛发结构,以电子光束微影和氧离子干刻蚀法在5µm厚的聚酰亚胺薄膜上制备长2µm,直径为 500 nm的高弹聚酰亚胺纤维阵列,当预压力为50 N·cm−2时,单根粘附纤维能提供约 70 nN的粘附力,每平方厘米面积可负重 3 N.Yao等 [8]受壁虎粘附能力的启发,利用具有倾斜贯通孔的Te flon模具制备了PDMS仿生纤维阵列,然后在PDMS纤维阵列上面覆盖一层125µm厚的PDMS薄膜,该结构的粘附性能和没有PDMS薄膜的纤维阵列相比有明显的提高.目前仿生粘附实验研究主要将粘附纤维顶端制备成平压头或圆压头[12-19],尽管这种结构在很大程度上增强了粘附性能,但却无法像壁虎那样主动控制粘附和脱黏状态,一旦粘附则很难脱黏.原因主要是壁虎最小粘附单元真实的形状类似于铲状纤维,是一种撕脱而不是拉脱行为.铲状纤维的撕脱行为对壁虎可逆粘附的实现非常重要.Pesika等[20]通过实验研究了无限长薄膜撕脱行为,发现撕脱区(peel zone)的尺寸受撕脱角的影响,在测量撕脱力随撕脱角度的变化规律时,发现存在一个临界撕脱角θ0,当撕脱角θ大于θ0时,撕脱区的形状和尺寸保持不变,此时法向分量的粘附力也保持不变；当撕脱角θ小于θ0时,撕脱区的形状和尺寸随着撕脱角的变化而变化 (图 3(a)所示).将这种模型应用分析壁虎的粘附,预测到当撕脱角为18.4°时薄膜的粘附力与实验测量的真实壁虎铲状绒毛粘附力大小一致.Qu等[21]利用化学气相沉积法,在硅基底上生长出竖直排列的多壁碳纳米管阵列,并研究了其粘附性能.碳纳米管由竖直部分及端部的弯曲部分组成,分别用来仿生壁虎脚部刚毛和铲状绒毛.当碳纳米管阵列与基底接触时,弯曲部分与基底表面的线接触有效地增大了接触面积,并且在切向力的作用下,取向基本一致 (图 4(d)和 4(e)),类似于壁虎铲状绒毛与基底的接触.为了测量该结构粘附力,取4 mm×4 mm大小的碳纳米管集簇与玻璃基底接触(图4(a)示),碳纳米管的直径约为10∼15 nm,长度约为150µm,密度约为 1010∼1011cm−2.该样品能牢牢吊起一本重为1.480 kg的书,切向粘附力约为90.7 N·cm−2,达到壁虎粘附力的10倍;而法向粘附力随着碳纳米管的长度的变化由10 N仅增大到20 N且远小于切向粘附力,并且总粘附力随着拉脱角的变化而变化.图2 (a)单根刚毛和微机电系统的悬臂接触;(b)受15µN预压力时的单根刚毛与表面接触时的最大切向力随时间的变化.[3];(c)实验测量单根铲状绒毛粘附力的示意图;(d)铲状绒毛典型的力—位移曲线[11]图3 (a)撕脱区示意图;(b)薄膜在90°撕脱角时的撕脱区图像;(c)撕脱力随撕脱角变化的实验和理论结果对比[20]图4 (a)重量为1.480 kg书被表面生长有竖直分布的多壁碳纳米管的硅片吊起;(b)和(c)不同放大倍数下的碳纳米管阵列的扫描电镜图;(d)碳纳米管阵列粘附在玻璃表面上;(e)切向力使碳管阵列与基底接触部分变得有序[21]美国麻省理工学院Mahdavi等[22]受壁虎粘附的启发,利用生物相容和生物可降解材料制备了一种仿生医用绷带,如图 5所示.实验表明这种绷带即使在动物新鲜肠壁上的粘附力也能达到4.8 N·cm−2.为了进一步验证绷带粘附性能的可靠性,将绷带黏贴于活的小白鼠腹部,其粘附力仍能达到0.8 N·cm−2.研究者们希望这种医用绷带将来能够在伤口急救和外科手术中作为一种特殊的缝合线使用,使用非常方便,可大大减少救治的步骤,但目前该研究尚处在实验室阶段,要想在医学上广泛应用还需要克服很多难题,因为它的粘附力还达不到临床上使用的要求,这有待进一步研究.图5 受壁虎启发的医用绷带[22]3 仿生薄膜撕脱的理论模型为了揭示壁虎微观粘附机制,已经发展了多个仿生薄膜撕脱的理论模型 [2,23-24],模拟壁虎最小粘附单元的撕脱行为.其中,经典的Kendall模型引起了科研者的进一步关注.Kendall[23]从能量平衡角度得到了无限长弹性薄膜从刚性基底上撕脱时,撕脱力与撕脱角的变化关系其中,P为撕脱力,θ为撕脱角,Δγ为粘附能,E是薄膜的弹性模量,b和h分别为薄膜的宽度和厚度.由于壁虎最小粘附纤维类似于有限尺寸的薄膜,Chen等 [25]用Kendall模型分析了壁虎铲状纤维从基底上撕脱过程,粘附力随撕脱角的增大而减小,撕脱角为0°时粘附力最大;而当撕脱角为90°时粘附力达到最小,因此,该模型能在一定程度上从微观角度揭示壁虎可逆粘附行为.Pesika等[20]提出了一个以撕脱区为特征的薄膜撕脱理论模型,该模型在Kendall模型的基础上增加了一个依赖撕脱角的乘子,分析了撕脱区的尺寸和形状随撕脱角的变化,并用相应的实验验证了该理论(图3(b)和3(c)).Chen等[26]分析了预拉力对薄膜粘附行为的影响,发现当撕脱角较小时薄膜内的预拉力能增强其粘附力;当撕脱角较大时,预拉力的存在可减弱粘附力,并且存在一个临界预拉力使薄膜与基底自发脱黏.Varenberg等 [27]分析了薄膜撕脱的接触细化模型,将一个大尺度薄膜分成多个自相似小尺度薄膜,每一个小薄膜的粘附力可通过Kendall模型得到,总粘附力为所有小薄膜粘附力的总和(图6示).图6 薄膜接触的细化模型[27]图7 法向粘附力FvdW、切向粘附力Ff、总粘附力F(θ)以及最大摩擦力随撕脱角的变化关系[2]图8 (a)有限尺寸薄膜撕脱模型；(b)在不同撕脱角下,撕脱力随着粘附长度的变化关系;(c)撕脱角对总撕脱力以及法向和切向分量粘附力的影响.[24]Kendall模型主要用于分析无限长薄膜与基底的撕脱行为,而壁虎的铲状粘附纤维更类似于有限长尺寸的薄膜.Tian等 [2]提出一种摩擦粘附撕脱模型,利用力平衡条件,求解了有限尺寸薄膜的撕脱力与撕脱角的关系 (图 7示),但在该模型中直接运用了实验中测量得到的壁虎铲状纤维的真实长度尺寸,并未考虑薄膜粘附长度对粘附力的影响.且由图 7知,当撕脱角趋于0°时,该模型预测的粘附力趋于无穷大,和壁虎真实粘附情况不符.Chen等[24]用数值和理论方法分别建立了有限尺寸薄膜的粘附撕脱模型,分析了薄膜的有限粘附尺寸对纳米薄膜撕脱力的影响 (图8(a)).图 8(b)给出了撕脱角分别为0°,30°,90°时,撕脱力与粘附长度的关系.当撕脱角一定时,撕脱力先随粘附长度的增加而增大,当粘附长度达到一定的临界值时,撕脱力趋于一个稳定值,且粘附长度的临界值随撕脱角的增大而减小.当撕脱角为0°时,撕脱力达到最大时,对应的粘附长度临界值为 25 nm左右,该值远小于壁虎铲状绒毛的真实尺寸 (约200 nm).可见,壁虎铲状纤维不仅能适应各种表面而且始终能保证粘附力最大.撕脱角对撕脱力的影响如图 8(c)所示,随着撕脱角的增大,撕脱力逐渐减小,切向力由最大值逐渐减小到零,法向力由零逐渐趋于一个近似的常数值.当撕脱角较小时,撕脱力主要由切向力贡献,当撕脱角较大时撕脱力主要由法向力贡献,与Tian等[2]理论分析一致.这两种极限情况分别对应于壁虎停留在垂直墙壁(0°)和天花板(90°)的情况,可以解释壁虎更多的时间停留倾斜墙壁而非天花板上的缘故[2].4 表面粗糙度对铲状纤维粘附的影响自然界中不存在绝对光滑的表面,任何表面都存在不同程度的粗糙度,表面粗糙度对界面粘附性能有重要的影响[28−36]. Persson 和Tasatti[30],Persson和Gorb[31]以及Palasantzas和De Hosson[32-33]研究了任意表面粗糙度对无线长薄膜粘附行为的影响.当弹性薄膜和粗糙基底接触时,总能量包含了两部分:薄膜内的弹性能Uel和界面能ΔγA,他们引入一个等效界面能表示薄膜与粗糙基底的粘附能力,ΔγeffA0=ΔγA−Uel,A0是表观接触面积,A是实际接触面积,Δγ表示薄膜与光滑平表面之间的粘附能.当界面能ΔγA大于薄膜内的弯曲弹性能 Uel时,弹性薄膜能自发地发生弯曲变形与粗糙基底接触.对于无限长薄膜与粗糙基底接触,总粘附力随着粗糙度的增加呈现单调减小或者先增加后减小的趋势[30-32]. 而 Huber等[37]测量了壁虎单根铲状绒毛和活体壁虎在不同粗糙基底上的粘附力,发现壁虎粘附力随着粗糙度的增加呈现先减小后增大的趋势,当基底粗糙度功率普 (RMS)在100∼300 nm时,粘附力显著降低 (图 9示),该尺寸与壁虎铲状纤维的尺寸相近.此外,Gorb[38]和 Peressadko和Gorb[39]分别测量了甲虫和苍蝇在不同粗糙基底上的粘附力,同样发现一定范围的表面粗糙度 (RMS 0.3∼ 1µm)可降低粘附力. 因此,无限长薄膜与粗糙基底接触的理论模型无法解释实验中发现的表面粗糙度使壁虎等生物粘附力减小的现象.Peng和 Chen[40]建立了有限长度的弹性薄膜与粗糙基底完全接触的二维理论模型.基底粗糙度不失一般性地用余弦函数表示,y=a−a coskx,a为粗糙度的幅值,k=2π/λ为波数,λ为波长.根据薄膜的长度和粗糙度的幅值以及波长的关系,有图 10所示的几种接触形式.图 11表示等效粘附能随着粗糙度的增加而变化的关系.已有结论表明 [40],粘附力随着等效粘附能的增加基本成线性单调增加的关系,因此分析等效粘附能随粗糙度的变化能合理地表示粗糙度对粘附力的影响.当薄膜长度大于粗糙度的波长时,粘附力随着粗糙度的增加单调减小;当薄膜长度小于粗糙度波长时,粘附力随着粗糙度的增加呈现先减小后增加的趋势,这个结论与 Huber等[37]实验现象定性一致.图9 粗糙度对壁虎粘附力影响的实验结果[37]图10 有限尺寸薄膜与正弦分布的粗糙基底接触.(a)薄膜长度b大于粗糙度的波长λ;(b)和(d)薄膜长度b小于粗糙度的波长λ,但粗糙度的振幅增大[40]图11 在不同波长λ时,无量纲的等效粘附能Δγeff/Δγ与粗糙度a/λ的关系[40] 5 环境湿度对仿生薄膜粘附的影响尽管实验证实壁虎的粘附原理主要是分子间的范德华力[1,3],但环境的相对湿度对其粘性能附亦有重要的影响[4-5].Huber等[4]实验发现壁虎粘附力随着相对湿度的增加而增大(图12),并且发现即使相对湿度达到 88%,基底上吸附的水膜厚度也仅为0.2 nm左右,该厚度近似为单分子层厚度的水膜.DelRio等 [41]在研究毛细力引起微机电系统失效时同样发现,即使当相对湿度超过70%时,基底上水膜的厚度也仅仅为一到两层水分子的厚度.Peng和 Chen[42]建立了相应的理论模型,分析了相对湿度和基底上的水滴对有限尺寸的仿生纳米薄膜粘附力的影响.假设当相对湿度小于90%时,基底上吸附单分子厚度的水膜,当薄膜与基底间通过单分子层厚度的水膜接触时,必须考虑水分子与固体表面间的分离压力,分离压力随着水膜厚度的增加而减小,当水膜很薄时,分离压力非常强[43-45].由于水膜仅为单层水分子厚度,该距离仍然在两固体表面范德华力有效作用距离之内.因此,总粘附力由分离压力和两固体表面间的范德华力两部分组成其中,ρ为水膜的覆盖率,与相对湿度相关;D为两固体表面间的距离,A为 Hamaker 常数,b1和b2分别为薄膜的长度和宽度.最终研究发现总粘附力随着相对湿度的增加而增加(图13所示),该结论与相对湿度对壁虎粘附力影响的实验现象定性一致. 图12 相对湿度对壁虎粘附力影响的实验结果[4]图13 相对湿度对薄膜粘附力影响的理论结果[42]当相对湿度大于 90%时,基底上水膜逐渐增厚,最终凝聚成水滴 (如图 14所示).当薄膜与水滴接触时,由于水滴表面张力的作用,薄膜很容易发生弯曲变形将水滴包裹起来 [46-47].由能量平衡可以获得液滴自包裹的条件——弹性毛细长度 [47]即当液滴半径 R大于 REC时,表面力所做的功大于弯曲能,薄膜能将液滴完全包裹 (图15(a));当水滴的半径 R小于 REC时,表面能不足以克服薄膜将水滴完全包裹的弯曲能,因此,薄膜与水滴间将发生半包裹现象 (图 15(a)).对于完全包裹和半包裹两种情况,总粘附力由水滴引起的毛细力和水滴之外的范德华力两部分组成[42].图15(b)和(d)分别表示毛细力、范德华力以及总粘附力随水滴体积的变化规律.结果表明,液滴产生的毛细力表现为斥力,并且其绝对值随液体体积的增大而增大；范德华力随着液滴体积的增大而减小;毛细力和范德华力的共同作用使总粘附力随着液滴体积的增大而逐渐减小,当水滴体积增大到一定值时,总粘附力减小到零.该结论则可以解释动物学家熟知的一个现象:当壁虎停留在墙壁上时,如果往墙壁上喷撒水雾,壁虎便无法粘附在墙壁上[5].图14 基底上水膜逐渐转变为水滴的示意图[42]图15 薄膜通过水滴与基底接触模型及理论分析结果.(a)半包裹和全包裹示意图;(b)和(d)毛细力、范德华力以及总粘附力随水滴体积的变化规律[42]6 仿生纳米薄膜厚度对粘附的影响生物粘附系统经过长期的演化实现了一种自下而上设计的多分级粘附结构,其基本组成单元一般在亚微米或纳米尺度,特别是壁虎粘附系统,其末端最小铲状纤维粘附长度和宽度约为200 nm,厚度约为5 nm,如此精细的结构亦是大自然的最优设计.Gao等 [48]和 Chen等[49]将壁虎绒毛看作柱状纤维分别研究了柱状纤维在拉伸和扭转载荷下的尺寸效应.结果表明,在拉伸载荷下,当柱状纤维的半径减小到约为225 nm时,接触区的应力达到均匀的理论强度分布 (图 16所示),称为缺陷不敏感现象,并且该尺寸与壁虎绒毛尺寸相当;而在扭转载荷下,缺陷不敏感尺寸远小于拉伸载荷作用下的临界尺寸,从而解释了壁虎在拉伸状态的超强粘附和扭转载荷下的轻松脱黏现象.然而,壁虎最小粘附单元的真实形状为铲状纤维而非柱状结构,Peng等[24]从数值模拟的角度分析了有限尺寸薄膜的粘附行为,发现对于薄膜撕脱模型,缺陷不敏感的尺寸随撕脱角的变化而变化,在撕脱角为0°时,临界尺寸最大约为25 nm,并且该临界值随着撕脱角的增大而减小(图8(b)),且远小于柱状纤维的临界尺寸.图16 柱状纤维在拉伸载荷下的尺寸效应[48-49]另一方面,壁虎铲状绒毛厚度约为 5 nm,铲状绒毛的厚度是不是生物经过长期进化的最优选择?Peng和Chen[40]理论分析了有限尺寸薄膜厚度对粘附的影响(图17(a)和17(b)所示).假设两个分子间的作用力用Lennard-Jones势表示其中,ε是势阱的深度,σ是确定平衡位置的参数,r是两原子间的距离.因此,薄膜与基底间的粘附力可通过薄膜和基底内所有分子间作用力的积分得到图17 (a)单个分子与半无限基底接触;(b)厚度为h的薄膜与半无限基底接触;(c)粘附力随薄膜厚度的变化关系[40]其中,D为薄膜与基底间的距离,h为薄膜的厚度,A为薄膜的横截面积,ρ1和ρ2分别为薄膜和基底内的分子密度.图17(c)表示粘附力随薄膜厚度的变化关系,结果表明,当粘附力达到最大值时,薄膜厚度约为5 nm,该尺寸与壁虎铲状绒毛的厚度尺寸一致.另外,壁虎绒毛还必须有足够的强度来够承受其体重,壁虎典型的体重约为几十克,如果我们假设壁虎体重上限为100 g,脚掌上所有绒毛均匀承受体重,考虑到壁虎脚掌上铲状绒毛的数量和几何尺寸,壁虎一只脚承受其体重所需绒毛的最小厚度为2.5 nm.因此,壁虎铲状绒毛 5 nm的厚度,不仅有足够的强度承受其体重,而且能保证粘附力达到最大值,亦能保证与粗糙表面间的粘附力[40].7 结论与展望生物在长期的生命演化与协作过程中形成的卓有成效的能力为人类社会的发展提供了许多灵感,人类可以在生物和大自然中寻找、学习和模仿,从中找出解决目前人类科技发展所面临的诸多问题的方法.正因为如此,生物力学和仿生力学在国际上得到迅速的发展.对生物粘附的研究随着近年来科技的发展,特别是纳米科技、纳米制造技术的日趋成熟,人工仿生生物粘附系统的结构越来越精细,粘附效果也越来越强.国内外很多学者分析比较了不同粘附纤维形状对粘附力的影响 [50-54],发现具有薄膜。
仿生壁虎胶带的制备方法[发明专利]
![仿生壁虎胶带的制备方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/5fdd0e9da417866fb94a8edc.png)
专利名称：仿生壁虎胶带的制备方法
专利类型：发明专利
发明人：刘宇艳,张恩爽,王友善,吕通,谭惠丰申请号：CN201310591690.8
申请日：20131122
公开号：CN103589361A
公开日：
20140219
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：仿生壁虎复合微阵列的制备方法，涉及一种仿壁虎脚刚毛的制备方法。
本发明的仿壁虎结构复合微阵列的制备方法步骤如下：（1）采用阳极法原位电化学刻蚀制备Cu（OH）微阵列；（2）将上述制备的Cu（OH）微阵列浸渍在PDMS的三氯甲烷溶液中，取出后经固化得到
Cu（OH）/PDMS复合微阵列。
本发明的仿壁虎脚刚毛的制备方法操作简单，实验参数可控，成本低，可用于制造一种弹性硅橡胶包覆的Cu（OH）仿壁虎脚微阵列。
本发明采用原位电化学刻蚀法结合浸渍法制备的Cu（OH）硅橡胶弹性体复合微阵列，其仿壁虎脚纳米阵列的面积为0.1-5cm，直径为50nm-10μm，高度为0.1-20μm。
申请人：哈尔滨工业大学
地址：150000 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大直街92号
国籍：CN
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仿生壁虎脚趾粘附功能的建模及分析
仿生壁虎脚趾粘附功能的建模及分析作者：代家宝来源：《中国科技纵横》2017年第13期摘要：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表面实现分子接触。
相对于传统的人工粘附材料，壁虎脚趾的特殊阵列微结构使其兼具超强粘附以及随时脱粘的能力。
根据壁虎脚趾的生理构造，本文建立了壁虎脚趾产生粘附力的力学模型。
基于理论模型和实例分析，本文进一步给出了仿生壁虎脚趾实现增加或降低粘附力的方法。
最后，深入探讨了仿生壁虎脚趾材料设计中需要注意的事项。
关键词：壁虎脚趾；粘附；阵列微结构；刚毛；粗糙表面中图分类号：Q958 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）13-0086-011 概述经过千百万年的优胜劣汰，自然界中的生物进化获得了高超的能力去适应环境并改造环境。
因此，人们可以将生物功能产生的机理学以致用，从而提高科学研究以及工业活动的效率。
壁虎是一种常见的爬行动物，它具有超强粘附能力的脚趾，可以使得壁虎在任意倾角和材质的表面上自如地爬行[1]。
由于人们在日常的生产实践中会经常用到粘附功能材料，研究清楚壁虎脚趾的工作机理可为人类相关材料的设计提供重要的思路。
如果采用扫描电子显微镜观察壁虎脚趾的表面，我们可以发现大量的刚毛簇。
研究发现，单根壁虎脚趾上刚毛的数量可达两百万根，每根刚毛的直径约为5μm，长度约为30至130μm。
此外，每根刚毛的顶端还会细分为100至1000根更小的刚毛。
由于刚毛形成的结构非常精细，其端部可以非常靠近物体的表面，从而刚毛和物体表面之间可以产生范德华吸引力。
经过计算，如果所有的刚毛都能有效接触物体表面，则一根脚趾产生的吸引力就足以吊起整只壁虎的体重[2]。
为了实现正常的行走，除了超强的粘附能力外，壁虎脚趾还具备随时脱粘的能力，这是胶水、胶带等传统粘附材料所无法做到的。
由于壁虎脚趾具有大量的优点，随着技术的进步，已有一些仿生壁虎脚趾材料被设计与制备出来[3]。
聚氨酯蘑菇状仿生微纤维的混合黏附破坏分析
聚氨酯蘑菇状仿生微纤维的混合黏附破坏分析鲁雯雨;宁志华;彭焘;陈海燕;金延【期刊名称】《材料导报》【年(卷),期】2024(38)10【摘要】在仿生学领域壁虎因具有优越的攀爬能力而被广泛研究。
为对壁虎仿生微结构的垂直攀爬功能进行设计,本工作对壁虎仿生微纤维与垂直表面之间的黏附机制进行了深入研究。
采用双线性内聚力模型对聚氨酯(PU)蘑菇状仿生微纤维与刚性基体之间的界面黏附行为进行研究。
运用压缩+剪切、剪切加载、拉伸+剪切分别模拟壁虎足部的附着、滑移及分离等爬行动作,探讨壁虎爬行过程中的黏附破坏机理。
结果表明,在剪切加载、拉伸+剪切混合加载下,界面均发生法向和切向的混合黏附破坏;在压缩+剪切混合加载下,界面发生切向脱黏或混合黏附破坏取决于压缩载荷的大小。
法向载荷通过改变微纤维与基体的接触面积来实现对切向黏附承载力的调控。
斜向加载下界面的黏附承载力与载荷倾角有关,对于所选用的聚氨酯蘑菇状仿生微纤维,当斜向压力的倾角小于52°时,界面的切向黏附承载力随着斜向压力倾角的增大而增大;最优的斜向拉力方向为17°,沿该方向可用最小的拉力实现界面的脱黏。
【总页数】7页(P248-254)【作者】鲁雯雨;宁志华;彭焘;陈海燕;金延【作者单位】暨南大学力学与建筑工程学院,“重大工程灾害与控制”教育部重点实验室;沈阳市建设工程质量监督站【正文语种】中文【中图分类】Q692【相关文献】1.棒状纳米纤维素仿生矿化及光谱分析2.短纤维增强复合材料的仿生模型──Ⅲ．脆性基体复合材料中哑铃状纤维的强化作用3.短纤维增强复合材料的仿生模型──Ⅰ哑铃状短纤维增强复合材料的应力分析4.基于PDMS的蘑菇状仿生黏附微阵列新型制造方法5.胃肠微环境下吻合钉仿生表面对细菌黏附的微流场仿真因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
仿壁虎脚掌微观结构及应用研究
仿壁虎脚掌微观结构及应用研究
带式输送机是以输送带兼作牵引机构和承载机构的连续输送机械。
输送带打滑是带式输送机最主要的失效形式之一,解决不好不仅影响生产,增加运行成本,严重时还可能引发矿井火灾和爆炸等重大事故。
增加滚筒与输送带之间的摩擦力是解决输送带打滑的最有效的方法之一。
在自然界中,壁虎以其强大的粘附能力引起了我们的注意。
科学家研究发现,壁虎脚掌的粘附力是由壁虎脚掌的刚毛与接触表面分子间产生的范德华力累计而成的。
壁虎脚趾的精细粘附结构除了具有粘附力大的特点外,还具有为未知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,对滚筒包覆表面的设计具有重要的借鉴作用。
本文从建模仿真、参数设计、结构设计、实验等四个方面对仿壁虎粘附阵列进行研究。
首先对壁虎的粘附及脱离机理进行研究。
建立壁虎单根刚毛、刚毛阵列分别与光滑、粗糙表面间的数学模型,计算并仿真出壁虎刚毛与表面间粘附力与间距、预压力、定位夹角之间的关系。
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,针对刚毛的强度、刚度、稳定性以及防聚结要求进行参数设计;然后将环境因素作为约束条件,对结构参数做进一步的修正。
然后针对不同刚毛顶端形状进行结构设计,分析比较不同刚毛顶端形状粘附性能的差异。
最后通过仿壁虎微纳米刚毛阵列结构在传动滚筒表面的应用进行了研究,包括材料的选取、阵列的加工、滚筒的制备和有限元分析,验证了仿壁虎结构对滚筒改进的指导意义。
仿壁虎 爬壁机器人 柔性机器人 柔性脚掌 外翻 展平 单片机
仿壁虎论文：柔性仿壁虎机器人的研究【中文摘要】生物壁虎能够在光滑竖直的壁面上自如行走,在紧急情况下能够贴在天花板上快速移动。
壁虎的脚掌通过外翻和内收完成与壁面的脱离和黏附。
通过模仿壁虎的灵活运动和黏附方式,研制一种柔性仿壁虎机器人,该机器人在环境适应性方面具有更高的实用价值。
本文首先详细介绍了仿壁虎爬壁机器人的研究现状,进而阐述柔性仿壁虎机器人研究的意义和内容。
通过对壁生理特点和运动方式的大量调研,提出柔性仿壁虎机器人的总体方案设计。
在总体方案设计的基础上,设计了基于一条边长可变四边形驱动的机器人本体结构。
对该结构进行了自由度计算,通过对关节结构的改进,避免了机器人在运动过程中黏附阵列与接触面之间产生较大的切向力。
对机器人本体的驱动关节进行了受力仿真,为机器人选择了驱动器。
利用三维快速打印成型技术加工了机器人本体。
接着根据壁虎脚掌的外翻和内收特点,设计并研制了具有柔性的可采用仿壁虎微纳米粘附阵列材料的仿壁虎柔性脚掌。
对该脚掌进行了力学分析与计算。
仿壁虎柔性脚掌采用伺服舵机作为脚掌外翻和展平的驱动器。
采用单片机对伺服舵机控制,实现脚掌的外翻和展平。
制作了柔性脚掌系统并对其进行了黏附和脱离实验。
最后,为柔性仿壁虎机器人设计了对角线步态,将所建...【英文摘要】Gecko can climb freely on smooth vertical wall, and it even can quickly move on the ceiling in an emergency.Gecko can control pad’s abduction and adduction to finish detachment and adhesion. To design the compliant gecko inspired robot which is more useful in an unknown environment, we simulate gecko’s style of movement and adhesion.Firstly, the status of research on gecko robot is introduced and analyzed in detail, and then explain the research significance and content of the compliant gecko inspired ...【关键词】仿壁虎爬壁机器人柔性机器人柔性脚掌外翻展平单片机【英文关键词】gecko inspired climbing robot compliant robot compliant foot bend flat single chip microcomputer 【索购全文】联系Q1：138113721 Q2：139938848【目录】柔性仿壁虎机器人的研究摘要4-5Abstract5第1章绪论14-21 1.1 引言14 1.2 仿壁虎机器人的研究现状14-19 1.3 本文的研究意义及课题来源19 1.4 本文的主要研究内容19-21第二章柔性仿壁虎机器人总体设计21-24 2.1 机器人系统方案设计21-23 2.1.1 黏附方案的选择21-22 2.1.2 移动方案的选择22 2.1.3 机器人驱动器方案的选择22-23 2.2 本章小结23-24第3章柔性仿壁虎机器人结构设计24-38 3.1 机器人本体设计24-28 3.1.1 本体结构设计24-25 3.1.2 机器人原理分析25-28 3.2 机器人的建模及受力分析28-33 3.2.1 机器人整体建模28-29 3.2.2 机器人驱动关节受力仿真29-33 3.3 机器人驱动舵机型号的选择33 3.4 机器人本体制备33-37 3.4.1 机器人加工方法的选择34 3.4.2 机器人本体的加工34-37 3.5 本章小结37-38第4章柔性仿壁虎机器人脚掌系统设计38-51 4.1 生物壁虎脚掌原型研究38-40 4.2 仿壁虎柔性脚掌设计40-42 4.2.1 脚掌系统设计40-41 4.2.2 脚掌结构设计41-42 4.3 仿壁虎柔性脚掌的驱动42-45 4.3.1 传动机构设计42-44 4.3.2 驱动机构设计44-45 4.4 仿壁虎柔性脚掌受力分析45-47 4.4.1 脚掌外翻受力分析45-46 4.4.2 脚掌黏附过程受力分析46-47 4.4.3 伺服舵机的选择及受力分析47 4.5 仿壁虎柔性脚掌的制备47-48 4.6 柔性脚掌外翻及展平实验48-50 4.7 本章小结50-51第5章柔性仿壁虎机器人控制系统设计51-69 5.1 机器人行走的步态规划51-53 5.2 机器人步行步态的仿真53-58 5.2.1 仿真软件介绍53-54 5.2.2 机器人爬行仿真工作环境设置54-56 5.2.3 机器人爬行仿真56-58 5.3 机器人控制系统硬件设计58-61 5.4 机器人控制系统软件设计61-63 5.4.1 伺服舵机及控制的介绍61-62 5.4.2 软件设计62-63 5.5 机器人实验和分析63-68 5.5.1 爬行实验63-68 5.6 本章小结68-69第6章总结与展望69-71 6.1 本文的主要工作69 6.2 本文的主要创新点69-70 6.3 工作展望70-71参考文献71-74致谢74。
碳纳米管仿生壁虎脚
项 研 究 的还 有 夏 振 海 教 授 和 摩 雷 斯 通 博
士 。王 中林 指 出 ， 这一 新 研 究开 启 了 纳米 “ 仿生 领域 的新篇 章 。 ” 壁虎是 一 种 攀爬 型 动 物 ， 攀爬 极 平 能
滑与 垂直 的表 面 ， 比如越 过 光 滑 的天 花 板 。
王 中林 介 绍 说 ， 纳 米 管 是 由 纯 碳 原 碳 子 组成 的 管状 结 构 材 料 ， 管径 大 小 约 为 头 发 直径 的万分 之 一 ， 因此 具 有 尺寸 小 、 量 重 轻 、 软灵活 、 械强度 高、 柔 机 电学 和 热 学 性 能优 异等 特点 。利 用低 压 化 学气 相 沉 积 方
光 学精 密 机械
是 将作 物 中的淀 粉 和糖转 换 为 乙醇 ， 玉米 、 甘 蔗等 淀粉 和糖 含量 丰 富 ， 因此 ， 为 发 展 成
２０ ０ ８年 第 ４期 （ 第 ｌ 总 ｌ期 ） １
维小 体分 解纤 维 素过 程 中 产生 的糖 在 转 变 为 乙醇方 面 一 分 理 想 ， 对 于利 用农 业 废 卜 这 料等 纤维 素丰 富 的有 机物 生 产 生物 燃 料 有
戴 黎 明和 王 中林 认 为 ， 种 新 型 的碳 这 纳米 管阵列 仿生 壁 虎脚 必 将在 许 多 领域 具
有 巨 大的应 用前 景 ， 括 航 空航 天 技 术 、 包 电
“ 有趣 的是 ， 更 这些 碳 纳米 管 阵列 仿生
壁 虎脚 对 接 触 物 表 面 没 有 什 么 特 殊 要 求 ， 不仅 能在玻 璃等 光滑 的物体 表 面产 生强 吸 附力 ， 而且 在 其 他 粗 糙 或 疏 水 物 体 的表 面 也 一样适 用 。 王 中林说 ， 如果 目前 的碳 纳 ” “ 米管 阵列尺寸 可 以扩大 ， 么手掌 大 （Ｏ厘 那 １
基于ADAMS的仿壁虎爬壁机器人的运动仿真
摘要 ： 为实现在不同环境 的壁面上 自由爬 行， 设计 了应用仿壁虎微纳米粘附阵列的爬壁机器人 ， 建立了机器人 的动力学模型
及足部 与壁面之间的接触模型 ， 并利用机械系统动力学软件 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ的仿真功能 ， 对机器人沿垂直壁 面爬行的运动特性进行
（ ．Ｉｓｔ ｅｏ ｔｌ ｅｔ ａｈｎｓ Ｃ ｉ ｓ ｃｄｍ ｆ ｃ ｎｅ ， ｆｉ Ｉｌ ３０ ，ｈｎ ； １ ｎｔｕ ｆｎｅ ｉ ｎ Ｍ ｃｉｅ ， ｈｎ ｅＡ ａｅ ｙｏ Ｓｉ ｃｓ Ｈｅ ｌｕ ２ ０３ Ｃ ｉ ｉ ｔ Ｉ ｌｇ ｅ ｅ ｅＡ ｌｉ １ ａ
２ ｎ ｅｓｙｏ ｃ ｎｅａｄＴｃ ｎｌ ｙｏ ｈ ａ Ｈ ｆｉ ｎｕ ３ ０ ６ Ｃ ｉａ ．Ｕ ｉ ｒｔ ｆ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ｆ ｉ ， ｅ ｈ ｉ ０ ２ ，ｈｎ ） ｖ ｉ Ｓｅ ｏ Ｃ ｎ ｅＡ ２
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第２卷 第９ ４ 期
文章编号 ：０６— ３ ８ ２ ０ ）９— １３— ４ １０ ９ ４ （０ ７ ０ ０ ３ ０
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２７ 月 ０ 年９ ０
基于 Ａ Ａ Ｄ ＭＳ的仿 壁 虎爬 壁机 器 人 的运 动仿 真
孙 丽红 ， 汪小华 梅 涛 吕晓庆 ， ， ’
ＫＥＹＷ ＯＲＤＳ： ｅ ｋ ｎ ｐ ｒ ｄ； ａｌ ｌ ｂｉｇ ｒ ｂ ｔ Ｓ ｍｕ ａ ｏ ； ｄ ｅ ｉｎ ａ ｒｙ Ｇ ｃ ｏ ｉｓ ｉ ｅ Ｗ ｌ —ｃ ｉ ｎ ｏ ｏ ； ｉ ｌｔ ｎ Ａ ｈ ｓｏ ｒａ ｍ ｉ
了仿 真。利用 Ａ Ａ Ｓ的后处理模块 的分析功能 ， ＤＭ 重点研究 了在一个运动周期 内 ， 模型整体质心 的位移 、 电机 转矩 以及足部 与壁 面之间的接触力 随时间的变化情况。仿 真结果表明该仿壁 虎爬壁机器人 能够 以约 ２ ｍ ／ 的速 度沿着垂直 的壁面平 ６ｍ ｓ 稳地运动 ， 不存在波动和偏离。这 为下一步研制仿壁虎爬壁机器人 的物理样 机提供 了理论指导 ， 也为其他仿 生机器人 的研 究提供了参考。 关键词 ： 仿壁虎； 爬壁机器人 ； 真 ； 仿 粘附阵列
仿壁虎脚掌刚毛结构的微纳米粘附性材料研究综述
仿壁虎脚掌刚毛结构的微纳米粘附性材料研究综述
陈姝君;张昊
【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2024()5
【摘要】在阐述壁虎脚掌刚毛的匙突纤维结构的基础上,根据国内近3年的相关文献,从仿生材料的制备方法、仿生材料的特性以及仿生材料的应用前景和待突破问题,综述仿壁虎脚掌刚毛结构的微纳米粘附性材料的研究进展。
仿壁虎脚掌刚毛结构的微纳米粘附性材料制备,目前大多数学者采用制造硅膜具然后进行倒模的方法,选用PDMS作为纳米级粘附性材料的主体,在综合考虑粘附性和制备成功率后,选取倒模模具形状,最后通过液态材料固化脱模,得到仿壁虎脚掌刚毛结构的微纳米粘附性材料。
仿生材料的特性测试,一般从仿刚毛阵列倾角与粘附力关系、碳纳米管的压力特性、刚毛直径对粘附力的影响、不同平面的刚毛粘附性差异这四个方面进行深入研究。
仿壁虎脚掌刚毛结构的微纳米粘附性材料,兼顾有脱附性和粘附性,从工业、科技再到日常生活等不同领域都有着十分广泛的用途。
在该材料的制备方法上,学界已经取得了突破性进展,但该材料尚未广泛应用于生活中,主要原因是成本高、不能量产、制备成功率低等。
材料的量产是未来仿壁虎脚掌刚毛结构的微纳米粘附性材料制备的重点研究方向。
【总页数】5页(P166-170)
【作者】陈姝君;张昊
【作者单位】西北工业大学
【正文语种】中文
【中图分类】TB383
【相关文献】
1.仿壁虎刚毛阵列的几何结构分析及制备
2.壁虎脚掌刚毛接触力学性能试验研究
3.仿壁虎柔性脚掌结构及控制系统的研究
4.仿壁虎微纳米粘附阵列研究进展
5.仿壁虎微纳米粘附阵列的工艺制作
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仿生机器人的研究综述仿生机器人的研究综述
仿生机器人的研究综述摘要:介绍了国内外仿生机器人的最新发展动态。
归纳和阐述了各种类型仿生机器人的特点及研究成果,分析了仿生机器人的发展趋势。
关键词:仿生机器人;研究成果;发展趋势机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。
然而人们对机器人的幻想与追求却已有3000多年的历史。
人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作。
西周时期,中国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人,这是中国最早记载的机器人,体现了中国劳动人民的聪明智慧。
1738年,法国天才技师杰克#戴#瓦克逊发明了一只机器鸭,它会嘎嘎叫,会游泳和喝水,还会进食和排泄。
瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。
1893年摩尔制造了/蒸汽人0,/蒸汽人0靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。
进入20世纪后,机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持,一些适用化的机器人相继问世,1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人/电报箱0,并在纽约举行的世界博览会上展出。
1959年第一台工业机器人(可编程、圆坐标)在美国诞生,开创了机器人发展的新纪元。
随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展,使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高,移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。
由于这些技术的发展,推动了机器人概念的延伸。
20世纪,将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人,这是一个概括的、含义广泛的概念。
这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用,而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间,地面机器人、微小型机器人、水下机器人、空中机器人等各种用途的机器人相继问世,许多梦想成为了现实。
仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。
仿生机器人是机器人技术领域中一个新兴的发展分支,是当前机器人领域的研究热点。
过去、现在甚至未来,对仿生机器人的研究,都是多方面的。
近些年,国内外有诸多学者开始对仿生机器人进行深入细致的研究。
仿生壁虎微纳阵列材料国内专利技术综述
仿生壁虎微纳阵列材料国内专利技术综述作者：毕晓博徐玉祥来源：《现代信息科技》2020年第08期摘要：壁虎脚趾具有优异的粘附特性，模仿壁虎脚趾结构的仿生壁虎微纳阵列材料的研究成为当今的研发热点，其在仿生壁虎机器人等高技术领域具有巨大的应用前景。
采用中文专利数据库中的全面检索、人工标引等手段筛选出国内涉及仿生壁虎微纳阵列材料的专利申请，并对该领域的专利申请的申请趋势、申请人来源及排名、法律状态、技术主题进行了统计分析，重点归纳了国内仿生壁虎微纳阵列材料的制备工艺的专利技术。
关键词：仿生;微纳阵列;刻蚀和浇筑;气相生长技术Abstract：Gecko toes have excellent adhesion properties. The research of bionic gecko micro-nano array materials that imitate the structure of gecko toes has become a hot research and development topic today，and it has huge application prospects in high-tech fields such as bionic gecko robots. Screening domestic patent applications involving bionic gecko micro-nano array materials by means of comprehensive search and manual indexing in the Chinese patent database，and the application trends，source and ranking of applicants，legal status，and technical themes in the field. A statistical analysis was carried out，focusing on the patented technology of the preparation process of domestic bionic gecko micro-nano array materials.Keywords：bionic;micro-nano array;etching and pouring;vapor phase growth technology0 引言壁虎脚趾具有优异的粘附特性，这引起了科研人员的关注。
壁虎仿生材料
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．
[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
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。
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]
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力、可控制脱离、能适应不同粗糙度的表面、自洁
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［B］
。实验中将壁
虎的刚毛从机体上剥离，只要保持其潮湿就能维持 。
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粘附与脱离
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)/-6 等人利用 EFE: 技术制造的高精度二维压阻
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悬臂梁测量了壁虎单根刚毛的粘附力，最大值为 。所有刚毛同时粘附并达到最大值 "B#G!% !H ［%］ 时，壁虎的脚掌可产生约 "+&& H 的粘附力。
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供的摩擦力无法与测量结果相比；摩擦力也无法解 释壁虎在天花板上的爬行；假设微联锁对其粘附有 一定贡献，但是绒毛却可以粘附在抛光的玻璃上。 （ + ）静电引力：使用 I 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 胶 作 用 ： 壁 虎 的 脚 底 根 本 不 存 在 腺 体
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［**］
，在没有任何测量到的外拉力下刚毛 *4 2>
［*6］
内能轻松脱离基底
。那么爬行中迅速的脱离是
［4］
怎样实现的呢？ +,--./ !01023 等人发现
，当刚
。在这几种主要证据的支持下，范德华
毛与基底成 )6? 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
脚部沾满颗粒，但爬行几步后就可恢复粘附能 力
［A］
，犹如一个倒立的
［$］
，他们把从壁虎脚部分离出的刚毛阵列污染
［A］
钝角三角形连接在茎的最末端。刚毛和绒毛由 " 角 蛋白（"23(4*)56）构成，弹性模量约为 # 78* 。
后作粘附效果分析，认为刚毛阵列的确具有自清洁 能力，且是阵列结构的本质属性 粘附能力一个多月
%
引
言
多世纪以来，探求壁虎粘附奥秘的研究始终是一 个热点，然而直到最近才揭开了这背后的机 理——壁 虎 脚 部 复 杂 的 分 层 绒 毛 结 构 。 通 过 制 造 仿壁虎绒毛结构，就有可能获得高性能的干性粘附 剂，可制造登山鞋、手套、能重复粘贴的绷带等， 进一步可将其应用于爬行机器人
［!$*］
自然界有很多擅长爬行的动物，如甲壳虫、 苍蝇、蜘蛛、壁虎等，它们可以轻松地在很多光 滑表面上攀爬。公元前 ( 世纪，亚里士多德就观 察 到 壁 虎 能 够 “任 意 地 在 树 上 爬 上 爬 下 ， 甚 至 头 部朝下” ，而且无论接触表面是潮湿的还是干燥
（* ）大壁虎
（L ）壁虎脚部刚毛阵列
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粘附机理 壁虎的脚部怎样能形成如此强大的粘附力呢？
人们对粘附机理先后作了多种假定。 （" ）气压造成 的吸力：对单根绒毛粘附力测量的结果为 "& 个大 气压
［"&］
，远大于一个大气压，且在真空中刚毛也
能实现粘附。 （! ）摩擦力：壁虎绒毛是由角蛋白构 成的，这种材料和硅之间的摩擦系数很小，能够提
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仿壁虎微纳米粘附阵列研究进展
任鸟飞，汪小华，王辉静，单建华
（中国科学院智能机械研究所 仿生感知与控制研究中心，合肥
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摘要：壁虎由于脚部精细结构而具有令人惊异的爬行能力，促使人们开展制造具有相似功能的 微纳米粘附阵列的仿生研究。综述了当前国内外学者在该领域内的研究进展，包括壁虎脚部的 结构分析、绒毛的粘附和脱离机理以及仿壁虎粘附阵列的设计准则和制造工艺，并就该领域发 展的方向提出看法。 关键词：壁虎粘附；仿生粘着剂；微纳米绒毛阵列 中图分类号： +,*"( 文献标识码：文章编号：%.)%/()). （!"". ）"&/"*&./")
：刚接触时抹
刀形前端仅有一部分接触到表面，如果此时的粘附 力不足以支撑壁虎的重量则开始向后拖动脚部，就 像试验中在平行拉力作用下的滑动，已粘附的绒毛 促使邻近的绒毛也接触表面，直到粘附力能够支撑 其身体。所需向后滑动的距离很小，宏观状态下是 不可见的。
施加垂直于 表面的预紧力 平行于表面 拖拉刚毛 刚毛在表 面上滑动 刚毛脱离 传感器表面
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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。
图5
刚毛沿基底下拉过程中粘附力变化曲线
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脱离机理 壁虎在竖直的墙壁上能以 %% <2 = > 的速度快速 微纳电子技术
粘附阵列设计 仿壁虎粘附阵列的设计应使其具有较强的粘附
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微纳电子技术
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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 !"# 探针间 的粘附力，发现 $%&’()& 的粘附力都是由范德华 力提供的
566) 年 卡 内 基 梅 隆 大 学 的 #,193 @9119 等 人 基
于简化的单根有倾角绒毛的悬臂梁模型进行力学分 析，提出一种可能的脱离机理
［*)A*$］
：对粘着的绒
毛施加平行于基底方向的推力或者拉力时，由于摩
546 566 *46
粘附力 = !C 粘附力最大值 （粘附力达最 大 值 时，刚毛向下滑 动 了 约 4 !2， 推 测这可能是滑动 时，刚毛前端接 触表面绒毛数量 增加了）
等。
微纳电子技术
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生理特性研究
显微镜下（图 "
［#］
上验证了双层结构能够促进对粗糙表面的适应性。 我们很自然把壁虎脚部近似看作具有粘性的条 ）可看到大壁虎的脚部约有 带，推测在布满灰尘的地方行走时一定会粘上很多 颗粒妨碍再次粘附。但路易斯 = 克拉克学院的 >
［$］
。
（% ）毛细作用力：壁虎刚毛对亲水表面和疏水表面 间的粘附力相差仅为 !J ［"］ ，而疏水表面与亲水表 面间、疏水表面与疏水表面间的毛细作用力相差则 是非常大的。 假设为范德华力：壁虎脚部的粘附力随着所接 触基底的表面能的增加而增加
［B］
。卡内基
［<］
梅隆大学的 7*/4*9 :;*; 等人采用有限元法
［%］
，深入未知太
空进行考察，或者代替人类进行日常生活中需要 攀爬的危险工作如大楼外清洁、高层急救、水下作 业
［!， (］
的、光滑的还是粗糙的，壁虎都能穿梭自如，这 种特异的粘附能力吸引了众多学者的注意。一个
收稿日期： !""#$%!$!& 基金项目：国家自然科学基金资助项目 （’"(")"%& ）
分
， C(00*4 D/)/-6
析了单根纳米绒毛、微米刚毛及微纳米双层结构接 触粗糙表面时的变形，结果双层结构偏转位移比单 根微米刚毛、纳米绒毛的位移总和还要大，从理论
等人利用单根刚毛的粘附 力 ， 使 用 KC? 模 型 对 抹 刀 形 顶 端 的 半 径 进 行 了 近 似 估 计 ， 结 果 为 &1"+, ，与实验测量值很接近。 他们使用两种 &1"$ !- ［"］
［ %］
（M ）单根刚毛 图"
（N ）刚毛末端细分的绒毛 壁虎脚趾分层结构
壁虎对各种粗糙度的表面都有很好的适应性， 可能就是由这种宏观2!- 级、26- 级的分层结构导 致的。柔软的脚部组织可以适应宏观尺度的粗糙 度，!- 级绒毛适应 !- 尺度的粗糙度并给予 6- 级 绒毛一定的弹性支撑，6- 级绒毛则去适应 6- 尺度 的粗糙度，保证与基底实现紧密的接触
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