壁虎仿生粘附材料 ppt课件
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。
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壁虎的生物学
壁虎在医学领域的应用价值
壁虎具有一定的药用价值，其干燥全 体可入药，具有祛风、活络、散结等 功效。
现代医学研究还发现，壁虎具有抗肿 瘤、抗病毒等药理作用。
壁虎可用于治疗中风瘫痪、风湿关节 痛、骨髓炎、淋巴结结核等疾病。
壁虎作为宠物及观动物
壁虎因其独特的形态和习性，逐 渐成为人们喜爱的宠物之一。
行。
壁虎的特点包括扁平的身体、大 大的眼睛、灵活的尾巴和脚趾上
的粘附鳞片。
壁虎的分布与生态环境
壁虎广泛分布于全球各地，从 热带雨林到沙漠地区都有它们 的踪迹。
它们通常栖息在建筑物的缝隙 、墙壁、树木和岩石等地方， 以适应不同的生态环境。
壁虎的分布范围与其对环境的 适应能力密切相关，不同的壁 虎种类在生态环境上有所偏好 。
家庭饲养壁虎可以观察其捕食、 蜕皮等生活习性，增加生活乐趣
。
在动物园、昆虫馆等场所，壁虎 也常作为观赏动物展出，供游客
参观学习。
05 壁虎的保护与生 态意义
壁虎面临的威胁与挑战
栖息地丧失
城市化、农业扩张等导致壁虎自 然栖息地不断减少。
环境污染
化学农药、杀虫剂等的使用对壁虎 生存环境造成污染。
非法捕捉与贸易
壁虎却趁机溜走。
内部器官与系统功能
呼吸系统
壁虎通过肺进行呼吸，需要较 高的氧气含量。
消化系统
壁虎的消化系统包括口腔、食 道、胃、小肠和大肠等部分， 用于消化食物和吸收营养。
循环系统
壁虎的心脏为二心房一心室， 属于不完全的双循环，负责将 氧气和营养物质输送到全身各 个部位。
排泄系统
壁虎通过肾脏和泄殖腔进行排 泄，排除体内的代谢废物。
粘附能力
壁虎的脚趾具有强大的粘 附能力，可以在垂直或倒 立的表面上轻松爬行和捕 食。
统编版一年级语文下册20小壁虎借尾巴课件(共41张PPT)
傻孩子，你转过身子看看。 我 长 出 一 条 新 尾 巴 啦
小壁虎的尾巴断了是可以重新长出来的，小壁虎 不知道，我们也不知道。这就提示我们生活中处 处有学问。我们只有努力学习，认真视察，才能 发现不同事物身上藏着的秘密，从而体会到发现 的快乐！
和同学分角色演一演这个故事吧！
说一说：
小壁虎向（ 小鱼）、（黄牛）和（燕子）借尾巴。
拨 甩赶 房傻 转
xuǎn yi xuǎn tián yì tián
选 一 选,填 一 填。
你
您
(1)亲爱的老师,( 您 )辛苦了!
(2)老师对王欢说:“( 你 )去把门关上,好吗?”
我会写
zhuō
左右结构
捉住
捕捉
我会写
面条
tiáo
柳条
上下结构
pá
“巴”形体小巧，位置 偏上
“捺”要舒展
部首：爪
bǎ xià miàn de yīn jié b来自 chōnɡ wán zhěnɡ
把 下 面 的 音 节 补 充 完 整。
q_iá_n_ɡ__墙 d_u_à_n__断 b__ō___拨
y__ǎ_o___咬 b__ì____壁 ___s_h___ǎ傻
小壁虎到过哪些地方？跟谁借过尾巴？ 地方：(小河边) (大树上) (房檐下)
尾巴。小壁虎一挣，挣断尾巴逃走了。
读一读 朗读课文3----5段 想一想 小壁虎都向谁去借了尾巴？
小壁虎爬呀爬， 爬到小河边。他看见 小鱼摇着尾巴，在河 里游来游去。小壁虎 说：“小鱼姐姐，您把 尾巴借给我行吗？”小 鱼说：“不行啊，我要 用尾巴拨水呢。”
小鱼姐姐， 您把尾巴借 给我行吗？
不行啊，我 要用尾巴拨
学了这课你增长了哪些知识？ 动物的尾巴不同，用处也不同。 你还知道哪些动物的尾巴有什么用处？
20小壁虎借尾巴 课件(共29张PPT).ppt
孔雀的尾巴像扇子，五彩缤纷真漂亮。
松鼠的尾巴像把伞，天气炎热好乘凉。
课堂练习
一、看拼音，写词语。 zhuō chónɡ xiǎo cǎo
捉 虫 小草
pá xínɡ
爬行
nín hǎo
您好
fánɡ jiān
房间
jiě jie
姐姐
二、选字填空（只填序号）。
1.向谁去借一条尾巴_①__？ 2.我长出一条新尾巴_③__！ 3.没有尾巴多难看_②__！
你们听说过向别人借尾巴的吗？
课
今天我们就来认识一只向别人
题
借尾巴的小壁虎。
导
入
20 小壁虎借尾巴
我会写
左右结构
捉
上下结构
半包围结 构
条爬姐
您草房
学认字
bì jiè qiáng wén yǎo duàn nín
壁借墙蚊咬断您
bō shuǎi gǎn fáng shǎ zhuǎn
拨甩赶房傻转
zhuān
借尾艰辛、时 间很长。
小壁虎转身一看，高兴得叫了起
来：“我长出一条新尾巴啦！”
小壁虎为什么能长出一条新尾巴呢？你还知道哪些动物的尾 巴有再生的功能？
因为小壁虎的尾巴具有再生能力，能帮助小壁虎在危险时刻 断下尾巴逃避敌人。尾巴有再生功能的动物有：蚯蚓、螃蟹、娃 娃鱼等。
鱼 用尾巴拨水 老牛 用尾巴赶蝇子 燕子 用尾巴掌握方向 小壁虎最后自己长出了新尾巴
挣
zhēnɡ 挣扎
词语解释
【房檐】房顶伸出墙外的部分。 【挣】用力使自己摆脱束缚。
【难看】丑陋;不好看。 【难过】悲伤，痛苦，难受。 【告诉】说给人，使人知道。 【掌握】了解事物，因而能充分支配或运用。
20小壁虎借尾巴 课件(共32张PPT)
挣断尾巴
借 小壁虎 尾 借尾巴 巴
小鱼：不能借 拨水
尾
巴
老牛：不能借 赶蚊子
用
处
燕子：不能借 掌握方向
大
长出新尾巴
• 啄木鸟的尾巴
我的尾巴象 铆钉，柳在树 上好啄虫。
鳄鱼把尾巴当作武器。
生活在热带地区的非 洲鳄，见到牛、羚羊、 鹿等动物在河边饮水
时，便突然将尾巴一 扫，把这些动物打入 河里，然后张开大嘴， 饱餐一顿。
认 wén bì qiáng duàn yǎo bō nín
读 园 地
甩 赶 房 傻转
gǎn shuǎi zhuǎn shǎ fáng
zhuō
捉
我会写
笔顺 组词 捉住 捉虫 捕捉 造句： 警察正在捉拿逃犯。
tiáo
条
笔顺
组词 条件 面条 条理 造句： 鱼缸里有几条鱼在快乐地
游来游去。
pá
爬
笔顺
小壁虎爬呀爬，爬回家里找妈妈。
小壁虎借不到尾巴，心里很难过。 他爬呀爬，爬回家里找妈妈。
“爬呀爬”在文中出现了几次？说明了什么？
“爬呀爬”在文中出现了四次。说明小壁虎爬得路程 很远，用了很长时间。
傻孩子，你转过身子看看。 我 长 出 一 条 新 尾 巴 啦
仔细看看小壁虎借尾巴的过程，你发现了什么？
小 鱼的尾巴______拨_水________
老 牛的尾巴_____赶_蝇__子_______ 燕 子的尾巴____掌__握__方_向______
小壁虎的尾巴有什么特点？
小壁虎的尾巴易断，断后还能 再长出新尾巴。这种能力叫 “再生”能力，再生能力能帮 助小壁虎逃避敌害,有效地保护
自己。
本课小结
《小壁虎借尾巴》是一篇科普童话。它通过叙述小 壁虎向小鱼、老牛、燕子借尾巴的经过，向我们介绍了 鱼、牛、燕子尾巴的用途及壁虎尾巴可以再生的特点， 揭示了动物尾巴都有用的道理。
仿生材料PPT教案
珍珠层中文石晶体与 有机基质叠层示意图
第7页/共50页
珍珠具有类似于贝壳珍珠层的叠片累积结 构。
这种微观结构模式与贝壳珍珠层的差别仅 在于，在贝壳的珍珠层是沿贝壳的表面铺 排构成层的，而珍珠中的珍珠层包围核心 铺排成层。贝壳珍珠层之所以得名，是因 为它也具有珍珠光泽。
第8页/共50页
贝壳是的强、韧的最佳配合 ,它又被称为摔不坏的陶瓷 贝。壳和珍珠在断裂前能经受较 大的塑性变形，具有优异的高 韧性。其主要原因是由于裂纹 偏转、纤维（晶片）拔出以及 有机基质桥接等各种韧化机制 协同作用的结果。而这些韧化 机制又与珍珠层的特殊组成、 结构密切相关。
层状骨结构示意图 （a）矿物相排列；（b）胶原纤维排列方向
第15页/共50页
（一）仿骨哑铃型晶须研制 动物的长骨，其构造特点为中部细长，
骨质致密；两端粗大，骨质疏松。 凡是骨骼中应力大的区域也正好是强度
高的区域。 长骨两端粗大，一方面在受压时减缓压
应力的冲击，另一方面在与肌肉组织的协 调配合上，粗大的端部有利于应力传递， 更有效地发挥骨质致密的中段骨头的承力 作用。这种骨头与肌肉的有效配合，使得 肢体的比强度和持重比提高。
第37页共50页五仿生壁虎胶带五仿生壁虎胶带壁虎胶带第38页共50页电镜显示电镜显示壁虎脚上有密集的刚毛壁虎脚上有密集的刚毛1mm1mm22上约有上约有50005000根长度为根长度为3030130130m的刚毛的刚毛每只脚上就有近每只脚上就有近5050万万根刚毛根刚毛并且每根刚毛并且每根刚毛又有又有40040010001000根直径为根直径为02020505mm的的细细分叉分叉因此壁虎与附着物体有极大数目的因此壁虎与附着物体有极大数目的接触点接触点总的范德华力相当大总的范德华力相当大足以支持壁足以支持壁虎的全身重量
仿生智能材料 ppt课件
类水稻叶表面碳纳米管薄膜
ppt课件
7
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
•2.1.2昆虫翅膀表面的自清洁性
蝴蝶翅膀由微米尺寸的鳞片交叠
覆盖，每一个鳞片上分布有排列
整齐的纳米条带结构，每条带由
倾斜的周期性片层堆pp积t课件而成。
8
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
ppt课件
24
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
润湿：一种流体从固体表面置换另一种流体的过 程，最常见的是固体的气固界面被液固界面所取 代的过程。
气液
液
固
固
(1)沾湿
ppt课件
固 气液
固液
(2)浸渍润湿
25
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
液
液
气
固
固
(3)铺展or完全润湿
身体的重量，它在水
面上每秒钟可滑行
100倍于身体长度的
距离。
ppt课件
水黾稳定的水上运动特性是
源于特殊的微/纳米结构和
油脂的协同效应
10
2.1 自然界的几种生物体的表面
性能及其仿生纳米界面材料
2.1.3在水面行走的昆虫—水黾
水黾的腿部有数 千根按同一方向 排列的多层微米 尺寸的刚毛（直 径3um），刚毛 表面形成螺旋状 的纳米沟槽结构。
ppt课件
Cassie model
cosc f1 cos1 f2 cos2
30
cosc f1 cos1 f2
2.1 自然界的几种生物体的表
面性能及其仿生纳米界面材料
壁虎仿生材料PPT课件
汇报人： 班级： 学号：
CONTENTS
一：壁虎的吸、脱附机制
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。
> 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?
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
1.2壁虎的脱离机制
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,
Thanks for your
attention!!
1.1壁虎的吸附机制
01பைடு நூலகம்
粘液说？
壁虎的脚底根本不存在腺体
02
吸盘说？
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
03
静电说？
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。
·
04
范德华力?！
1.1壁虎的吸附机制
范德华力?！
假他设们为使范用德两华种力不：同壁的虎疏脚水部性的聚粘合附力物 随(硅着树所脂接橡触胶基和底聚的酯表面树能的脂增加)制而增造加，了仿 K壁ell虎ar的A绒ut毛um结n构等，人并利测用量单其根与刚A毛FM 的探粘针附间力的，粘使附用力JK，R发模现4型7％对~63抹％的刀粘附形力都是 顶由端范德的华力半提供径的进。行在了这近几似种估主计要，证结据果的 为值支虎0很持实．接下现1近3， 粘~。0范附本 图 和模 表 移．板 ， 动德的的 均 。1所 可有 自华主6素 由材 编力要u和 辑逻 替m辑 换被机，普理与遍。实认[1验] 为测是量壁
《仿生设计》 ppt课件
甲壳虫的真正经典就 是从不因时间而褪色 ，其浑圆的外形彰显 了恒久的魅力，并汇 集众多优点，最终将 经典的曲线条与现代 艺术融为一体。对于 甲壳虫，舒适性和安 全性之间从不矛盾， 新甲壳虫的内饰能让 您倍感温馨与和谐。 众多的安全措施更让 您放心有加。
案例四 不会漏气的仿蜂巢轮胎
未来的轮胎不需要充气，因此也 就不存漏气问题，这一进步能够 挽救很多士兵的生命。按照政府 提出的要求，轮胎需要具备较高 的承重能力，可抵御临时爆炸装 置袭击并且能够在遇袭后仍以每 小时５０英里(约合每小时８０ 公里)的速度行驶。为了满足政 府的要求，Ｒｅｓｉｌｉｅｎｔ 技术公司和威斯康星州大学麦迪 逊分校聚合体工程学中心的开发 人员设计了模仿蜂巢结构的轮胎 。他们知道没有什么能够比这种 设计更完美的了。这种仿生轮胎 由一系列六角形构成，拥有极高 的坚固度同时可让重量均匀分布 以实现平滑行驶。
撒尿桌子
这个桌子的造型能 让我们马上想到小狗 撒尿的样子，从而为 它平添几分意趣。需 要注意的是，这个桌 子有的地方可是不太 平整，使用的时候要 注意。
毒箭蛙躺椅
如果你厌倦了传统样式躺椅的话，那么来看看设计师Wilson Niño所设计的这款趣味躺椅，设计师采用仿生学原理而 进行设计，参考了全球最美丽的青蛙，同时也是毒性最强的毒 箭蛙的外观造型，.尽管它看起来像是在准备起跳，但是不用 担心它身上的毒液和粘液，只有绒毛的质地，让你可以舒服的 躺在上面。
美腿座椅
这把椅子长着两条细长 细长，极具诱惑性的美 腿，再加上曲线优美的 椅背，就好像是一位美 女优雅地坐在那里。这 样的椅子摆在家里，你 可以把它当作椅子来坐 ，不坐的时候，还能当 成雕塑来欣赏，真是一 物多用啊！
资料1
仿生壁虎脚美国科学家表示能够像蜘蛛侠一样在建筑物上攀爬将在不久后成为现实。
目前，科学家正使用一种特殊材料制造粘性手套和鞋子，能够让穿戴者粘在墙壁上并任意攀爬。
现已在一个小型机器人身上成功测试。
简介壁虎脚机器人能飞檐走壁斯坦福研究设计中心副主任、机械工程教授马克·卡特科斯基领导的研究小组和美国其他大学合作，经过研究壁虎脚趾的构造，历时5年制造出一种黏脚机器人——Stickybot，其能在光滑的玻璃墙壁上行走自如。
原理他们从壁虎身上获得灵感，开发出一种新型织物，现已在一个小型机器人身上成功测试。
测试中，机器人顺利在玻璃、金属等光滑表面攀爬。
工程师希望将他们的设计“按比例放大”，为人类打造蜘蛛侠般的攀爬装备。
据悉，这项研究是一项代号“Z-Man”的计划组成部分。
壁虎之所以具备藐视地心引力的能力归功于脚趾上的微毛。
微毛能够增大接触面，形成一种“单向粘合剂”。
壁虎每爬行一部都可产生这种粘力，但只要朝其他方向移动，粘力便消失。
过去10年时间里，技术人员一直潜心研究，开发强度足以实现垂直攀爬的人造粘性材料。
经过不懈努力，美国加利福尼亚州斯坦福大学的研究人员最终开发出一种类似橡胶的材料，上面覆盖数千根微小的聚合纤维用以模拟壁虎的微毛。
壁虎的微毛被称之为“刚毛”，直径只有人发的十分之一。
壁虎脚趾包含很多学问，堪称一种干性黏合剂。
壁虎脚趾上有数百个拍状突起，称为皮瓣，每个皮瓣上都生有数百万刚毛，比人的头发要细10倍。
在显微镜下面，能看到每一个刚毛末端又分成数百个直径只有几百纳米的更细的铲状丝，称为铲状匙突（spatulae），能和攀爬物表面的分子发生引力作用。
壁虎脚趾上细丝和墙壁分子引力之间的这种相互作用称为范德华力，这种引力能使它在玻璃上仅用一个脚趾就支撑起全部身体重量。
卡特科斯基说，这种“黏合剂”还是单向的，只有向一个方向拉时，才能黏紧，而从另一个方向，则很容易取下来。
研究小组用微型模具制出一种类似橡胶的多聚材料微丝，做成黏合剂涂层，涂在为Stickybot专门制作的四只脚上。
2024版年度科学三年级上册3壁虎与小猫教案配套ppt课件
01壁虎与小猫学习背景与目标Chapter课程标准与教材分析课程标准教材分析学生学情分析及预习指导学情分析预习指导提前布置预习任务，引导学生观察身边的动物，思考它们的运动方式和适应环境的特点。
知识与技能过程与方法•情感态度与价值观：激发学生对动物世界的兴趣，培养保护动物的意识。
重点难点教学方法及手段选择教学方法采用观察法、讨论法和归纳法，引导学生主动探究，合作学习。
教学手段利用PPT课件展示壁虎与小猫的图片和视频，辅助学生观察和理解；准备实验材料，如壁虎和小猫的模型，帮助学生更直观地了解它们的运动方式。
02壁虎基本特征与习性介绍Chapter壁虎外形特征及功能解析扁平身体四肢短小特殊足部结构眼睛大而突出尾巴易断再生壁虎生活习性及环境适应性探讨01020304夜行性动物以昆虫为食适应多种环境良好的隐蔽能力01020304减少害虫对农作物的危害。
控制害虫数量作为食物链中的一环，参与能量流动和物质循环。
维持生态平衡对环境变化敏感，可作为环境监测的指示生物。
生物指示作用为生物学家提供研究爬行动物生理、行为等方面的材料。
科学研究价值壁虎在生态系统中的作用和价值拓展知识：不同种类壁虎简介无蹼壁虎多疣壁虎珠光壁虎巨壁虎03小猫基本特征与习性介绍Chapter01020304小巧玲珑的体型锐利的爪子和牙齿独特的毛色与花纹敏锐的感官系统小猫外形特征及功能解析昼伏夜出的习性善于攀爬和跳跃爱干净的天性独立又粘人的性格小猫生活习性及行为特点剖析宠物与伴侣捕鼠能手文化象征030201小猫在人类生活中的地位和影响拓展知识：不同品种小猫简介这种小猫的耳朵向前折叠，非常可爱。
它们性格温和，喜欢与人亲近。
波斯猫有着长而柔软的毛发和圆润的脸庞，性格温顺，需要主人的精心护理。
暹罗猫是泰国的国猫，它们毛色丰富，性格活泼好动，喜欢与人互动。
英国短毛猫体型圆润，毛色浓密，性格温和稳重，是很多人喜欢的宠物之一。
苏格兰折耳猫波斯猫暹罗猫英国短毛猫04壁虎与小猫比较观察实验设计Chapter实验目的和原理阐述实验目的原理阐述实验材料和器具准备清单材料准备活体壁虎和小猫、观察记录本、相机或手机等拍摄设备。
动物与仿生PPT课件
-
28
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27
动物仿生学的例子
1。由令人讨厌的苍蝇，仿制成功一种十分奇特的小型气体分析仪。
2。从萤火虫到人工冷光；
3。电鱼与伏特电池；
4。水母的顺风耳，仿照水母耳朵的结构和功能，设计了水母耳风暴预测仪
5。人们根据蛙眼的视觉原理，已研制成功一种电子蛙眼。
6。根据蝙蝠超声定位器的原理，人们还仿制了盲人用的“探路仪”。
7。模拟蓝藻的不完全光合器，将设计出仿生光解水的装置，从而可获得大
量的氢气。
8。根据对人体骨胳肌肉系统和生物电控制的研究，已仿制了人力增强器—
—步行机。
9。现代起重机的挂钩起源于许多动物的爪子。
10。屋顶瓦楞模仿动物的鳞甲。
11。船桨模仿的是鱼的鳍。
12。锯子学的是螳螂臂，或锯齿草。
13。苍耳属植物获取灵感发明了尼龙搭扣。
-
8
雷达
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9
乌龟
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10
天津博物馆
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11
悉尼歌剧院
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12
蜻蜓
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13
“美洲狮”直升机
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14
蜘蛛
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15
钢索
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16
虎鲸
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17
“奥斯卡”级潜艇(俄罗斯）
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18
蝴蝶
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蝴蝶翅膀上的鳞片
-20人造卫星- Nhomakorabea21
剑鱼
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22
X - 1战斗机
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23
飞机突破音障瞬间
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24
大白鲨
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25
索普
14。嗅觉灵敏的龙虾为人们制造气味探测仪提供了思路。
15。壁虎脚趾对制造能反复使用的粘性录音带提供了令人鼓舞的前景。
仿生材料ppt课件
1997 年德国植物学家Barthlott 发现荷叶表面的自清洁效 应和超疏水现象。 所谓超疏水表面一般是指与水滴的接触角大于 150°且 滚动角小于10°的表面, 这种表面在工农业生产及日常 生活中有着广泛的应用, 例如, 集水功能、微流体装置、 抗结冰等. 研究发现, 这些超疏水性生物表面的微纳米结构对其超 疏水性起着至关重要的作用。 超疏水材料一般可以通过两种方法来制备: 一种是在粗 糙表面修饰低表面能物质;另一种是在疏水材料(一般其 接触角大于90°)表面构筑粗糙结构. 目前, 已经报道了许多比较成熟的制备技术, 如电化学 沉积法、等离子体和激光刻蚀法、交替沉积法、电纺丝 法、模板法、溶胶-凝胶法等.
荷叶粗糙表面上有微米结构的乳突，平均直径为5-9um， 单个乳突又是由平均直径约为124.3nm的纳米结构分支组 成，乳突虎脚掌
水黾腿
蝴蝶翅膀
蚊子复眼
沙漠甲壳虫背部
2.2超疏油仿生界面材料
荷叶上表面的微纳复合结构与表面植 物蜡的协同作用赋予了荷叶“出淤泥而不 染”的超疏水自清洁特性，这一点已经广 为人知。但是荷叶下表面的性质却被人忽 视。 Cheng等对荷叶的上表面和下表面的浸润 性进行了深入的研究。如左图（a）所示， 水滴在荷叶的上表面呈圆形;在水中，油 滴(染色的正己烷)也以球形停留在在荷叶 的下表面，表明荷叶的上下表面分别具有 超疏水和超疏油的特性。通过环境扫描电 镜(ESEM)和原子力显微镜(AFM)对荷叶下 表面进行形貌表征，发现下表面由无数个 扁形乳突组成，每个乳突的长度为30～ 50μ m，宽为10～30μ m，高为4μ m，且上 面覆盖着长度为200～500nm的纳米突起。 另外，荷叶的下表面覆盖着一层亲水的类 水凝胶化合物，正是荷叶下表面的这种特 殊微纳结构和化学组成造就了天然的稳定 水下超疏油表面。这一发现也从侧面反映 了荷叶下表面是抗生物粘附的性质。
20 小壁虎借尾巴 课件(共52张PPT).ppt
借不到尾巴怎么办？
当被敌害追赶的时候，如果身体的一部分 被敌人抓住了，一些动物就会用弄断部分肢体 的办法来保全性命，使身体的其他重要部分不 受损伤而逃走，它们被弄断了的部分还能再长 出来。这在动物学上叫作“再生”。
小壁虎借不到尾巴，心里很难过。他爬 呀爬，爬回家里找妈妈。
小壁虎把借尾巴的事告诉了妈妈。妈 妈笑着说：“傻（shǎ）孩子，你转过身 子看看。”小壁虎转身一看，高兴得叫了 起来：“我长出一条新尾巴啦！”
除了壁虎，还有些动物也有再生功 能，比如蚯蚓身体断了，可以再长出来。 螃蟹断肢弃螯，一段时间后再度生长， 和原来有一样的功能。
自然界的再生现象
海星分身有术。若把海 星撕成几块扔在海里，每一 碎块都能很快长出失去的部 分，从而长出几个完整的海星。
海参在遇到危险时， 会抛出内脏给敌人，自己 趁机逃命。过一段时间， 海参体内又能长出新的内 脏来。
我会说
•小壁虎为什么借尾巴？ •分别向谁借？ •结果怎么样？
课文解读
小壁虎在墙角捉蚊子，一 条蛇咬住了他的尾巴。小壁虎 一挣（zhènɡ），挣断（duàn） 尾巴逃走了。
没有尾巴多难（nán）看哪！小壁虎想： 向谁去借一条尾巴呢？
yǎo
duàn
咬
wén
蚊
咬苹果 蚊子
断 折断
怎么猜出这些生字 的读音呢？
捉住
捉走
书写指导：左右结构，用手捉，是提手旁，左 窄右宽，左高右低。第九笔撇的收笔穿 插到提的下方，最后一笔捺写得较舒展。
演一演
“一挣”是怎 样的动作？谁能表 演一下？
没有尾巴多难看哪！小壁虎想： 向谁去借一条尾巴呢？
小壁虎心里很难过
谁能以朗读的形式将小壁虎难过 的心情表现出来？
《壁虎仿生材料》课件
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。
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]
01
纳米雕刻法
02
自组织微纳米 孔膜铸造法
03
基于微纳米绒毛 生长的定向自装
配法
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。
壁虎仿生粘附材料
汇报人： 班级： 学号：
《壁虎仿生材料》
CONTENTS
一：壁虎的吸、脱附机制
二：仿壁虎粘附阵列的设 计与制造
三：研究现状及展望
《壁虎仿生材料》
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。
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。
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]
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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]
01
纳米雕刻法
02
自组织微纳米 孔膜铸造法
03
基于微纳米绒毛 生长的定向自装
配法
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
01
纳米雕刻法
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
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
02
自组织微纳米 孔膜铸造法
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
03
基于微纳米绒 毛生长的定向
自装配法
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]
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。
1.1壁虎的吸附机制
01
粘液说？
壁虎的脚底根本不存在腺体
02
吸盘说？
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
03Байду номын сангаас
静电说？
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。
·
04
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
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
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?
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
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。
本模板的所有素材和逻辑 图表，均可自由编辑替换 和移动。
1.1壁虎的吸附机制
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
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
02
自组织微纳米 孔膜铸造法
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]
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。
壁虎仿生粘附材料
CONTENTS
一：壁虎的吸、脱附机制
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。
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。
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]