壁虎仿生粘附材料-课件.ppt

1、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。0101020403静电说？范德华力?！粘液说？吸盘说？1.1壁虎的吸附机制壁虎的脚底根本不存在腺体使用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。壁虎放在玻璃罩子里，然后把玻璃罩里的空气抽走，

2、结果壁虎仍然可以爬上垂直的玻璃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013016 um，与实验测量值很接近。本模板的所有素材和逻辑图表，均可自由编辑替换和移动。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4763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。11.1壁虎的吸附机制Kellar Autumn等

3、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。11.2壁虎的脱离机制壁虎在竖直的墙壁上能以1ms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。11.2壁虎

4、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。022.仿壁虎粘附阵列的设计与制造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。2.1仿壁虎粘附阵列的设计Gaurav J Shah等人将壁虎的层状阵列简化

5、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；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。22.仿壁虎粘附阵列的设计与制造2003年Metin Sitti在实验的基础上提出了三种制造方法32.2仿壁虎粘附阵列的制造方法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

6、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。32.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 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

7、均匀、方向一致的绒毛阵列。302自组织微纳米孔膜铸造法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 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。302自组织微纳米孔膜铸造法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 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

8、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。03参考资料1Autumn K,Liang Y A,Hsieh S T,et al.Adhesive Force of a Single Gecko Foo

9、t-Hair J,Nature,2000,405:681 6852SHAH G J，SITH MModeling and design of biomimetic adhesives inspired by gecko fothairsC,IEEE,International Conference on Robotics an d Biomimetics,Shenyang,China,2004:873-8783SITH M High aspect ratio polymer mieronano-strueture manufacturing using nanoembossing，nano-molding and directed self-assemblyC,IEEE,Advanced Mechatronies Conferenee,Kobe,Japan,2003:886-890Thanks for your attention!