（检测技术与自动化装置专业论文）仿壁虎微纳米阵列的粘附机理与控制方法研究.pdf

摘要 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，仍然需要解次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。冈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i j 乍列的参数设计方面，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问粘 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 摘要 强度、刚度、稳定性以及防聚结要求进行参数设计：利用应变梯度理论研究微尺度下 阵列材料的力学特性变化；然后将环境因素作为约束条件，对结构参数进行进一步的 修正：其中包括阵列与粗糙度较大表面接触所需具备的表面适应性分析、阵列与潮湿 的水面接触所需具备的疏水性分析、阵列与灰尘表面接触所需具备的自清洁性分析。 然后针对目前设计的阵列不具有壁虎爬行运动特征的问题，提出了一种具有主动控制 粘附和脱离能力的仿壁虎微纳米粘附阵列，它由集成驱动基片、微米级刚毛和纳米级 绒毛三层结构组成。并对微纳米阵列的脱离控制方法进行仿真分析。最后对采用微纳 米加工技术研制出的粘附阵列进行了粘附与脱离性能测试，并通过实验验证了理论分 析中提出的力学模型。 本文以粘附机理和控制方法为研究重点，主要的创新点体现在以下几个方面： 1 通过对壁虎单层纳米阵列结构、双层微纳米阵列结构的力学行为研究，建立 了描述粘附和脱离过程力学规律的系统模型，得到粘附过程参数对粘着合力的作用规 律。该模型从理论上解释了已经发现的一些实验现象，如壁虎在光滑表面上的粘附效 果较好；使阵列粘附于表面所需的预压力存在一个临界值：阵列在3 0 度角时与接触 表面问粘附力最大，大于这个角度将引起阵列脱离等。 2 在粘附阵列的参数设计中，针对环境适应性要求，提出了使阵列具有较好的 粗糙表面适应性、与潮湿表面接触所要求的疏水性、与灰尘表面接触所要求的自清洁 性的设计准则，为粘附阵列的优化设计奠定了基础。 3 在粘附阵列系统设计中，针对现有阵列不具有壁虎爬行运动特征的问题，提 出了具有主动控制粘附和脱离能力的仿壁虎微纳米粘附阵列。该阵列由集成驱动基 片、微米级刚毛阵列和纳米级绒毛阵列三层结构组成，具有平动脱离和偏转一定角度 后脱离的功能。仿真结果显示，以一定角度脱离能有效减小剥离力，使阵列运动更为 灵活。 关键词：仿壁虎微纳米阵列；粘附机理：范德瓦尔斯力；微纳米加工；微机器人；仿 生机器人 1 1 摘要 a b s t r a c t b i o m i m e t i cm i c r o n a n oa d h e s i v ea r r a y sa r ei m p o r t a n tt or o b o ta p p l i c a t i o n so nf a u l t i n s p e c t i o n d i s a s t e rr e s c u e ，w a i lc l e a n i n ga n dm i l i t a r yr e c o n n a i s s a n c e b ym i m i c k i n gt h e a t t a c h m e n tm e c h a n i s mo ft h eg e c k o ，d i r e c ta d h e s i o nc a nb eo b t a i n e du n d e rt h ev a l ld e r w a a l sf o r c e sb e t w e e nt h el l a n oh a i ra r r a ya n dt h ec o n t a c t e ds u r f a c e s t h et o es u r f a c eo f t h eg e c k oh a st w oe l a b o r a t eh i e r a r c h i c a ls t r u c t u r e s ，m i c r o s c a l es e t aa r r a ya n dn a n o s c a l e s p a t u l a ea r r a y ，w h i c hr e s u l t i nt h ev a nd e rw a a l sf o r c e sb e c a u s eo ft h er e a l i z a t i o no f m o l e c u l a rc o n t a c tb e t w e e nt h es p a t u l a sa n dc o n t a c t e ds u r f a c e s i n s p i r e db yt h em e r i t so f t h ef i n ea d h e s i v es t r u c t u r e ，s u c ha st h el a r g ea d h e s i o nf o r c e ，g o o da d a p t i v ea b i l i t yt or o u g h s u r f a c e s ，h a r m l e s st ot h ec o n t a c ts u r f a c e s ，s e l f - c l e a n i n gp r o p e r t ya n dd u r a b i l i t y , b i o m i m e t i c a d h e s i v ea r r a y sc a nb ed e v e l o p e df o rc l i m b i n gr o b o t s r e c e n t l y ，t h er e s e a r c ho fb i o m i m e t i cg e c k oa d h e s i o na r r a yh a sa c h i e v e dp r e l i m i n a r y r e s u l t so nm e c h a n i s m ，f a b r i c a t i o na n dt e s t i n g h o w e v e r ，i ti sp o s s i b l et oa p p l yt h e a d h e s i o na r r a yt ot h eb i o m i m e t i cg e c k or o b o to n l ya f t e ras e r i e so ft h e o r e t i c a la n dd e s i g n p r o b l e m sb e i n gs o l v e d p r e s e n t l y ，a b o u tt h er e s e a r c ho f a d h e s i o nm e c h a n i s m ，t h ei n t e r e s t s a r em a i n l yf o c u s e do i l t h es i n g l es p a t u i a e ，a n dt h e r ea r el i t t l ew o r ko nt h es e t a ea r r a ya n d s p a t u l a ea r r a y ，e s p e c i a l l y f o rt h ed o u b l e l a y e r s t r u c t u r e m e a n w h i l et h e o r e t i c a l e x p l a n a t i o n s t o e x p e r i m e n t a lp h e n o m e n a r e m a i n i n a d e q u a t e t h e r e f o r e ，f u r t h e r u n d e r s t a n d i n go ft h eg e c k o sa d h e s i v em e c h a n i s ms h o u l db em a d e a b o u t t h ep a r a m e t e r d e s i g no ft h ea d h e s i o na r r a y ，i ti se s s e n t i a lt oa n a l y z et h ee f f e c t so fe n v i r o n m e n t a lf a c t o r s d e e p l y a n ds y s t e m a t i c a l l y ，w h i c hc o n s i s to ft h es u r f a c er o u g h n e s s ，t h em a t e r i a l h y d r o p h o b i c i t ya n ds e l f - c l e a n i n gp r o p e r t y n o w ，a l lo ft h ef a b r i c a t e ds y n t h e t i ca d h e s i o n a r r a y sa r eo n es i n g l el a y e ro fm i c r oo rn a n os t r u c t u r e ，a n dt h ea t t a c h m e n ta n dd e t a c h m e n t a r em a d eb yc o n t r o l l i n gt h ea c t i o no ft h ew h o l ea r r a y t h e r ei sg r e a td i f f e r e n c eb e t w e e n t h a ta n dt h eg e c k o sm u s c l es u b g r o u pc o n t r 0 1 t h u sad e s i g nb yc o n t r o l l i n gt h ea c t i o no f d i f f e r e n tp a n ss h o u l db ed e v e l o p e d ，w h i c ha l l o w st h ea r r a yt os w i t c hb e t w e e na t t a c h m e n t i i i 摘要 a n dd e t a c h m e n ts i m p l y c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e m sa f o r e m e n t i o n e d ，t h ep a p e ri sf o c u s e do nf o u rp a r t st os t u d y g e c k o sd r ya d h e s i v e ：m o d e lb u i l d i n ga n ds i m u l a t i o n ，p a r a m e t e r sd e s i g n ，s t r u c t u r ed e s i g n a n dc o n t r o lm e t h o d ，f a b r i c a t i o na n dt e s t i n g a tf i r s t ，t h ea t t a c h m e n ta n dd e t a c h m e n t m e c h a n i s ma r es t u d i e d f o u ra d h e s i o nm o d e l sa r ep r e s e n t e db a s e do nt h em i c r o - s c a l e a d h e s i o nt h e o r y , t h e ya r ea s f o l l o w s ：s p a t u l a et i p s u b s t a t e ，s p a t u l a e s u b s t r a t e ，n a n o a r r a y s u b s t r a t ea n dm i c r o n a n oa r r a y - s u b s t r a t e ；m e a n w h i l et w oa r r a ys t r u c t u r e s t h e o r e t i c a l r e l a t i o n sa r ec o m p u t e da n ds i m u l a t e d ：o n ei st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h en a n o - s c a l e s p a t u l a es t r u c t u r ea n dr a n d o mr o u g hs u r f a c ed u r i n gt h ep r o c e d u r eo fa t t a c h m e n ta n d d e t a c h m e n t ，t h ee f f e c t so ft h es e p a r a t i o n ，t h ep r e l o a da n dt h el o c a t i o na n g l eo nt h ea d h e s i o n f o r c ea r ea n a l y z e di nd e t a i l ；t h eo t h e ri st h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h em i c r o n a n o - s c a l e a d h e s i o ns t r u c t u r ea n dr o u g hs u r f a c e t h e n ，t h es t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h eb i o m i m e t i c g e c k oa d h e s i o na r r a ya r ed e s i g n e d t oa v o i dh a i rb r e a k d o w n ，b u c k l i n g ，c o l l a p s ea n d c l u m p i n g ，w h i c hw i l lu p s e tt h ea d h e s i o nf o r c e ，t h er e q u i r e dp a r a m e t e r so fs t r e n g t h ，s t i f f n e s s s t a b i l i t ya n da n t i c l u m p i n ga r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y ；i no r d e rt oe x p l a i nt h es i z ee f f e c tf o r m a t e r i a l si nt h es c a l eo fm i c r o nm e t e r s ，t h es t r a i ng r a d i e n tt h e o r yi sa p p l i e d t h e nt h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r er e v i s e db yu t i l i z i n gt h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa st h ec o n s t r a i n t c o n d i t i o n t h ec o n t e n t sc o n s i s to fr o u g hs u r f a c ec o m p a t i b i l i t y ，h y d r o p h o b i ca n a l y s e sa n d s e l f - c l e a n i n ga b i l i t ya n a l y s e s ，w h i c ha r ee s s e n t i a lf o rt h ea t t a c h m e n tt ov a r i o u sc o n t a c t i n g s u r f a c e s t h e n ，b yu n d e r s t a n d i n gt h eg e c k o sc l i m b i n gc h a r a c t e r i s t i c ，ab i o m i m e t i cg e c k o a d h e s i o na r r a yi sd e s i g n e d ，w h i c hh a sa c t i v ec o n t r o la b i l i t ya n dc o n s i s t so ft h r e ep a n s ： f l e x i b l ec a n t i l e v e rw i t hc o n t r o lu n i t s ，m i c r o ns c a l es e t aa n dn a n os c a l es p a t u l a e a n dt h e m e t h o d so fc o n t r o l l i n gt h ep e e l i n ga c t i o no ft h ea r r a ya r es i m u l a t e da n da n a l y z e d f i n a l l y ， a d h e s i o np r o p e r t i e so ft h ea d h e s i o na r r a ya r et e s t e d ，a n dt h ep r o p o s e dm e c h a n i c a lm o d e l s a r ev e r i f i e de x p e r i m e n t a l l y h e r e ，w ef o c u s e do nt h ea d h e s i o nm e c h a n i s ma n dc o n t r o lm e t h o d t h ek e yo r i g i n a l c o n t r i b u t i o n si nt h i sp a p e rc a nb es u m m a r i e da sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h es t u d y o nm e c h a n i c a lb e h a v i o ro ft h eg e c k om i c r o n a n o s t r u c t u r e ， t h es y s t e mm e c h a n i c a lm o d e l sa r ep r o p o s e d ，w h i c hd e s c r i b et h em e c h a n i c a lp r i n c i p l eo ft h e 摘要 a t t a c h i n ga n dd e t a c h i n gp r o c e d u r e ，a n dt h ee f f e c t so ft h ep a r a m e t e r so nt h ea d h e s i o nf o r c e a r ed i s c u s s e ds y s t e m a t i c a l l y t h ep r o p o s e dm o d e l sh a v ee x p l a i n e dt h ee x p e r i m e n t a l p h e n o m e n a ，i e ，s m o o t hs u r f a c ea l l o w sb e t t e ra d h e s i o n ；t h e r ee x i s t sac r i t i c a lp r e l o a dv a l u e ； t h ea r r a ym a k e sw i t ht h es u b s t r a t eb e y o n d3 0 。c a u s e sd e t a c h m e n t 2 t h r o u g hp a r a m e t e rd e s i g na n a l y s i s ，g o o de n v i r o n m e n ta d a p t a b i l i t yi sa c h i e v e d ， s u c ha sb e t t e rc o m p a t i b i l i t yt or o u g hs u r f a c e ，b e t t e rh y d r o p h o b i c i t ya n db e t t e rs e l f - c l e a n i n g a b i l i t y , w h i c ha r e e s s e n t i a lf o rt h ea t t a c h m e n tt ov a r i o u sc o n t a c t i n gs u r f a c e s t h u st h e f o u n d a t i o ni sl a i dt od e s i g no p t i m la t i o no f t h ea r r a y s 3 ab i o m i m e t i eg e c k oa d h e s i o na r r a yi sp r o p o s e d ，w h i c hh a sa c t i v ec o n t r o la b i l i t y a n dc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ，f l e x i b l ec a n t i l e v e rw i t hc o n t r o lu n i t s ，m i c r o n s c a l es e t aa r r a y a n dn a f l o s c a l es p a t u l a ea r r a y a n dt w om e t h o d so fc o n t r o l l i n gt h ep e e l i n ga c t i o no ft h e a r r a ya r es i m u l a t e da n da n a l y z e d ，t r a n s l a t i o n a ld e t a c h m e n ta n dd e f l e c t i o nd e t a c h m e n t t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h es e c o n dm e t h o dc a nr e d u c et h ed e t a c h i n gf o r c ee f f e c t i v e l y a n dm a k ee a s yd e t a c h m e n t k e y w o r d s ：b i o m i m e t i cg e k c om i c r o n a n oa r r a y ，a d h e s i o nm e c h a n i s m ，v a nd e rw a a l sf o r c e m i c r o n a n om a n u f a c t u r e ，m i l c or o b o t b i o m i m e t i cr o b o t v 插图清单 图11 图1 2 图13 图14 图1 5 图1 6 图1 7 图1 8 图1 9 图1 1 0 图1 1 1 图1 1 2 图1 1 3 图1 1 4 图11 5 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 插图清单 几种动物的脚掌端部微观结构2 壁虎脚趾分层结构4 测量单根刚毛粘附力图5 刚毛沿基底下拉过程中粘附力与时间关系曲线6 合成的仿壁虎绒毛与a f m 探针问力曲线图7 壁虎脚掌多层结构模型7 绒毛通过范德瓦尔斯力与表面粘附作用模型7 绒毛受力模型示意图8 单根绒毛与接触表面压紧及脱离过程一9 仿壁虎绒毛的聚合物微突与a f m 探针的力曲线1 0 超疏水性的聚苯乙烯( p s ) 纳米管膜阵列s e m 图1 1 直径5 0 0 n m 长2 b t m 间距1 6 p m 的高弹性聚酰亚胺纤维阵列的s e m 图1 1 利用自组织微纳米孔膜加工出的直圣垒5 1 a m 高宽比为l ：2 的合成阵列1 2 利用自组织微纳米孔膜加工出的直径o 6 儿m 高宽比为l ：9 的合成阵列1 2 直径和长度都为6 9 m 的微米阵列的s e m 图1 2 绒毛与光滑表面接触示意图2 3 单根壁虎绒毛与粗糙表面接触受力示意图2 5 单根绒毛与光滑接触表面间粘着力与变形问关系示意图2 7 纳米阵列与粗糙表面接触示意图2 8 双层微纳米阵列与粗糙表面接触示意图一3 0 动态粘附接触状态中纳米阵列与不同粗糙度表面问相互作用力与间距关系3 4 动态脱离过程中纳米阵列与不同粗糙度表面间相互作用力与问距关系3 4 纳米阵列与不同粗糙度表面间相互作用力与预压力关系3 5 纳米阵列与粗糙表面间相互作用力与夹角关系3 6 双层微纳米阵列与不同粗糙度表面间相互作用力与间距关系3 7 x 插图清单 图3 1 图3 2 图33 图3 4 图35 图36 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图31 2 图3 1 3 图31 4 图3 1 5 图3 1 6 图4 1 图4 2 图4 _ 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 绒毛的轴向力与法向力示意图4 3 合成阵列绒毛的聚结现象4 6 绒毛间相互作用图4 6 粱的模型图- 5 0 参数修正前双层阵列与粗糙度较小表面接触相互作用力5 2 参数修正前双层阵列与粗糙度较大表面接触相互作用力5 2 参数修正后双层阵列与粗糙度较大表面接触相互作用力5 4 单层阵列与粗糙表面接触相互作用力5 4 荷叶表面的双层结构5 5 莲花效应5 6 水滴与粘附阵列表面的两种接触状态5 6 阵列密度随材料变化关系5 8 阵列接触角随材料变化关系5 9 壁虎绒毛与灰尘微粒接触的s e m 图6 0 单根绒毛与灰尘颗粒接触示意图- 6 0 纳米绒毛与灰尘微粒接触时相互作用力与间距关系- 6 2 压电悬臂粱结构示意图6 9 静电驱动式悬臂梁示意图7 0 悬臂梁在静电力作用下挠曲示意图7 0 极板间所加电压与刚毛末端挠度间关系图7 3 压电驱动式微纳米粘附阵列结构设计示意图7 5 压电驱动式微纳米粘附阵列结构简化设计示意图7 5 静电驱动式微纳米粘附阵列结构设计示意图7 6 粘附阵列基底平动脱离模型示意图7 9 纳米阵列与不同粗糙度表面平动脱离过程中相互作用力与间距关系8 0 粘附阵列基底偏转一定角度脱离模型示意图8 1 不同夹角情况下相互作用力与偏转角关系- 8 2 纳米阵列与不同粗糙度表面偏转脱离过程中相互作用力与间距关系8 3 不同初始间距情况下相互作用力与偏转角关系- 8 4 x i 插图清单 图4 1 4 图4 1 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 图5 6 图57 图5 8 图5 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 1 5 图5 1 6 图5 1 7 图 图 图 图 1 8 1 9 2 0 2 1 图52 2 不同初始间距情况下相互作用力与阵列基底长度关系 阵列与接触面间的剥离力矩与阵列基底分组后长度关系 仿壁虎微米阵列的工艺过程 直径2 u m 间距6 9 i n 长度5 9 m 的微米阵列 直径2 a m 间距6 1 t i n 长度1 9 m 的微米阵列 直径2 a m 间距6 1 t i n 长度1 5 9 m 的微米阵列- 直径8 9 i ni h j g e2 0 9 m 长度2 5 1 a m 的微米阵列 5 1 a m 孔径的硅阵列 直径5 1 a m 间距2 0 9 m 长度1 0 9 m 的微米阵列 直径5 9 t r l 间距2 0 p m 长度15 9 m 的微米阵列 孔径7 7 n m 的氧化铝模板 纳米硅胶阵列 扫描探针显微镜 s p m 探针的端部结构图 s p m 得到探针与剐毛问的力一位移曲线 探针与阵列无结构面问的力一位移曲线 钝锥压入平面的压力分布图 两种模型下的作用力与间距的曲线” 测量粘附力的实验装置示意图一 三种样本a l ，引，c l 与玻璃表面的单位面积粘附力一 样本a 1 从a 点处脱离示意图 样本a 1 从b 点处脱离示意图一 样本a 1 从c 点处脱离示意图 对阵列边缘施力剥离效果示意图 x l l o 3 s 5 5 6 螂 螂 州 睨 啦 啦 哪 哪 们 m 州 哪 蛳 嘶 们 们 啪 螂 删 邶 m 们 表格清单 表1 1 表2 1 表2 2 表3 2 表3 3 表3 4 表 表 表 表 表5 4 表5 5 表5 6 表5 7 表5 8 关于壁虎粘附机理的理论 不同接触模型的对比 选取的仿真计算参数 双层结构阵列仿真参数 表格清单 双层结构阵列修正后的仿真参数 粘附阵列自清洁性仿真参数 静电驱动仿真参数 s p m 测量粘附力的实验结果一 直径相同、间距相同、长度不同的微米阵列与玻璃表面的粘附效果- 面积、形状不同的样本a 1 与玻璃表面的粘附情况 面积、形状不同的样本b 1 与玻璃表面的粘附情况 面积、形状不同的样本c l 与玻璃表面的粘附情况一 样本a 1 ，b 1 与4 i 同材料表面接触情况 不同接触表面的粗糙度 样本a 1 从不同位置点脱离情况- q 控 弘 跎 酡 乃 粥 m m m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本文研究的意义和背景 爬壁机器人是机器人学的一个重要分支。具有攀爬与粘附能力的机器人在故障检 测、抢险救灾、高楼清洗、空间安全等方面都具有良好的应用前景 1 - 9 1 ，并且在特种机 器人方面也具有重要应用前景。而由于机器人工作壁面质构与粗糙度大不相同，因此 研究一种具有良好吸附能力，对各种环境和各种表面具有良好适应性的粘附爬行机构 十分必要。 到目前为止，使机器人附着在工作壁面上的方式主要有四种f l - 9 】：磁力吸附方式、 真空吸附、静电吸附方式和化学粘附。大多数能够攀爬垂直表面的机器人的足部都是 使用吸盘、磁体或者粘性物质的设计而成的。但这几种方式只能局限在特定的表面上 才能有效地发挥作用。如磁力吸附方式受壁面材料特性的限制，只适用于导磁材料， 在金属表面如船的外壳上攀爬；而真空吸附方式受壁面凹凸和多孔状况的限制，对密 封条件要求很高，真空吸附方式采用的吸盘只有在玻璃或其他十分光滑的表面才能发 挥作用；利用静电吸附原理的粘附爬行机构要求被接触表面具有导电特性，使其应用 范围受到限制，同时静电力十分微小，往往不能提供足够的粘附力：化学粘附时粘胶 容易挥发、固化，使得粘胶迅速被消耗而影响粘附。所有这些粘附方式都无法适用于 布满灰尘且崎岖不平的表面。 在上百万年的生物进化过程中，一些动物( 如壁虎、苍蝇、蜜蜂、蝗虫等) 的足 掌获得了最佳的几何设计和生物材料特性，保证它们能够在各种环境、不同材料、质 构、粗糙度的表面上运动和停留【1 0 - 2 6 。其中壁虎脚上功夫尤为神奇，能够攀墙自如、 倒挂悬梁，除t e l f o n 材质外几乎各式各样的东西都能攀附，甚至在水里、真空环境 及太空中都能行走自如，路径之处不留任何痕迹，足下干净利落。 一定的功能必与一定的结构相对应。这些动物脚掌工作面一一爪垫的微结构有两 种类型 1 0 - 2 6 j ：刚毛型和面接触型。壁虎、苍蝇和蜘蛛等的脚掌为刚毛型，其接触面由 第一章绪论 长且易于变形的刚毛组成，它能使脚掌适应各种各样的表面结构和粗糙度；蝗虫、臭 虫、蟑螂等脚掌为面接触型，其爪垫为相对柔软的易变形材料；变色龙、蜥蜴以及使 用干燥的吸附机制的昆虫也都具有类似的功能。生物学家研究这些动物运动现象发 现：它们脚掌表面具有特定的几何学形貌，在与表面接触中获得有效的粘附力。 下图为甲虫、苍蝇、蜘蛛以及壁虎的脚掌微观结构。 图1 1 几种动物的脚掌端部微观结构t 2 1 i 微观结构的s e m 照片显示1 2 ”：动物越重，它的脚掌结构越精细。它们尖端部分的 直径从0 2 p m 到5 u m 。其中甲虫脚掌的微结构较大，为面接触型。苍蝇在与粗糙表面 附着时主要借助脚尖的两个硬爪：在粗糙表面主要靠腿尖的硬爪勾住表面的不平处； 在光滑且柔软表面，则是靠腿尖硬爪在表面压出压痕，从而勾住表面：当表面既光滑 又坚硬时，则主要靠尖端的细小纤毛与平面的吸附作用。壁虎脚掌的微观结构最为精 细，它与接触表面间具有较大的粘着力，这是其能够“飞檐走壁”的重要条件之一。 壁虎脚趾与接触表面间产生的这种粘着力为范德瓦尔斯力p 3 0 】。范德瓦尔斯力是 中性分子彼此距离非常近时，产生的一种微弱电磁引力，这是一种干燥吸附。壁虎脚 趾的精细粘附结构具有粘附力大、具有对任意形貌的未知材料表面的适应性、不会对 物体表面造成损伤、自洁、可反复使用等优点，非常适合应用于微机器人的粘附爬行 机构中。其粘着机理对航天机器人、爬壁机器人及管道机器人脚掌的研制和高适应性 工业机械手的开发具有重要启发意义。因此利用现代仿生技术，认识壁虎的脚掌与表 面间的接触力学规律，获得技术灵感，研究仿壁虎脚掌的微纳米粘附阵列，为下一步 第一章绪论 仿生爬壁机器人的研制提供基础。 1 2 仿生学介绍及仿壁虎研究概况 2 0 世纪6 0 年代初诞生的仿生学( b i o n i c s ) ，是生物科学和工程技术相结合的一 门边缘学科，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的机构、功能、工作原理及控制 机理，来改进现有的或创造新的机械、仪器、建筑和工艺过程。 现代仿生学已经延伸到很多领域，仿生学的应用也极为广泛，几乎涉及所有的技 术领域和大多数应用领域队”】。机器人学是其主要的结合和应用领域之一，仿生学已 成为机器人技术创新方面的核心。机器人仿生学涉及结构、材料、功能、控制以及系 统仿生等多方面。 仿生学的研究范围主要包括：结构仿生：通过研究生物肌体的构造，建造 类似生物体或其中一部分的机械装置，通过结构相似实现功能相近；分子仿生：研 究与模拟生物体中酶的催化作用、生物膜的选择性、通透性、生物大分子或其类似物 的分析和合成等；能量仿生：研究与模仿生物电器官、生物发光、肌肉直接把化学 能转化成机械能等生物体中的能量转换过程；信息与控制仿生：研究与模拟感觉器 宫、神经元与神经网络、以及高级中枢的智能活动等方面生物体中的信息处理过程。 比如利用遗传算法，人工神经网络等，目的是使人造的机械能够部分实现高级动物丰 富的功能，如思维、感知、运动、操作等。 自然界生物的运动行为和某些机能己成为机器人学者进行机器人设计、实现其灵 活控制的思考源泉，导致各类仿生机器人不断涌现。仿生机器人就是模仿自然界中生 物的外部形状或某些机能的机器人系统。 现在国内外开展仿壁虎的研究主要包括两个方面：壁虎粘附机理的研究以及仿壁 虎粘附阵列加工工艺的研究。 1 2 1壁虎粘附机理研究概况 壁虎神奇的脚上功夫早已引起人们的关注。近一个世纪，人们对壁虎脚掌与各种 物体表面的超强粘附机理进行了广泛深入的研究。研究者采用不同的概念，针对壁虎 与接触表面问的粘附力提出了以下几种有代表性的理论。下表是人们对壁虎与接触表 第一章绪论 面的粘附机理的认识过程 2 9 , 3 6 1 ，这些都不认为是壁虎产生粘附力的主要因素。 所提出的理论理论被否定的主要原因 气压造成的吸力在真空中也能实现粘附 摩擦力粘附力远大于摩擦力 微联结作用通常存在于粘合剂与不光滑物体表面： 微联接作用表面的规则性不是壁虎产生粘附的必须条件， 壁虎可以粘附在抛光的玻璃上 静电引力空气离子化对壁虎脚的粘附力没有影响 粘胶作用壁虎的脚底没有腺体，不分泌任何液体 毛细作用力壁虎与亲水表面和疏水表面问的粘附力相差很小 表1 1关于壁虎枯附机理的理论 美国的k e l l a ra u t u m n 等人于2 0 0 0 年在 n a t u r e ) ) 上发表论文【2 引，解释了为什么 壁虎能在光滑的墙壁上行走自如，甚至能贴在天花板上。他们发现壁虎的爬力取决于 物理尺寸而不是表面化学特性，也就是取决于壁虎刚毛尺寸、形状和刚毛的密度，而 不在于它是什么材料做成的。结果表明，这种特殊的粘着力是由壁虎脚底大量的细毛 与物体表面分子之间产生的范德瓦尔斯力( v a nd e rw a a l sf o r c e s ) 累积而成的。范德瓦 尔斯力是中性分子彼此距离非常近时，产生的种微弱电磁引力。他们通过电子显微 镜观察( 图1 2 ) ，发现壁虎的脚趾生有约两百万根细小的刚毛，刚毛直径约5 9 i n ，长 度约3 0 1 3 0 9 m 。每根刚毛的顶端都有约1 0 0 一一1 0 0 0 个更细小的分支一绒毛，这些绒毛 大约0 2 0 5 t x m 粗。 图1 2 壁虎脚趾分层结构1 2 2 1 a 壁虎b 壁虎脚部刚毛阵列c 单根刚毛d 刚毛末端细分的绒毛 4 一 第一章绪论 壁虎脚趾这种精细结构使得绒毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生范德 瓦尔斯力。根据计算，如果壁虎脚掌纤毛全部与接触表面粘附，一只大壁虎的四只脚 产生的总作用力压强相当于十个大气压，可以吊起1 2 5 公斤的物体。 1 2 1 1 壁虎粘附机