仿生水黽機(jī)器人超疏水性材料的微觀作用機(jī)理研究.pdf

1、仿生水黽機(jī)器人是模仿生物水黽在水面自由靈活的運動研制出的微型水上行走機(jī)器人,并且用來幫助人類完成一定的作業(yè)任務(wù)。仿生水黽機(jī)器人的研究是涉及到仿生學(xué),微機(jī)電系統(tǒng),表面化學(xué),原子物理和納米材料等交叉學(xué)科的前沿課題,而且仿生水黽機(jī)器人性能的提高也依賴于諸多學(xué)科的共同進(jìn)步。目前的仿生水黽機(jī)器人存在超疏水性弱,穩(wěn)定性差,運動靈活性不夠,微型化不足等問題,根本原因是沒有真正從機(jī)理上模擬水黽腿部超疏水性。因此,研究以實現(xiàn)機(jī)理上仿生為最終目的,基于分子

2、動力學(xué)的方法,從微觀上分析超疏水性材料的微觀作用機(jī)理,根據(jù)對超疏水性材疏水機(jī)理分析得出結(jié)論,結(jié)合生物水黽微觀結(jié)構(gòu),來實現(xiàn)對水黽微觀作用機(jī)理的認(rèn)識,最終實現(xiàn)水黽機(jī)器人機(jī)理上的仿生,具體的研究分為以下三個方面:
　　首先,觀察生物水黽腿部的特殊結(jié)構(gòu)并分析了其微觀作用,基于超疏水性理論,對仿生水黽機(jī)器人的支撐腿超疏水性材料的微觀機(jī)理進(jìn)行了深入分析,確定了仿生水黽機(jī)器人微觀作用機(jī)理的研究方法,通過對超疏水性材料的微觀組成分析,并且基于分子

3、動力學(xué)理論建立了超疏水性材料的微觀模型,并根據(jù)這個模型確立了分子動力學(xué)模擬仿真條件。
　　然后,根據(jù)生物水黽在水面上穩(wěn)定漂浮的現(xiàn)象,設(shè)計了超疏水性材料靜態(tài)微觀機(jī)理分析的方法,進(jìn)行分子動力學(xué)平衡狀態(tài)模擬,利用幾何法測定微觀接觸角,并結(jié)合Cassie方程建立微觀接觸角與宏觀接觸角關(guān)系,通過改變微觀分子組成與排列方式分析影響材料浸潤性的影響規(guī)律,采用自組裝單分子膜法方法制備相應(yīng)材料,實驗結(jié)果證明分析超疏水性材料疏水性的影響規(guī)律的正確性,

4、為疏水性材料的仿生制備提供理論基礎(chǔ)。
　　最后,依據(jù)生物水黽在水面跳躍和滑行過程中,存在相對于水面的豎直方向和水平方向上相對運動,分別設(shè)計了豎直方向和水平方向的超疏水性材料動態(tài)微觀機(jī)理分析的方法,其中豎直方向建立了水滴沖擊單板模型,水平方向建立了雙板擠壓反向運動模型。在每種動態(tài)模擬方法中,分別研究了水滴與材料的相對速度和材料微觀組成與結(jié)構(gòu)對動態(tài)模擬過程的影響,并且對動態(tài)模擬過程中浸潤狀態(tài),微觀作用力,水滴質(zhì)心位置,接觸角滯后等方面