仿壁虎機(jī)器人腳掌粘性材料的仿生學(xué)研究.pdf

1、科學(xué)研究已經(jīng)證明：壁虎的懸梁掛壁源于其腳底剛毛與接觸面之間的“范德華力”。仿壁虎人工腳掌粘性材料的研制對(duì)仿生機(jī)器人的三維無(wú)障礙運(yùn)動(dòng)具有十分重要的意義。課題組深入研究了“大壁虎”（中國(guó)廣西）腳掌的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)力學(xué)，借鑒了國(guó)內(nèi)外同行專(zhuān)家的研究成果，制定了仿壁虎機(jī)器人腳掌仿生粘性材料的研制工作。論文以仿生粘性材料的研制及應(yīng)用為目標(biāo)，主要進(jìn)行了以下4個(gè)方面的工作：壁虎剛毛陣列的力學(xué)分析、人造剛毛陣列的設(shè)計(jì)及制備、聚氨酯/硅橡膠共聚體粘性材料

2、的研究以及人工腳掌的仿生設(shè)計(jì)。具體內(nèi)容如下： （1）基于JKR理論，理論分析了壁虎剛毛陣列與粗糙面脫附過(guò)程中的力學(xué)特性和剛毛傾斜角對(duì)剛毛陣列拉開(kāi)力的影響。以MATLAB為工具，進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，得出了剛毛陣列脫附過(guò)程中的脫附力、粘附力等的變化及剛毛傾斜角對(duì)剛毛陣列拉開(kāi)力的影響。 （2）以JKR理論為基礎(chǔ)，分析得出了人造剛毛陣列克服纏結(jié)現(xiàn)象需滿(mǎn)足的幾何條件（長(zhǎng)徑比、剛毛間距）。設(shè)計(jì)了四種尺寸的微米級(jí)剛毛陣列，并利用等離子深

3、硅刻蝕工藝制作了剛毛陣列的硅片孔陣列模具。采用真空澆鑄法進(jìn)行了微米級(jí)硅橡膠剛毛陣列的澆鑄實(shí)驗(yàn)，并利用化學(xué)腐蝕法實(shí)現(xiàn)剛毛陣列的脫模。 （3）實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了以聚四氫呋喃（分子量3000）為主原料的聚氨酯預(yù)聚體的合成配方，并制作了一系列聚氨酯/硅橡膠共聚體粘性材料試樣。對(duì)聚氨酯/硅橡膠共聚體粘性材料試樣進(jìn)行了彈性模量和粘著力的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明聚氨酯含量在30％左右時(shí)材料具有最大的粘著力，并對(duì)該試樣進(jìn)行了粘附狀態(tài)下切向力的測(cè)試。