壁虎仿生粘附材料--课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,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,。,01,01,02,04,03,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，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,u,m，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。,1,1.1,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,u,N。,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,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,m,s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,。,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,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。,02,2.,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。,2,2.,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,3,2.2,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,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。,3,02,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,。,3,02,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,1,Autumn K,Liang Y A,Hsieh S T,et al.Adhesive Force of a Single Gecko Foot-Hair,J,Nature,2000,405:681 685,2SHAH G J，SITH MModeling and design of biomimetic adhesives inspired by gecko fothairsC,IEEE,International Conference on Robotics an d Biomimetics,Shenyang,China,2004:873-878,3SITH M High aspect ratio polymer mieronano-strueture manufacturing using nanoembossing，nano-molding and directed self-assemblyC,IEEE,Advanced Mechatronies Conferenee,Kobe,Japan,2003:886-890,Thanks for your attention!,