壁虎仿生材料

1、壁虎仿生粘附材料匯報(bào)人： 班級： 學(xué)號：CONTENTS一：壁虎的吸、脫附機(jī)制二：仿壁虎粘附陣列的設(shè) 計(jì)與制造 三：研究現(xiàn)狀及展望壁虎的吸、脫附機(jī)制幾個世紀(jì)以來,人們一直驚訝于一些動物如壁虎、蚊子、蒼蠅等超強(qiáng)的吸、脫附能力。壁虎可以在各種基底上自由地爬行,即便是在天花板上也可以1m/s 的速度迅速地移動;獨(dú)特的粘附作用源自于自然界長期的進(jìn)化,研究其吸、脫附機(jī)理對仿制與之類似的生物材料有著巨大的啟示作用。 0101020403靜電說？范德華力?！粘液說？吸盤說？1.1壁虎的吸附機(jī)制壁虎的腳底根本不存在腺體使用x射線轟擊靶材消除靜電引力后，在離子化的條件下剛毛仍然能夠?qū)崿F(xiàn)粘附。壁虎放在玻璃罩子里，

2、然后把玻璃罩里的空氣抽走，結(jié)果壁虎仍然可以爬上垂直的玻璃1.1壁虎的吸附機(jī)制范德華力?！假設(shè)為范德華力：壁虎腳部的粘附力隨著所接觸基底的表面能的增加而增加，Kellar Autumn等人利用單根剛毛的粘附力，使用JKR模型對抹刀形頂端的半徑進(jìn)行了近似估計(jì)，結(jié)果為013016 um，與實(shí)驗(yàn)測量值很接近。本模板的所有素材和邏輯圖表，均可自由編輯替換和移動。他們使用兩種不同的疏水性聚合物(硅樹脂橡膠和聚酯樹脂)制造了仿壁虎的絨毛結(jié)構(gòu)，并測量其與AFM探針間的粘附力，發(fā)現(xiàn)4763的粘附力都是由范德華力提供的。在這幾種主要證據(jù)的支持下，范德華力被普遍認(rèn)為是壁虎實(shí)現(xiàn)粘附的主要機(jī)理。11.1壁虎的吸附機(jī)制K

3、ellar Autumn等人利用MEMS技術(shù)制造的高精度二維壓阻懸臂梁測量了壁虎單根剛毛的粘附力，最大值為194+25 uN 。所有剛毛同時粘附并達(dá)到最大值時，壁虎的腳掌可產(chǎn)生約1300 N的粘附力。11.2壁虎的脫離機(jī)制壁虎在豎直的墻壁上能以1ms的速度快速爬行，在沒有任何測量到外拉力的條件下，剛毛在15 ms內(nèi)能輕松脫離基底。那么爬行中迅速的脫離是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢?1.2壁虎的脫離機(jī)制Kellar Autumn等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剛毛與基底成30角時會突然發(fā)生脫離，說明可能存在脫離的臨界角。整個脫離過程就像是在剝離條帶，這可能是隨著角度的增加，剛毛邊緣的應(yīng)力增加，導(dǎo)致絨毛與基底間的連接出現(xiàn)裂紋，裂紋逐

4、漸增大造成脫離。11.2壁虎的脫離機(jī)制另外一種解釋： 以壁虎絨毛與基底接觸點(diǎn)為支點(diǎn),絨毛另一端與基底的距離為力臂,吸附和脫附時拖拽力均平行于基底,但方向相反。脫附時的力臂遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸附過程中的力臂,由杠桿原理知,壁虎僅需用很小的力即可讓絨毛與基底分離。1仿壁虎粘附陣列的設(shè)計(jì)與制造壁虎的粘附陣列是一種性能優(yōu)異的干性粘著劑，由于是范德華力起主要作用，粘附力主要受絨毛材料和幾何形狀的影響，這為人們仿制粘附陣列提供了很大的可能性。 022.仿壁虎粘附陣列的設(shè)計(jì)與制造仿壁虎粘附陣列的設(shè)計(jì)應(yīng)使其具有較強(qiáng)的粘附力、可控制脫離、能適應(yīng)不同粗糙度的表面、自潔性和耐久性。2.1仿壁虎粘附陣列的設(shè)計(jì)Gaurav J

5、Shah等人將壁虎的層狀陣列簡化為圖所示的模型，其中L為nm級絨毛的長度；a為絨毛半徑；w為絨毛間距；為絨毛傾角。納米級絨毛建模為有傾角的圓柱狀懸臂梁，頂端是個半球體，如圖所示，這樣更符合人工制造絨毛的實(shí)際形狀。22.仿壁虎粘附陣列的設(shè)計(jì)與制造2003年Metin Sitti在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了三種制造方法32.2仿壁虎粘附陣列的制造方法01納米雕刻法02自組織微納米孔膜鑄造法03基于微納米絨毛生長的定向自裝配法前兩種方法要首先生產(chǎn)主模板，上面有微納米級尺度的大深寬比的孔陣列，作為生產(chǎn)絨毛陣列的負(fù)版，然后用聚合物來灌注成型、烘培，通過剝離或刻蝕與主模板分離。2.仿壁虎粘附陣列的設(shè)計(jì)與制造2.2

6、仿壁虎粘附陣列的制造方法01納米雕刻法用一種納米尖端，如原子力顯微鏡或者隧道掃描顯微鏡的針尖，納米尖端陣列或者任何具有大深寬比的微納米結(jié)構(gòu)陣列，將其在柔軟的蠟平面上壓槽，即得到主模板。這種方法在制造具有不同傾角和非對稱的納米陣列時具有很強(qiáng)的靈活性，可以在任何表面或者某指定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，但是它只能生產(chǎn)幾種特定高寬比率的絨毛陣列，可得到的陣列面積小，生產(chǎn)速度也較慢。32.仿壁虎粘附陣列的設(shè)計(jì)與制造2.2仿壁虎粘附陣列的制造方法 以具有大高寬比孔陣列的膜為主模板，如氧化鋁膜和聚碳酸酯膜：鋁膜上的孔徑是納米級，具有很高的深寬比，但得到的陣列絨毛易于糾結(jié)；聚碳酸酯膜上的孔徑較大，深寬比較小，但是這些孔的傾

7、角及間隔都是隨機(jī)的，很難得到間隔均勻、方向一致的絨毛陣列。302自組織微納米孔膜鑄造法2.仿壁虎粘附陣列的設(shè)計(jì)與制造2.2仿壁虎粘附陣列的制造方法 為得到類壁虎的分層絨毛陣列，可將具有納米孔和微米孔的膜結(jié)合在一起作為模板。302自組織微納米孔膜鑄造法2.仿壁虎粘附陣列的設(shè)計(jì)與制造2.2仿壁虎粘附陣列的制造方法03基于微納米絨毛生長的定向自裝配法 在金屬極板上噴涂一薄層液態(tài)聚合物膜，在相距很近的另一極板上加上直流電場，微納米絨毛就開始生長直到碰到上層極板，精確控制時間就能得到理想的結(jié)果。3 研究現(xiàn)狀及展望 目前仿壁虎材料主要應(yīng)用在機(jī)器人上。仿壁虎機(jī)器人的研究主要分為吸附技術(shù)與移動技術(shù)的研究,吸附

8、技術(shù)研究主要是圍繞研制仿壁虎腳掌的吸附材料展開,移動技術(shù)則主要是模仿生物的靈巧移動方式。美國、日本等都在開展仿壁虎機(jī)器人的研究,且處在領(lǐng)先的位置。03研究現(xiàn)狀及展望 雖然對壁虎的微結(jié)構(gòu)有了較清楚的認(rèn)識,但是還有很多問題有待進(jìn)一步系統(tǒng)、深入地探究。仿壁虎機(jī)器人大多運(yùn)用的不是壁虎吸附的原理,即使運(yùn)用壁虎吸附的原理其效果也遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到天然壁虎的吸附效果。因此我們需要從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā),運(yùn)用當(dāng)今的新興科技尤其是納米科技,制備出一種價格低廉、綜合性能好且能大規(guī)模生產(chǎn)的仿壁虎器件。03參考資料1Autumn K, Liang Y A , Hsieh S T, et al .Adhesive Force

9、of a Single Gecko Foot-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 nanoe