壁虎仿生材料

1、壁虎仿生粘附材料匯報人： 班級： 學號：CONTENTS一：壁虎的吸、脫附機制二：仿壁虎粘附陣列的設 計與制造 三：研究現(xiàn)狀及展望壁虎的吸、脫附機制幾個世紀以來,人們一直驚訝于一些動物如壁虎、蚊子、蒼蠅等超強的吸、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;獨特的粘附作用源自于自然界長期的進化,研究其吸、脫附機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壁虎的吸附機制范德華力?！假設為范德華力：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行了近似估計，結(jié)果為013016 um，與實驗測量值很接近。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，范德華力被普遍認為是壁虎實現(xiàn)粘附的主要機理。11.1壁虎的吸附機制K

3、ellar Autumn等人利用MEMS技術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現(xiàn)的呢?1.2壁虎的脫離機制Kellar Autumn等人發(fā)現(xiàn)，當剛毛與基底成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，剛毛邊緣的應力增加，導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壁虎的脫離機制另外一種解釋： 以壁虎絨毛與基底接觸點為支點,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。脫附時的力臂遠遠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計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計與制造仿壁虎粘附陣列的設計應使其具有較強的粘附力、可控制脫離、能適應不同粗糙度的表面、自潔性和耐久性。2.1仿壁虎粘附陣列的設計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際形狀。22.仿壁虎粘附陣列的設計與制造2003年Metin Sitti在實驗的基礎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計與制造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的靈活性，可以在任何表面或者某指定區(qū)域內(nèi)進行，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計與制造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計與制造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計與制造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用在機器人上。仿壁虎機器人的研究主要分為吸附技術與移動技術的研究,吸附

8、技術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器人的研究,且處在領先的位置。03研究現(xiàn)狀及展望 雖然對壁虎的微結(jié)構(gòu)有了較清楚的認識,但是還有很多問題有待進一步系統(tǒng)、深入地探究。仿壁虎機器人大多運用的不是壁虎吸附的原理,即使運用壁虎吸附的原理其效果也遠遠不能達到天然壁虎的吸附效果。因此我們需要從實際應用的角度出發(fā),運用當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