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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,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,CONTENTS一：壁虎的吸、脱附机制二：仿壁虎粘附阵列的设,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,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,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,01020403静电说？范德华力?！粘液说？吸盘说？1.,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壁虎的吸附机制范德华力?！本模板的所有素材和逻辑图表，,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。,1,1.1壁虎的吸附机制Kellar Autumn等人利用MEM,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壁虎的脱离机制壁虎在竖直的墙壁上能以1ms的速度快速,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,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,。,1,1.2壁虎的脱离机制另外一种解释：,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,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,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仿壁虎粘附阵列的设计应使其具有,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2003年Metin Sitt,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,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,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,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。,3,2.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,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 目前仿壁虎材料主要应用在机器人上,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,研究现状及展望 虽然对壁虎的微结构有了较清楚的认,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,2003:886-890,参考资料1Autumn K,Liang Y A,H,Thanks for your attention!,Thanks for your attention!,