仿生黏附材料的黏附性能评价及初步应用探索

针对空间微重力条件下固体间稳定黏附的技术需求,基于范德华力黏附作用机制的仿生黏附材料有望在空间环境中展现稳定黏附性能。通过模板法和化学气相沉积法制备出具有仿壁虎刚毛纤维阵列结构的聚乙烯基硅氧烷(PVS)高分子聚合物及垂直定向排列碳纳米管阵列(VACNT)仿生黏附材料,再由扫描电子显微镜、黏附-脱附行为测试平台对仿生黏附材料的微观结构及黏附行为进行了测试,并对种子、粮食颗粒及常用零部件的黏附固定效果进行了初步考察。结果表明,仿生黏附材料具有微纳米级刚毛结构。PVS具有稳定的可重复黏附特性,其法向黏附性能优于切向黏附性能,与蘑菇状顶端在黏附中发挥主要作用有关。而VACNT具有稳定的切向可重复黏附特性,其切向黏附性能优于法向黏附性能,是由VACNT黏附主要依靠侧面接触决定。VACNT和PVS对不同品种的生菜种子和粮食颗粒均能产生有效黏附固定,PVS还能够对空间站常用到的零部件进行稳定固定。

碳纳米管阵列仿生黏附受静电作用影响的研究进展

生物进化赋予了壁虎在各种表面上出色的黏附运动能力。受壁虎脚掌的微/纳黏附结构启发研制的仿生黏附材料,其黏附强度已优于壁虎。但壁虎脚掌的其他综合性能,如自清洁性、黏附可控性、可重复性等,仿生黏附材料还不具备,或者差距很大。本文对壁虎脚掌的黏附机制进行了深入分析,为提升仿生黏附材料性能指出方向。近期研究表明,壁虎黏附过程存在接触/摩擦电现象。通过对接触/摩擦电和黏附力的同步测定,发现壁虎黏附性能得益于范德华力并受静电力作用的影响。这一新的作用机制有助于理解仿生黏附材料性能局限的机理,指导其黏附性能的改进。在对不同材料接触电效应的研究中,静电作用对材料间相互作用力的影响也越来越多地被发现并量化分析,这些研究成果为仿生黏附材料黏附过程中静电作用的量化分析奠定了理论基础。碳纳米管仿生黏附材料具有优异的力学、电学性质,其接触电效应已得到验证并进行多样化的应用研究,这些研究成果为分析静电作用对碳纳米管仿生黏附材料的影响规律提供实验参考。此外,基于接触电能量转换特性的纳米摩擦发电机(TENG)已成功应用于能量收集,TENG的快速发展为研究接触电的原理和特性提供了实验平台。本文首先对壁虎黏附机制的近期研究进行梳理,总结范德华力、静电力等作用机制对壁虎黏附的影响规律;结合接触电的近期研究进展,总结静电作用对黏附力的影响规律;系统归纳碳纳米管的黏附性能和接触电现象的研究结果,讨论接触电效应对碳纳米管仿生黏附材料黏附性能的影响;最后结合相关的研究,建立初步模型分析静电作用对碳纳米管仿生黏附材料黏附力的影响。本文期望从静电作用的角度出发,为仿生黏附材料的性能优化提供新的研究思路。

聚氨酯蘑菇状仿生微纤维的混合黏附破坏分析

在仿生学领域壁虎因具有优越的攀爬能力而被广泛研究。为对壁虎仿生微结构的垂直攀爬功能进行设计,本工作对壁虎仿生微纤维与垂直表面之间的黏附机制进行了深入研究。采用双线性内聚力模型对聚氨酯(PU)蘑菇状仿生微纤维与刚性基体之间的界面黏附行为进行研究。运用压缩+剪切、剪切加载、拉伸+剪切分别模拟壁虎足部的附着、滑移及分离等爬行动作,探讨壁虎爬行过程中的黏附破坏机理。结果表明,在剪切加载、拉伸+剪切混合加载下,界面均发生法向和切向的混合黏附破坏;在压缩+剪切混合加载下,界面发生切向脱黏或混合黏附破坏取决于压缩载荷的大小。法向载荷通过改变微纤维与基体的接触面积来实现对切向黏附承载力的调控。斜向加载下界面的黏附承载力与载荷倾角有关,对于所选用的聚氨酯蘑菇状仿生微纤维,当斜向压力的倾角小于52°时,界面的切向黏附承载力随着斜向压力倾角的增大而增大;最优的斜向拉力方向为17°,沿该方向可用最小的拉力实现界面的脱黏。

仿生黏附变刚度机构设计与性能测试

针对从零到大刚度变化需要,设计一种基于仿生黏附的变刚度机构,它具有刚度变化范围大,响应迅速,体积小等优点。变刚度机构性能测试结果表明,变刚度机构可在约0.5s内完成非工作状态和工作状态之间的转换,在工作状态下可承担至少约90N的冲击载荷,且在工作200次后性能基本不变。变刚度机构可应用于在高冲击载荷下对人体头颈部的防护。

仿生楔形阵列制备方法与方向性黏附特性研究

针对一次性蜡模或光刻工艺制备方向性黏附阵列效率低且工艺复杂的问题,提出了基于微纳3D打印技术的楔形微结构阵列高效制备工艺,制备的仿生楔形阵列材料具有良好的黏附性能和方向性黏附特性。首先,仿生设计了具有方向性特性的楔形阵列黏附结构。然后,利用微纳3D打印技术加工了相应的微结构阵列模具,发展了仿生黏附材料制备工艺,分析了楔形结构的轮廓精度。最后,搭建了实验测试平台,研究了剪切方向、剪切距离、预压力、脱附速度等因素对黏附性能的影响规律。结果表明,仿生楔形阵列黏附材料具有显著的方向性黏附特性,验证了微纳3D技术用于制备仿生方向性干黏附材料的可行性。

空间黏附爬行机器人足端预压力优化与控制

基于仿生干黏附材料的空间足式爬行机器人可附着于航天器外表面并代替航天员完成舱外巡检、维护等工作,是无人自主化在轨服务与维护的有效途径。为保证足式爬行机器人与航天器的稳定附着,针对空间爬行机器人足端在与航天器接触时预压力对黏附稳定性影响的问题,提出一种足端预压力优化与控制方法。首先结合仿生黏附材料特性,建立黏附材料在预压阶段和黏附阶段的稳定性约束;其次在稳定性约束下基于二次规划方法优化足端力,保证预压力足够的同时减小对其他足的脱附力;最后通过基于环境刚度辨识的导纳控制实现优化后的力分配。结果表明,基于环境刚度辨识的导纳控制可实现预压力的柔顺控制,优化后的预压力可减小对其他黏附足的法向脱附力的影响,保证黏附爬行稳定性。

仿生干湿摩擦黏附器件的研究进展

生物在自然界的演化过程中进化出了许多独特的干湿摩擦、黏附器官来适应其生存环境。研究人员通过对自然界中典型摩擦与黏附现象的研究、认识和总结,提出了相应的仿生界面摩擦、黏附理论与模型,用于指导人工合成型智能摩擦黏附材料与器件。目前,仿生摩擦、黏附材料体系与器件的设计策略主要以表面微结构、界面物理化学相互作用以及机械形变为基础。但是,随着对生物摩擦黏附机理更加深入的了解,多策略耦合的设计理念逐渐成为主要研究方向。在此背景下,围绕表面微结构、界面物理化学修饰改性、机械形变调控的单一设计策略和多种耦合策略4部分,详细综述了近年来有关仿生摩擦黏附材料器件的最新研究进展,并分别针对单个与多策略耦合的设计理念以及其各自的优缺点进行了详细分析,阐述了这些材料与器件的创新设计原理、界面黏附性能、潜在性应用前景以及存在的问题。最后,对仿生摩擦、黏附材料与器件的未来发展方向进行了展望。该综述对表面工程、生物医学、微电子等领域的研究具有一定的指导意义。

微流体芯片仿生可逆封装方法

当2片聚二甲基硅氧烷接触时,黏附阵列中每根绒毛通过侧面与另一层的一根或多根绒毛的侧面接触,形成可逆封装。根据Baney-Hui的弹性圆柱体接触模型,得到了单根绒毛黏附力表达式。接着分别讨论了黏阵列的单面和双面接触形态以及相应封装强度。结果表明,双面接触形态的封装强度更大,最后用模版法制造了黏附阵列。

具有黏附方向性及自适应性的仿生湿吸足垫研究

以竹节虫的光滑足垫为仿生原型,提出一种用于爬壁机器人的新型黏附足垫,内部具有倾斜的仿纤维结构,表面有花纹微结构,基于湿吸机理产生黏附力.首先对湿吸模型进行讨论,在此基础上对足垫结构进行设计;然后对足垫的黏附方向性及自适应性进行深入分析;最后基于亲水性、黏弹性较强的热塑性弹性体(TPE)材料制备足垫.实验结果表明,提出的足垫具有较好的湿吸特性,在薄水膜介导下,法向黏附力约为0.65N,摩擦力约为3N,足垫表现出良好的黏附方向性及负载自适应性.

PVC gel bio-inspired adhesives with variable modulus and its application in a gripper

Inspired by the microstructure of gecko’s toe,two kinds of polyvinyl chloride(PVC)gels with different modulus were poured on a silicon mold with micropillars,and then a bio-inspired adhesive with variable modulus was manufactured in this study.The adhesions of variable modulus and fixed modulus bio-inspired adhesives were tested,respectively,on a smooth glass and a printed circuit board(PCB)with different surface structures.The results show that PVC gel bio-inspired adhesives with variable modulus have many advantages compared with the fixed modulus bioinspired adhesives.The adhesion of variable modulus bio-inspired adhesives on the rough PCB surface increased by 2−5 times,and due to the use of variable modulus of PVC gel,the surface micropillars can maintain high aspect ratio and flexible tips at the same time.Moreover,the use of PVC gel makes it easier to demold during the bio-inspired adhesives preparation.An adhesion-desorption device was made according to the movement of the gecko toes,and the PCB was successfully grasped.

仿壁虎和贻贝黏附材料

自然界中的动物和植物经过45亿年长期的进化使其结构与功能达到近乎完美的程度,实现了结构与功能的统一。黏附材料在生物医学、建筑等领域都具有重要的应用价值。受自然界中具有优异黏附特性的生物材料启发(如壁虎、贻贝等),国内外许多课题组相继开展了仿生黏附材料的研究。根据黏附机理的不同,黏附材料大致可分为可逆黏附和永久黏附两大类。壁虎的可逆黏附是基于其脚趾多尺度微纳结构与接触面间的范德华力,贻贝的永久黏附则源自其分泌的黏附蛋白。本文就壁虎、贻贝及其他生物黏附材料的黏附机理及其相应仿生黏附材料的国内外研究现状进行简要的综述,并对该领域未来的发展方向作了展望。