壁虎仿生材料課件

壁虎仿生粘附材料匯報(bào)人：班級(jí)：

學(xué)號(hào)：壁虎仿生粘附材料匯報(bào)人：班級(jí)：學(xué)號(hào)：1CONTENTS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CONTENTS一：壁虎的吸、脫附機(jī)制二：仿壁虎粘附陣列的設(shè)2壁虎的吸、脫附機(jī)制幾個(gè)世紀(jì)以來(lái),人們一直驚訝于一些動(dòng)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(dòng);獨(dú)特的粘附作用源自于自然界長(zhǎng)期的進(jìn)化,研究其吸、脫附機(jī)理對(duì)仿制與之類(lèi)似的生物材料有著巨大的啟示作用。01壁虎的吸、脫附機(jī)制幾個(gè)世紀(jì)以來(lái),人們一直驚訝于一些動(dòng)物如壁虎3

·01020403靜電說(shuō)？范德華力?！粘液說(shuō)？吸盤(pán)說(shuō)？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，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 ·01020403靜電說(shuō)？范德華力?！粘液說(shuō)？吸盤(pán)說(shuō)？1.41.1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，KellarAutumn等人利用單根剛毛的粘附力，使用JKR模型對(duì)抹刀形頂端的半徑進(jìn)行了近似估計(jì)，結(jié)果為0．13~0．16um，與實(shí)驗(yàn)測(cè)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(dòng)。他們使用兩種不同的疏水性聚合物(硅樹(shù)脂橡膠和聚酯樹(shù)脂)制造了仿壁虎的絨毛結(jié)構(gòu)，并測(cè)量其與AFM探針間的粘附力，發(fā)現(xiàn)47％~63％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。[1]1.1壁虎的吸附機(jī)制范德華力?！本模板的所有素材和邏輯圖表，51.1壁虎的吸附機(jī)制KellarAutumn等人利用MEMS技術(shù)制造的高精度二維壓阻懸臂梁測(cè)量了壁虎單根剛毛的粘附力，最大值為194+25uN。所有剛毛同時(shí)粘附并達(dá)到最大值時(shí)，壁虎的腳掌可產(chǎn)生約1300N的粘附力。[1]1.1壁虎的吸附機(jī)制KellarAutumn等人利用MEM61.2壁虎的脫離機(jī)制壁虎在豎直的墻壁上能以1m／s的速度快速爬行，在沒(méi)有任何測(cè)量到外拉力的條件下，剛毛在15ms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)制壁虎在豎直的墻壁上能以1m／s的速度快速71.2壁虎的脫離機(jī)制KellarAutumn等人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)剛毛與基底成30?角時(shí)會(huì)突然發(fā)生脫離，說(shuō)明可能存在脫離的臨界角。整個(gè)脫離過(guò)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，裂紋逐漸增大造成脫離。[1]1.2壁虎的脫離機(jī)制81.2壁虎的脫離機(jī)制另外一種解釋?zhuān)阂员诨⒔q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(shí)拖拽力均平行于基底,但方向相反。脫附時(shí)的力臂遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于吸附過(guò)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]1.2壁虎的脫離機(jī)制另外一種解釋?zhuān)?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。

02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102.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)GauravJShah等人將壁虎的層狀陣列簡(jiǎn)化為圖所示的模型，其中L為nm級(jí)絨毛的長(zhǎng)度；a為絨毛半徑；w為絨毛間距；θ為絨毛傾角。納米級(jí)絨毛建模為有傾角的圓柱狀懸臂梁，頂端是個(gè)半球體，如圖所示，這樣更符合人工制造絨毛的實(shí)際形狀。[2]2.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112.仿壁虎粘附陣列的設(shè)計(jì)與制造2003年MetinSitti在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了三種制造方法[3]2.2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(zhǎng)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(jí)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(lái)灌注成型、烘培，通過(guò)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2003年MetinSitt122.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(duì)稱(chēng)的納米陣列時(shí)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。[3]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132.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(jí)，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。[3]02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142.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(lèi)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。[3]02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152.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(zhǎng)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(chǎng)，微納米絨毛就開(kāi)始生長(zhǎng)直到碰到上層極板，精確控制時(shí)間就能得到理想的結(jié)果。[3]

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16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(dòng)技術(shù)的研究,吸附技術(shù)研究主要是圍繞研制仿壁虎腳掌的吸附材料展開(kāi),移動(dòng)技術(shù)則主要是模仿生物的靈巧移動(dòng)方式。美國(guó)、日本等都在開(kāi)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)狀及展望目前仿壁虎材料主要應(yīng)用在機(jī)器人上17研究現(xiàn)狀及展望雖然對(duì)壁虎的微結(jié)構(gòu)有了較清楚的認(rèn)識(shí),但是還有很多問(wèn)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(jià)格低廉、綜合性能好且能大規(guī)模生產(chǎn)的仿壁虎器件。03研究現(xiàn)狀及展望雖然對(duì)壁虎的微結(jié)構(gòu)有了較清楚的認(rèn)18參考資料[1]AutumnK,LiangYA,HsiehST,etal.AdhesiveForceofaSingleGeckoFoot-Hair[J],Nature,2000,405:681—685[2]SHAHGJ，SITHM．Modelinganddesignofbiomimeticadhesivesinspiredbygeckofot·hairs[C],IEEE,InternationalConferenceonRoboticsandBiomimetics,Shenyang,China,2004:873-878．[3]SITHM．Highaspectratiopolymermiero／nano-strueturemanufacturingusingnanoembossing，nano-