仿壁虎碳纳米管/高分子复合结构构筑及其动态粘附性能调控机理研究

Surface climbing robots have enabled robotic applications in complicated environments such as vertical or 3-D walls,ceilings, space shuttle outer surfaces. They have been widely used for ruins rescuing and anti-terrorism surveillance. Carbon nanotube arrays and polymers based biomimetic gecko dry adhesives can not satisfied the dynamic adhesion of climbing robots.The micro-nano structure carbon nanotubes/polymers composites will be constructed in this project. The composites will combine the advances of carbon nanotubes and polymers.Surface topography and structure size will be adjusted to improve the adhesion of the composites. The effects of humidity for adhesive strength will be studied in the process of preloading to adhesion. Regulation mechanism of dynamic adhesion will be revealed based on these studies. We will summarize the relationships of environment parameters(humidity and roughness of surface )-structure size-adhesive strength, which will guide the constructs of dry adhesives adapting to different environment. The dry adhesives with strong adaptation of environment will be construct based on this project. It is very significant for climbing robots to improve their ability to adapt to the environment.

基于仿壁虎干性粘附材料的爬壁机器人在外星探测、废墟搜救及反恐侦查等领域有非常广阔的应用前景。由于材料特性和制备工艺的限制，基于高分子和碳纳米管阵列的干性粘附材料均存在难以克服的缺陷，不能满足爬壁机器人在不同环境的运动需求。本项目将结合高分子微米结构和碳纳米结构的优势进行跨尺度碳纳米管/高分子复合结构的构筑，通过对其形貌、结构尺寸的改变提高材料对粗糙表面的适应能力，得到最优的结构参数，并实现微纳结构的按需、可控构筑。在此基础上研究湿度在预压-粘附过程中对粘附性能影响，揭示湿度对仿壁虎粘附材料动态粘附性能的调控机理。得出环境（湿度、粗糙度）及阵列结构参数与粘附性能的关系，以指导适应不同环境的仿壁虎粘附材料的按需可控构筑。本项目的研究将提高仿壁虎干性粘附材料的环境适应能力，并通过改变湿度实现对其动态粘附性能的可控调节，对提高仿壁虎机器人的爬行能力及环境适应能力有重要的意义。

基于仿壁虎干性粘附材料的爬壁机器人在外星探测、废墟搜救及反恐侦查等领域有非常广阔的应用前景。由于材料特性和制备工艺的限制，基于高分子和碳纳米管阵列的干性粘附材料均存在难以克服的缺陷，不能满足爬壁机器人在不同环境的运动需求。本项目拟结合碳纳米管与高分子材料进行微纳米复合结构的制备，以发挥两种材料的优势，提高粘附性能，并最终实现粘附-脱附的可控调节。在本项目的研究中，我们首先通过对生长工艺及催化剂的调节进行了不同结构碳纳米管阵列的生长，并对阵列的粘附力进行了测试，得出了高粘附强度碳纳米管阵列的结构特征。为了增强碳纳米管阵列对表面的适应能力，本项目进行了碳纳米管阵列转移至柔性基底的技术研究，可以将碳纳米管阵列转移至各种高分子甚至金属基底。通过扫描电镜显示，碳纳米管阵列与基底之间结合非常牢固，而且通过对转移工艺的精确调整，可以得到具有微纳米分支结构的碳纳米管/高分子复合结构。在阵列制备的基础上，通过对阵列粘附性能的测试我们对碳纳米管阵列与目标表面间的粘附机理进行了深入研究。在机理研究的基础上，通过对碳纳米管阵列的结构进行调整我们将其切向粘附力提高到20N/cm2。但是在研究中也发现难以将碳纳米管阵列粘附过程的预压力降低，这也限制了碳纳米管阵列的快速粘附-脱附的控制。因此在后期将重点放在了碳纳米管阵列静态粘附性能的研究上，我们认为碳纳米管的稳定性使其能够在极端条件下也能使用。因此我们针对空间条件下碳纳米管阵列的静态粘附性能进行了研究，结果发现在高真空和高低温环境下碳纳米管阵列均能保持较强的粘附强度。经过本项目的研究我们认为，碳纳米管极大的纵横比及极小的直径使其拥有比高分子更高的干性粘附强度。但是碳纳米管的高弹性模量也使其再使用过程中必须施加比较高的预压力，而通过使用高分子与碳纳米管的复合并没有对预压力有明显的降低作用。因此碳纳米管基的仿壁虎干性粘附材料可以先从静态粘附的应用开始研究，空间粘附是一个研究方向之一。