碳纳米管干粘附阵列的粘附-脱附规律及在爬壁机器人上的应用基础研究

To move freely on ceiling, wall and unstructured floor like gecko is a dream of human beings.With the development of science and technology, adhesive mechanism of Gecko setae is gradually recognized, and fabrication technique of well-ordered gecko-inspired carbon nanotube arrays(CNTA) also makes great significant progress. However, interaction between CNTA and its matrix ground is relatively weak, CNTA with low preload for detaching and its attaching-detaching law used for the wall-climbing robot are also lack of awareness. Based on the research of setae toe-pad, this proposal aims to design CNTA with varying structures, geometric parameters, and material micro-characteristics to acquire suitable normal and shear adhesive force and freely detach under low preload, and to improve/fulfill the technology of transferring the CNTA onto the soft substrate, thus produces better adaptability and stronger interaction. Combined with the requirement of the robot, the gecko's moving mechanism on different surfaces, and the coupled relationship of its pads, the controlled CNTA growth technique will be well acquired to meet the attaching-detaching needs of the robot. By designing and developing new moving mechanism and reasonably planning the foot trajectory, the robot can really climb with adhesive CNTA.

像壁虎一样飞檐走壁是人类最激动人心的梦想之一。目前壁虎刚毛的粘附机制已确认，仿壁虎刚毛有序碳纳米管制备也取得重要进展。但碳纳米管阵列与生长基底结合力差，面向爬壁机器人粘附脚需求的粘附-脱附规律及低预压力的刚毛阵列设计还缺乏研究。本项目根据生物壁虎脚掌刚毛结构，设计制备不同结构和几何参数、材料微特征的碳纳米管阵列，期望获得在小法向预压力下产生合适的法向和切向粘附力，并以小载荷脱附；发展转移工艺，提高干粘附碳纳米管阵列与软基底的结合力。结合壁虎在不同表面运动反力规律、脚掌间力协调规律和脚趾粘附-脱附行为的研究，发展适合机器人粘附和脱附的碳纳米管阵列的调控技术，并通过设计和研制新型运动机构和规划脚掌运动轨迹，实现仿壁虎机器人用碳纳米管阵列实现粘附的目标。

本项目发表论文12篇（其中SCI 8篇）、申请中国发明专利2项、获得授权中国发明专利3项；毕业博士生2人、硕士生3人；在学术会议上做报告4人次。. 具体研究内容包括：采用CVD法以及结构和形貌的设计，制备干黏附碳纳米管阵列,并以此为研究对象，开展了如下工作：（1）随H2前处理开始温度的升高，VACNTs生长速率增大，表面杂质缺陷层逐渐减少；VACNTs的生长高度随碳源浓度和生长时间的增加而增大；VACNTs的切向黏附强度随阵列高度的增加而先增大后减小，最大切向黏附强度达49 N/cm2。VACNTs在20 N/cm2的切向黏附强度下，可持续粘附达96 min。（2）通过热氧化分离法和加热转移法相结合，将VACNTs转移至柔性聚碳酸酯(PC)基底。转移后，VACNTs与PC界面结合强度是转移前的3倍。（3）在铜基底上制备石墨烯/碳纳米管阵列复合结构材料，其界面结合力是Si基底VACNTs界面结合力的6.5倍。（4）无碳源气氛通入的CVD工艺制备超短VACNT(<200μm)，宏观切向黏附强度增加至61.25N/cm2，黏压比达1.53。（5）设计并制备圆柱状和皮瓣状的图案化VACNT，并获得具有超疏水自清洁特性（接触角>150°,滚动角<5°）的表面结构形貌。（6）在真空环境下，VACNT和PDMS/CNT的摩擦黏附行为能够与大气环境中保持一致，PDMS/CNT的摩擦黏附强度较大气环境下有所提升。在热真空环境下，VACNT和PDMS/CNT都能稳定维持与大气环境持平的法向和切向黏附强度及稳定性（0.5N/cm2，黏附保持时间>30min）。（7）利用3ds MAX 、Matlab和ADAMS联合分析实现了仿壁虎机器人的过渡步态仿真。. 总体上，本项目制备了具有良好的粘附性能的碳纳米管干粘附材料，分析了多生长因素对碳纳米管形貌，结构以及性能的影响，开展了碳纳米管应用方面的研究，对仿壁虎机器人在不同壁面间过渡步态进行了仿真分析，这将进一步拓展碳纳米管粘附材料以及仿壁虎机器人的应用。