蝾螈足掌的粘附与摩擦机制及仿生表面织构设计

To increase adhesion and friction is one of the important objectives of surface design. In 2013, we have found that the Chinese fire belly newt (Cynops orientalis) has the ability to climb on a wet and vertical surface of glass. The nano-scale peg-like structure (around 200nm) on its foot is supposed to be the dominant structure providing high adhesion and high friction. This is different to the toe pad of tree frog. Based on this discovery, the adhesive and frictional mechanisms of the newt's foot will be studied and compared with that of the tree frog; micro-machining techniques will be used to fabricate the biomimetic surface texture; the influences of the morphology and the size of the surface texture on the liquid spreading behavior, adhesion, and static/dynamic friction properties will be investigated systematically to clarify the scale effects of the surface texture, and the coupling mechanisms of friction and adhesion; finally, the designing principle of surface texture for high friction and high adhesion will be proposed. The theory obtained in this research would be significant for the foot pad design of the motorized endoscopic capsule, and the robots for climbing the wall of buildings.

增加粘附和增加摩擦是表面设计的一个重大需求。2013年，我们发现东方蝾螈可以在垂直的湿滑玻璃壁面上攀爬，据此推测蝾螈足掌上纳米尺度（200nm左右）的微凸起结构是产生高粘附和高摩擦的主要原因。这一点与树蛙明显不同。本课题将在此基础上深入研究蝾螈足掌微结构在湿滑条件下的工作机制，并与树蛙进行对比；利用微细加工技术制作出仿生表面织构；系统地研究湿滑条件下表面织构几何形态、特征尺寸、以及压缩/剪切形变对表面液体铺展、粘附、静/动摩擦特性的影响规律及关键作用因素；揭示仿生表面织构的尺度效应，以及粘附和摩擦的耦合机制；提出具有高粘附力和高摩擦力的表面织构设计方法；为爬壁机器人和胶囊内窥镜的爬行足掌设计提供依据。

经过35亿年的进化，自然界生物体表形成了许多结构奇妙、性能优异、功能丰富的表面织构。其中，动物脚掌表面微纳米结构可以高效地调控脚掌表皮和环境界面间的粘附作用，实现瞬时吸附与脱附行为。. 前期研究中，我们发现蝾螈可以在垂直的玻璃壁面上攀爬，据此开展了蝾螈脚掌表面织构观察及攀爬能力测试。目前对其粘附机理的揭示以及相关表面微结构的仿生学研究开展伊始。. 研究过程中，通过对蝾螈足掌/腹部微结构进行进一步观察和测试，分析了其高粘附和高摩擦力的工作机制；利用微细加工技术制作出仿生表面织构，系统地研究、验证了湿滑条件下表面织构几何形态、特征尺寸、以及压缩/剪切形变对表面液体铺展、静/动摩擦、粘附特性的影响规律，获得了关键作用因素；揭示了表面织构在粘附及摩擦方面的尺度效应；建立了融合粘附和摩擦效应的表面织构作用模型；提出了高粘附与高摩擦表面织构的设计方法。本课题的研究结果可以为爬壁机器人和胶囊内窥镜的爬行足掌设计提供依据。