湿滑条件下仿蝾螈脚掌微结构的弹性体足垫壁面粘附机理研究

Biomimetic adhesion technology have given wall climbing robot a better ability to adapt varied wall surface material and shape. At present, however, the most research on biomimetic adhesion technology focus on the setae biomimetic adhesion technology, but the adhesive ability under wet and slip conditions were not been proved, so the field of application is finite. This topic will study the newt foot microstructure which can make it unobstructed creep on the vertical surface of the glass under wet and slip conditions, and present to research the wall surface adhesive mechanism of biomimetic newt microstructured elastomer foot pad deeply at two facets of friction and film getter, reveal influence law on adhesion property brought by shear/compress of microstructure, the wettability of microstructured surface, the shape and size character of microstructure, and the roughness size and form of wall surface, develop the adhesive model which considering a variety of effects. On the basis of model above, obtain the designing and optimizing scheme to strengthen the adhesive property of microstructured foot pad. Meanwhile, the tests will be carried out to confirm the designing scheme. The achievement of this research will push forward the development of biomimetic adhesion technology and application on the wall climbing robot.

仿生粘附技术的出现，使得爬壁机器人对壁面材料及形状变化具有了更好的适应能力。然而目前研究较多的仍集中于刚毛型仿生粘附技术，且该技术在湿滑条件下的粘附能力尚未得到验证，在一定程度上限制了其应用范围。本项目借鉴蝾螈脚掌微结构能够使其在湿滑垂直表面爬行的特点，提出从摩擦以及薄膜吸附两个层面，深入研究湿滑条件下弹性体仿生微结构化足垫壁面粘附机理，揭示微结构剪切/压缩变形、微结构化表面浸润性、微结构形状及尺寸特征、以及壁面粗糙度大小及形式对粘附特性的影响规律，建立基于上述研究成果的多效应协同作用粘附力模型，提出在湿滑条件下，以增强壁面粘附力为目的的弹性体微结构化足垫设计与优化方案，并开展相关试验验证。项目的研究成果将对仿生粘附技术的发展及其在爬壁机器人上的应用起到积极的推动作用。

仿生粘附技术的出现，使得爬壁机器人对壁面材料及形状变化具有了更好的适应能力。由于国内外学者的广泛研究，刚毛型仿生粘附技术的研究已取得了重要突破，并在爬壁机器人上进行了初步应用。然而，对湿滑条件下仍具有优越粘附能力的光滑表皮垫型仿生粘附技术的研究尚处于起步阶段。鉴于此，本项目以蝾螈为仿生原型，以揭示仿生微结构化足垫与壁面的粘附机理，提出增强弹性体仿生微结构化足垫与壁面粘附能力的优化设计方案为目的，分别从摩擦及薄膜吸附两个层面展开研究。首先，通过表面观测及力学实验研究，获知了蝾螈脚掌表面微观形貌特征，及其与粘附力之间的关系。其次，分别利用实验研究及理论分析方法，系统性的研究了微结构化表面浸润性、微结构形貌特征参数（微结构图案形式、微结构尺寸参数）、接触面粗糙度形式及大小等因素对表面摩擦学性能及薄膜吸附性能的影响，并揭示内在影响规律，研究发现：在微结构尺寸特征参数中，微结构面积率是影响表面浸润性、摩擦学性能、以及薄膜吸附性能的重要因素，适当的面积率设计可使表面浸润性增强，最优面积率约为30%。对于摩擦及薄膜吸附性能而言，无论单一形状微结构化表面或复合形状微结构化表面，其均随着面积率的增大呈增强趋势。在微结构图案形式特征中，单一六边形微结构相比其他图案形式能够发挥更好的增大摩擦力作用，而复合围墙有间隙型微结构相比其他图案形式能够发挥更好的增强薄膜吸附力作用。上述研究成果能够为光滑表皮垫型仿生粘附技术的应用提供一定的理论指导，同时将对仿生粘附技术在爬壁机器人上的应用起到积极的推动作用。