壁虎脚掌刚毛接触力学性能试验研究

壁虎脚掌刚毛接触力学性能试验研究 July 2011 2011 7 润滑与密封年 月 第 36 卷 第 7 期Vol. 36 No.7 LUBRICATION ENGINEERING DO: 10. 3969 / j. issn. 0254 ) 0150. 2011. 07.010 I *壁虎脚掌刚毛接触力学性能试验研究 212 敏赵林林戴振东于 ( 1. 223003;江苏财经职业技术学院机电工程系 江苏淮安 2. 210016)南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所 江苏南京 檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿: ，， 摘要利用摩擦磨损试验机综合试验台通过模拟壁虎实际在墙壁上爬行过程来研究分析壁虎脚掌刚毛接触力学 。: ，，并对试验前后的离体壁虎刚毛进行微观分析实验得出同样的预负载下对于不同的接触面顺刚毛方向的切向力都 ，，，远远大于逆刚毛方向的切向力证明壁虎在实际运动中通过在顺着刚毛方向上与接触面黏附在逆刚毛方向上与接触 ; 。面脱附材料本身的性质或材料的粗糙度对壁虎刚毛切向力有影响 : ; ; ; 关键词刚毛黏附脱附接触力学性能 : TH117. 1 : A : 0254 ) 0150 ( 2011)7 ) 040 ) 3中图分类号文献标识码文章编号 Expeimental Studies on Contact Mechanics of GeckosFoot r’ 122Setae Zhao LinlinYu MinDai Zhendong ( 1. Department M oecf hanical and Electrical Engineering，Jiangsu Vocational and Technical College of Finance , Economics，Huaian Jiangsu 223003，China; 2. Institute of Bio-inspired Structure and SurfEacngein eering， Nanjing University of Aeronautics , Astronautics，Nanjing Jiangsu 210016，China) Abstract: The gecko setae’contact mechanics weres tudied by simulating the gecko which moves on the llw oan the wear and raabsion test machine and theg ecko setae waasn alyzed before and after etxhepe riments, The results show that tangential force laong the setaeis greater thanh iwch the inverse direction of the setae on the sarme-elo apd and different interface, It proves that thegec ko adheres to the surface byi rtecheti odn along the setae and detaches the sinur face the re- verse idrection in the actual movement and the nature omfa tteheria l itself or them aterial roughness affects the tangential force, Keywords: setae; attachment; detachment; comecnhtacanitc s ，、、，众所周知苍蝇壁虎等动物能够在墙壁上天列的理论模型研究表明黏着力随接触面积增加而加,1，4 ) 5,，。 。Autumn 花板上等自由地活动捕食这种能力让人叹为观止强等已测得一根刚毛与接触面分离时 ,6, 显然壁虎等动物的脚掌与物体表面之间必然存在着可 。Gao 所需要的力等用有限元分析单根刚毛的黏着 ,7, 。，靠的黏着接触根据壁虎脚掌的黏接机构及功能可 ，; Sitti 力并提出了一种设计刚毛的方法等对刚毛 ,8,。，以制造出人造黏接系统因此研究壁虎脚掌的结构 。的制作及模拟进行了初步研究国内如王吉岱等已 ，及受力机制对研究壁虎脚掌机器人提供了很好的借 。对仿壁虎刚毛与粗糙表面进行黏着力建模仿真分析,1,。鉴作用 本文作者通过模拟壁虎实际在墙壁上爬行过程来 ，国外已开始研究壁虎刚毛的接触机制并寻找合 ，研究分析壁虎脚掌刚毛接触力学并对试验前后的壁 ，适的材料来制作刚毛阵列以便应用于仿壁虎机器人 。虎刚毛进行微观分析 ,2 ) 3, 。Greenwood 及特种机器人等发展及建立了一系 1实验部分 1. 1 实验仪器 * : ( 60535020) ; 基金项目国家自然科学基金重点项目 重大国 ( 1)( 摩擦磨损实验机综合试验台 南京航空航 际 合 作 项 目 ( 60910007 ) ;国 家 自 然 科学基金面上项目 ) : ，1 天大学仿生结构中心研制如图 所示利用此综( 50705043, ) ，合实验台可以实现单垂直方向的黏着力测试单水平 : 2010) 12 ) 06收稿日期 ，方向的摩擦力的测试负压力方向的摩擦力的测试及 ( 1982—) ，，，: 作者简介赵林林 女讲师目前主要从事仿生结。拉开力实验 E-mail: zhaolinlin108@ 163.c om,构、材料及其摩擦学设计, ( 2) Leica MZ9.5 : 生物显微镜对壁虎脚趾的显 -mail: yumin @E( 1973—) ， ， ,: 通讯 作 者于 敏 女副 教 授。微拍摄 nuaa. educ.n , 2 结果及分析 2. 1接触力分析 2 图 示出了模拟壁虎脚掌在接触面上运动过程 ，。时法向力和切向力随时间的变化关系曲线 图 1 ?型直线式摩擦磨损试验机Fg 1 -nea wear testeilirr? 1. 2 实验材料 ( 1) : ( R0. 38 接触面有机玻璃 表面粗糙度为 a m，) ，( R10. μ丙酮 处 理毛 玻 璃 表 面 粗 糙 度 为 a 64 m ) ，( μ丙 酮 处 理普 通 玻 璃 表 面 粗 糙 度 为 R5. 54 m ) ，A4 。μ丙酮处理纸 a 图 2 模拟壁虎在接触面上的爬行过程曲线 ( 2) 离体壁虎左后脚的无名 指。Fig 2 Process curves simulated by the gecko crawling the interface 1. 3实验 ( 1) ，模拟壁虎在接触面上爬行施加砝码作为 3 图 示出了壁虎的左后脚的无名指与不同的接触 ，，预负载撤掉砝码传感器带动细绳牵拉壁虎脚趾运，1 面的法向力与切向力的对应关系表 给出了对应的 Acq ，。中动将试验测得的数据导入 ，回归方程及相关系数结果表明切向力以线性规律随 ( 2) 703 ，将壁虎脚趾用 硅橡胶固定在传感器上。着法向力的增加而增加以上拟合的回归方程和回归 ，通过垂直电机的运动对下试样进行加载当加载到一，。线是否有意义需要进行统计检验本试验中参与拟 100，f = 100 ) 2 = 98。，，合的试验点为 所以 显著水平α 定载荷后电机沿水平方向运动从而带动传感器水 0. 05，= 0. 197，取 此时γ 试验得到的曲线的相 ，，平方向运动直到传感器与脚趾脱离为止可测得水 0. 05，98 ，关系数均大于此临界值说明建立的回归方程是有意 ( 平方向上的拉开力 利用摩擦磨损实验机综合实验 ,9, 。义的) 。，台的拉开力试验程序试验过程中法向力是程序 。中随机给定的 图 3 壁虎的左后脚的无名指与不同接触面的法向力与切向力的对应关系Relationship between the onrmal force andt angential force contactebdy geckos left rear ring ’ ig 3Ffinger with different surfaces ( a) A4 paper; ( b) commgolans s ; ( c) frostegdl ass ; ( d) pexgass lil 42 36 第 卷润滑与密封 1 表 切向力与法向力对应的回归方程和相关系数 Table 1 Regression equations andr elated coefficients of thet angential force and normal force 切向力 )法向 力 相关系数y = ax + b 下试样 2a b R 0. 4494 91.20 90. 9776 顺毛 A4 纸0. 2862 20.92 4 0. 992 逆毛 0. 3853 52.57 8 0. 7514 顺毛 普通 图 5 试验后的壁虎脚掌刚毛 逆毛 0. 2341 36.18 2 0. 7306 Fig 5 Gecko setae after thteset 玻璃 顺毛 0. 5713 57.04 8 0. 9128 逆毛 0. 3603 13.01 4 0. 9566 毛玻璃 ，，通过观察磨损后的图像可以清晰地看出脚趾顺毛 0. 229 73.23 2 0. 5539 。有六列严重磨损将磨损后的图像和拍摄的标尺一起 有机逆毛 0. 1658 25.13 5 0. 6403 AutoCAD ，，玻璃 导入到 中利用计算分析功能得出磨损 。3 ，的面积对磨损严重区的面积测 次数据然后求平 ，。2 。均值再与标尺进行比较得出实际值如表 所示 :，3 从图 中可以看出在同样的预负载下无论在 ，哪种接触面上顺刚毛方向的切向力都远远大于逆刚 2 ，表 标尺和脚趾的测量值和实际值毛方向的切向力这就充分证明了壁虎在实际运动 Table 2 The measuredva lues and atcual ，，中通过在顺着刚毛的方向上与接触面黏附而通过 values of the scale and the toe ，在逆着刚毛的方向上与接触面脱附从而实现了在接 。4 触面上迅速黏附和迅速脱附通过对照 个图可以看 实际值第 1 次第 2 次第 3 次测量 编号2，; 出不同的接触面对刚毛的切向力影响是不一样的测量值 测量值 测量值 平均值 A / mm ，A4 其中毛玻璃和 纸作为下试样的切向力较其他两 1630 436629 3248. 9 629 8797. 629 8802. 标尺，者接触面较大是由于材料本身的性质或是材料的粗 1. 2 壁虎脚趾 807 7684 . 862 8901. 743 7874 . 804 482 。糙度对壁虎刚毛切向力的影响 2. 5 :通过以上试验测量得出的最大切向力在 2. 2壁虎脚掌刚毛的微观分析 3. 5 N ，之间若产生这些力需要刚毛与接触面的接触 2 2 Leica将试验 前 的脚趾和试验 后 的 脚趾分 别 在 1. 2 mm，1 mm面积为 则可得出 的刚毛的切向力为 ,5,2. 1 : 2. 9 N，Autumn 。与 等测出的试验值一致 MZ9.5 ，生物显微镜下进行拍摄得出试验图像如图 4，5 12. 5 。所示所有这些图像都是在同时放大 倍下 3 结论。，进行拍摄观察试验后的脚趾图像可以看出脚趾中 ( 1) ，，同样的预负载下对于不同的接触面顺，，间部分破坏较大薄层已经损坏较大说明拉动时刚 ，刚毛方向的切向力都远远大于逆刚毛方向的切向力。毛在此位置的切向力比较大 ，充分证明壁虎在实际运动中通过在顺着刚毛方向上 ，，与接触面黏附在逆刚毛方向上与接触面脱附从而 。壁虎在接触面上实现迅速黏附和脱附 ( 2) 材料本身的性质或材料的粗糙度对壁虎刚 。毛切向力有影响 ( 3)对试验前后的壁虎刚毛进行微观分析得出 Autumn 。的刚毛的切向力与 等测出的试验值一致 参考文献 【1】 Gao Huajian，Yao Haimin, Shapei nsensitive optimal adhesion of nanoscale fibrillar structures,J,, Proc Natl AcadS ci U S A， 2004，101( 21: )785 1 ) 7856, 【2】 JohnsonK L，Greenwood AJ, An adhesion map for theco ntact 图 4 试验前的壁虎脚掌刚毛of elastic spheres,J,, Journal of Colloid and ( 47 )下转第 页 Fig 4 Gecko setaeo fbore the test Trboogy nternatona，2001，34 ( 1) : 49) 56,)5 2 ,ilIil50 【5】Song aoeZhang Zhaozhu，Men uehu, The tboogca be- 11 】，，, / Hji，Xrilil【，王廷梅邵鑫王 齐 华等聚 酰 亚 胺 二硫化钼插层复 havors of thep oyurethane coatng fed wth nano-SOunder iliilliiJ, ,,合材料的制备及其摩擦磨损性能研究 摩 擦 学 学 2 ，2005 ，25 ( 4 ) : 322 ) 32 7 ,different lubrication conditions ,J,, Composites Part A: Applied 报 Science and Manufacturing，2008，39: 188 ) 194, Wang Tingmei，Shao Xin，Wang Qihua，et al, Preparation and tribological behavior of polyimide / MoSintercalation 【6】，，, 冶银平陈建敏周惠娣粘结固体润滑涂层在油润滑条件 2 J, ，2007，32 ( 9) : 10) 19,composte J, Tboogy2005 ，25 ( 4 ) : 322 ) 32 7 , ,,i,,ril，下的摩擦学性能 润滑与密封 【12 】，，，, Ye Ynpng，Chen Janmn，Zhou Hud, Trboogca propertes 贾均红周惠娣高生强等聚酰亚胺复合材料的摩擦 iiiiiiilili of bonded MoSsolid lubricating coatings under oil lubrication ,J,, ，2002 ，22 ( 4 ) :性能 及 其 机 理 研 究摩 擦 学 学 报 2 273 )27 6 , ,J,, Lubrication Engineering，2007，32 ( 9) : 10) 19, Jia Junhong，ZhouH uidi，Gao Shengqiang，et al, The Tribo- 【7】，，，, 、MoS徐进朱旻昊刘捍卫等湿度温度及润滑油对粘结 2 ogca behavo of carbon fb e enfoced poymde com- lilirirrirlii,J,, ，固体润滑涂层微动磨损寿命的影响 机械工程材料 posites under waterl ubrication ,J,, Tribology，2002 ，22 2003，27 ( 9) : 21) 23, ( 4 ) : 273 ) 27 6 , Xu Jin，Zhu Minhao，Liu Hanwei，et al, Influence of relative hu- 【13 】，，，, ZrO杨长城黄 丽 坚王 晓 东等纳 米 改 性 热 塑 性 聚 mdty，temperature，o ubrcaton on the rfettng wear fe of iiilliiili2 ,J,, ，酰亚胺 复 合 材 料 的摩擦磨损性 能润 滑 与 密 封 bondeds olid lubricant coating ,J,, Materials for Mechanical 2009 ，34 ( 11 ) :8 0 )8 2 , Engineering，2003，27 ( 9) : 21) 23, Yang Changcheng，HuanLijig an，Wang Xiaodong，et 【8】，，，, 马少波尹延国焦明华等铁基材料表面粘结润滑涂层摩 al,Tr ibological performance of nano-ZrOmodified J, ，2008，33 ( 12) : 36) 39,2 ,,擦学性能研究 润滑与密封 thermo- plastic polyimide composites,J,, Lubrication Ma Shaobon anguoJao Mnghuaet a, Study on thet bo- ，YiY，ii，lri Engineering， logical properties of adhesive solid lubricating coating on iron- 2009 ，34 ( 11 ) :8 0 )8 2 , basedm ateasJ, ubcaton Engneeng2008 ，33 ( 12 ) : ril,,Lriiiri， 14 , 【】，，，黄丽坚朱鹏王晓东等聚酰亚胺复合材料与不同对 36 ) 39, ,J,, ，2008 ，28 偶材料滑动摩 擦 磨 损 性 能 摩 擦 学 学 报【9】Jia B B，Li T S，Liu X J，et al, Tribological behaviors of several ( 6 ) : 546 ) 55 0 , polymer-polymer sliding combinations under dry friction and oil Huang Lijian，Zhu Peng，WangX iaodong，et al, Friction ubricated conditions ,J,, Wear，2007，262: 1353 ) 1359, land wear opfo ymde compostes sdng aganst dffeent liiiliiiir【10】，，, 丛培红李同生张绪寿聚酰亚胺固体润滑膜的摩擦学 counterpart materials ,J,, Tribology，2008，28 ( 6 ) : 546 ) ,J,, ，1998，16 ( 1) : 50) 52,研究概况 材料科学与工程 550, CongP eihong，Li Tongsheng，ZhanXg utao, Advancing in tribo- 【15】Pieter S，Jan Q，Patrick D B，et al, Characterization of polyim- ogca chaactestcs research opfo ymde sod-ubcatng lilrriiliililrii ides under h igh-temperature sliding ,J,, Materials Letters， fms ,J,, Materas Scence , Engneerng，1998 ，16 ( 1 ) : ililiii 2005，59: 2850) 2857, 【7 】 Sitti M，Fearing R S, Synthetic gecko foot-hair micro / nano- ( 42 Intersurface Science，1997，192: 326 ) 333,)上接第 页 structures forfuturea lwl-climbing robots( Cat. 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