壁虎仿生粘附材料
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CONTENTS
一：壁虎的吸、脱附机制
二：仿壁虎粘附阵列的设 计与制造
三：研究现状及展望
01
壁虎的吸、脱附机制
几个世纪以来,人们一直惊讶于一些动物如壁 虎、蚊子、苍蝇等超强的吸、脱附能力。壁虎 可以在各种基底上自由地爬行,即便是在天花 板上也可以1m/s 的速度迅速地移动;独特的粘 附作用源自于自然界长期的进化,研究其吸、 脱附机理对仿制与之类似的生物材料有着巨大 的启示作用。
> 行，在没有任何测量到
外拉力的条件下，刚毛 在15 ms内能轻松脱离 基底。那么爬行中迅速 的脱离是怎样实现的呢?
1.2壁虎的脱离机制
Kellar Autumn等 人发现，当 刚毛与基底 成30ﾟ角时 会突然发生 脱离，说明 可能存在脱
1.2壁虎的脱离机制
另外一种解 释：
以壁虎 绒毛与基底 接触点为支 点,绒毛另一 端与基底的 距离为力臂,
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1.1壁虎的吸附机制
01பைடு நூலகம்
粘液说？
壁虎的脚底根本不存在腺体
02
吸盘说？
壁虎放在玻璃罩子里，然后把玻璃 罩里的空气抽走，结果壁虎仍然可 以爬上垂直的玻璃
03
静电说？
使用x射线轰击靶材消除静电 引力后，在离子化的条件下刚 毛仍然能够实现粘附。
·
04
范德华力?！
1.1壁虎的吸附机制
范德华力?！
假他设们为使范用德两华种力不：同壁的虎疏脚水部性的聚粘合附力物 随(硅着树所脂接橡触胶基和底聚的酯表面树能的脂增加)制而增造加，了仿 K壁ell虎ar的A绒ut毛um结n构等，人并利测用量单其根与刚A毛FM 的探粘针附间力的，粘使附用力JK，R发模现4型7％对~63抹％的刀粘附形力都是 顶由端范德的华力半提供径的进。行在了这近几似种估主计要，证结据果的 为值支虎0很持实．接下现1近3， 粘~。0范附本 图 和模 表 移．板 ， 动德的的 均 。1所 可有 自华主6素 由材 编力要u和 辑逻 替m辑 换被机，普理与遍。实认[1验] 为测是量壁
1.1壁虎的吸附机制
Kellar Autumn等人利用MEMS技术制造的高精度二维压阻悬臂梁测量了壁虎单根刚毛的粘附 力，最大值为194+25 uN 。所有刚毛同时粘附并达到最大值时，壁虎的脚掌可产生约1300 N 的粘附力。[1]
1.2壁虎的脱离机制
壁虎在竖直的墙壁上能 以1m／s的速度快速爬
02
仿壁虎粘附阵列的设 计与制造
壁虎的粘附阵列是一种性能优异的干性 粘着剂，由于是范德华力起主要作用， 粘附力主要受绒毛材料和几何形状的影 响，这为人们仿制粘附阵列提供了很大 的可能性。
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.1仿壁虎粘附阵列的设计
仿壁虎粘附阵列的设计应使其具有 较Ga强ur的av粘J附力、可控制脱离、能适 应Sh不ah同等粗人糙度的表面、自洁性和耐 久将性壁。虎的层 状阵列简化 为图所示的 模型，其中 L为nm级绒 毛的长度；
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
2003年Metin Sitti在实验的基础上 提出了三种制造方法[3]
01
纳米雕刻法
02
自组织微纳米 孔膜铸造法
03
基于微纳米绒毛 生长的定向自装
配法
前两种方法要首先生产主模板，上 面有微纳米级尺度的大深宽比的孔
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
03
研究现状及展望
目前仿壁虎材料主要应用在机器人上。 仿壁虎机器人的研究主要分为吸附技术与移 动技术的研究,吸附技术研究主要是围绕研制 仿壁虎脚掌的吸附材料展开,移动技术则主要 是模仿生物的灵巧移动方式。美国、日本等 都在开展仿壁虎机器人的研究,且处在领先的 位置。
03
研究现状及展望
虽然对壁虎的微结构有了较清楚的认识, 但是还有很多问题有待进一步系统、深入地 探究。仿壁虎机器人大多运用的不是壁虎吸 附的原理,即使运用壁虎吸附的原理其效果也 远远不能达到天然壁虎的吸附效果。因此我 们需要从实际应用的角度出发,运用当今的新 兴科技尤其是纳米科技,制备出一种价格低廉、 综合性能好且能大规模生产的仿壁虎器件。
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
01
纳米雕刻法
用一种纳米尖 端，如原子力 显微镜或者隧 道扫描显微镜 的针尖，纳米 尖端阵列或者 任何具有大深
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
02
自组织微纳米 孔膜铸造法
以具有大 高宽比孔阵列 的膜为主模板 ，如氧化铝膜 和聚碳酸酯膜 ： 铝膜上的孔径
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
02
自组织微纳米 孔膜铸造法
为得到类 壁虎的分层绒 毛阵列，可将 具有纳米孔和 微米孔的膜结 合在一起作为 模板。[3]
2.仿壁虎粘附阵列的设计与制造
2.2仿壁虎粘附阵列的制造方法
03
基于微纳米绒 毛生长的定向
自装配法
在金属极板 上喷涂一薄层液 态聚合物膜，在 相距很近的另一 极板上加上直流 电场，微纳米绒 毛就开始生长直
参考资料
[1]Autumn K, Liang Y A , Hsieh S T, et al .Adhesive Force of a Single Gecko Foot-Hair [J], Nature , 2000 , 405 :681 —685
[2]SHAH G J，SITH M．Modeling and design of biomimetic adhesives inspired by gecko fot·hairs[C], IEEE,