倾斜仿生刚毛的设计、制备及黏附性能研究

　　壁虎、蜘蛛、苍蝇等动物脚掌具有特殊的刚毛结构,可以在各种复杂表面自由的运动,因而成为研制三维无障碍运动机器人(Three DimensionalObstacle-Free Robo,t TDOF机器人)脚掌的楷模.研究表明:壁虎脚底存在着多级刚毛,其刚毛由粗至细产生分支,尺度变化在毫米到微纳米之间,强大的黏附能力就源于其脚底的末级刚毛与接触面之间的范德华力[1, 2].对于机器人的TDOF运动,足够大的吸附力是保证其稳定快速运动的必要条件.因此,增加刚毛群与接触面的接触面积、提高刚毛材料自身的黏附性能成为提高仿生刚毛阵列黏附性能的重要手段.

　　利用现有技术,人们制备了结构精细的人造刚毛阵列,并将之用于TDOF机器人的脚掌.目前,在这方面的研制已经取得巨大的进展.例如:美国伯克利大学的Ronald课题组利用聚丙烯浇注的微刚毛黏附阵列,在1 kPa的法向预载作用下,可产生20 kPa的切向黏附强度[3];卡内基梅隆大学Sitti课题组研制的聚氨酯基微米级刚毛阵列,其刚毛末端膨大,在120 kPa的法向预载力作用下,法向黏附强度可达180 kPa[4];德国马普金属研究所Gorb课题组研制出末端蘑菇状的硅橡胶基微黏附阵列[5],在715 kPa的法向预载作用下,切向黏附强度达60 kPa;中国科学院智能所的梅涛课题组浇注的微刚毛黏附阵列[6],以19 kPa的法向力加载,最大法向黏附强度可达19. 4 kPa.最近,碳纳米管黏附阵列取得了重大突破,美国佐治亚理工学院的王中林课题组合成了高密度的碳纳米管刚毛阵列[7],在1 250 kPa的法向预载作用下,黏附切向黏附强度高达925 kPa,全球知名杂志Science对此进行了报道.提高TDOF机器人运动的牢固性、稳健性、灵活性的另外一个因素是实现刚毛型脚掌的可控脱附.这就要求刚毛阵列在吸附和脱附时具有各向异性的黏附性能.目前国内外研制的黏附阵列多为垂直分布的单层阵列,黏附支杆末端形貌单一,难于调控主动吸附与脱附.

　　本工作完成了倾斜脚掌刚毛的结构设计和加工制造,利用微摩擦试验机研究了刚毛的黏附性能.尽管刚毛的黏附性能同国外先进技术存在较大的距离,但其黏附性能的研究可为调控刚毛自主吸附、脱附提供理论、实验方面的指导.同时,作为仿壁虎黏附脚掌的一级结构,有望在其表面进一步生长多级微分支结构.

　　1 实验部分

　　利用真空注模法浇注硅橡胶基人工刚毛试样,聚四氟乙烯基阴型模板由机械加工制成.硅橡胶采用美国道康宁公司的SYLGARD 184型双组分硅橡胶,A、B组分以1B20的配比浇注阵列,脱模后得长1. 4 mm、直径0. 5 mm(阵列A)及长1. 0 mm、直径0. 4 mm(阵列B)两种交错排列的人工刚毛阵列.在洁净的硅片上用匀胶机均匀涂抹一层约0. 1 mm厚压敏胶(YH-1,中国广州)薄膜,将黏附阵列的末端贴在硅片上,空气气氛下固化24 h,取下试样进行黏附性能测试.测试仪器为UMT-2微摩擦试验机(CETR,美国).整个测试平台由试样台、黏附阵列下试样、传感器上试(4mmX2mm,铝合金)和移动台组成.传感器固定于移动台,其横向与黏附阵列横向相互垂直,在电机驱动下沿切向或法向往复运动.试验过程分为加载,滑移和卸载三部分,法向预载力范围从0. 5 mN到30 mN.上试样以1Lm/s的速度缓慢加载,达到预定载荷后停止加载并保持10 s,直至载荷稳定.稳定后顺刚毛支杆或逆刚毛支杆方向滑移预定距离(简称正向滑移与逆向滑移),并以1Lm/s的速度沿Z轴向上抬起,进行卸载,如图1所示.卸载过程中,上试样由受压转为受拉,在其临界点处上试样停留10 s,然后继续抬起,直至上试样与下试样完全脱离.每步试验完成,用酒精清洗上试样并自然风干.