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南航大姬科举/戴振东:昆虫启发的强摩擦和弱黏附柔性附着设计策略

更新时间:2024-01-29      点击次数:335

*机器人抓持器的发展旨在通过可控的黏附力和摩擦力实现高效、灵活和稳定的物体操控。例如,具有强摩擦力和弱黏附力的柔性附着垫,可以实现可靠和高效的晶圆运输。具有光滑足垫的昆虫,例如蟑螂、蝗虫、螽斯等,可以实现高度动态的附着和分离,即在奔跑和跳跃等高速运动中实现足垫的强摩擦和弱黏附。因此,理解和模拟昆虫光滑足垫的增摩结构可以促进具有攀爬和抓握功能的机器人发展。


近日,南京航空航天大学机电学院姬科举副研究员/戴振东教授课题组根据仿生原理设计和制造了一种可以同时实现强摩擦力和弱黏附力的仿生柔性附着机构,灵感来自于昆虫光滑足垫的内部角质层结构。对于动物来说,通过足肢抓住和操纵物体,从而实现与环境之间的高效互动对于它们的生存至关重要。经过亿万年的发展,这些末端效应器,例如人类的手、昆虫的脚、章鱼的触须和猫的爪等,已经进化出不同的结构和功能以适应环境挑战。其中,昆虫因其强大的运动能力成为了仿生机器人领域的热点研究对象。研究团队发现昆虫光滑足垫的高适应性、高摩擦力和弱黏附力来自于其圆弧表面和内部树枝状结构的共同作用,并且其表面与内部结构的参数对于摩擦性能存在最佳值。该研究通过仿生设计原理实现了一种简单的增摩减黏柔性附着结构设计策略,为机器人抓持器与附着单元的设计与制造提供了新思路。


相关研究成果以“Insect-inspired design strategy for flexible attachments with strong frictional force and weak pull-off force"为题发表在国际摩擦学领域著名期刊《Tribology International》上(SCI一区,Top期刊,IF=6.20)。南京航空航天大学机电学院博士研究生赵家辉为第一作者,南京航空航天大学机电学院姬科举副研究员与戴振东教授为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委的大力支持。



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本研究设计的仿生柔性垫采用硬质模板法制备,所有模具均使用摩方精密microArch® S140(精度:10μm)光固化3D打印设备制造,制造工艺原理图如图1a所示。仿生柔性垫的表面粗糙度、接触角和杨氏模量分别采用激光共聚焦显微镜、接触角测试仪和万能拉伸试验机进行测试(图1b和c)。摩擦和黏附性能由Bruker的UMT-2测得,具体步骤如图1d和e。


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图1 a)通过模具浇筑制造仿生柔性垫的过程示意图;b)仿生柔性垫的表面粗糙度和疏水性;c)商用PDMS的应力-应变曲线;d) 受抑光在试验台中的全反射图;e) 本研究中使用的摩擦测量程序示意图和测试平台的照片。


自然界中存在着多种不同粗糙度的表面,包括许多植物的叶子、岩石表面和树干表皮等。昆虫的足垫可以很好地适应这些表面并以此为基底来为自己提供显著的动力(图2a、d和g)。这些昆虫的摩擦垫部分由四个半球形的跗垫(图2b、e和h)组成,这一特征几乎普遍存在于所有光滑的昆虫足垫中,包括蟋蟀和竹节虫等。内部结构的横断面扫描电镜图像(图2c、f和i)显示了昆虫具有均匀厚度的光滑膜状表皮,并且在内膜层以下均匀分布着纵向排列的树枝状结构。



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图2 螽斯、蝗虫和蟑螂的足垫结构 a、d、g)螽斯、蝗虫和蟑螂的攀爬抓握形态;b、e、h)足垫的腹面视图;c、f、i)足垫接触区域的横截面。


为了阐明表面曲率对摩擦行为的影响,团队设计并制备了三种曲率分别为0、10和20m-1的实心垫,分别命名为S0、S1和S2。摩擦性能测试结果显示,随着表面曲率的增大,材料的角度适应性变好,并且不会出现粘滑失效现象。然而,对于实心垫来说,表面曲率增大会使其实际接触面积减小,从而导致摩擦力大幅度降低,结果如图3所示。



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图3 不同法向力下实心垫的摩擦试验 a-c)曲率为 0、10 和 20m-1 且基底角度为 0° 的实心垫的力-时间曲线;d-f)实心垫在基底角度为0°、1°、2°和3°时的摩擦力;g)不同曲率实心垫受力时的有限元分析。

基于上述扫描电镜图像中关键的内部结构,团队设计并制作了一个直径为20mm,表面曲率为20m-1的仿生柔性垫(图4a)。在本研究中,柱子的朝向垂直于弯曲的表面接触膜,并固定在一个平坦的刚性背衬层上。其中,四个主要的结构参数可能会影响仿生柔性垫的摩擦性能,分别为柱直径(R1)、柱中心距离(R2)、最大柱高度(L1)和接触膜厚度(L2)。对多个参数的分析表明,仿生柔性垫的摩擦力主要受两个比值的影响:R1/L2和(R1)2/(R2)2。对于柔性和均匀的粘弹性材料,R1/L2和(R1)2/(R2)2的物理意义分别表示向接触膜中传播的力的垂直深度和水平宽度。在本研究中,所选用材料确定的合适的结构比值为R1/L2 = 0.75和((R1)2/(R2)2 = 0.36。

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图4 a)仿生柔性垫的照片和示意图;b)仿生柔性垫在不同法向力下以R1/L2和(R1)2/(R2)2为函数的剪切力;c-f)通过动力学实验和模拟分析R1/L2和(R1)2/(R2)2对摩擦力的影响。

团队选择了8种不同粗糙度的基底来测试仿生柔性垫对不同材料表面的适应性(图5a)。结果显示,在相对较高的正常载荷(1.0–3.0 N)下,仿生柔性垫对不同基底的摩擦力主要受材料的影响,而表面粗糙度的影响可以忽略不计(图5b)。然而,在较低的法向载荷(0.5 N)下,摩擦力随着基底表面粗糙度的增加而显著降低(图5c),这可以归因于粗糙表面上的黏附失效。因此,当表面粗糙度超过0.408 μm时,仿生柔性垫与基底之间的摩擦主要以犁沟力为主。图5d展示了仿生柔性垫在垂直和大倾斜角攀爬中的应用,表明了本研究所开发的强摩擦材料具有广泛的应用前景。

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图5 a)8种具有不同粗糙度的基底;b)仿生柔性垫在相对较高的法向载荷(1.0–3.0 N)下对8种基底的摩擦力;c)较低载荷下仿生柔性垫的摩擦力随表面粗糙度的变化;d)仿生柔性垫阵列的实际应用。

结论:受昆虫光滑足垫的内部结构启发,本研究通过3D打印模具技术制造了可以大规模生产的仿生柔性垫。其摩擦力和黏附力主要受柱直径、柱中心距离、最大柱高度、接触膜厚度和表面曲率五个参数的影响。因此,可以通过调整这些参数来控制其力学性能,从而保证仿生柔性垫在快速动态运动中的强摩擦力和易脱附性。具有强摩擦力和弱黏附力的仿生柔性垫在*制造中具有潜在的应用前景,如飞机检验、夹持机器人和半导体器件加工等。