IMECH-IR  > 非线性力学国家重点实验室
一类爬行生物微观黏附机制的实验及理论研究
Alternative TitleExperimental and theoretical study on the micro bio-adhesion mechanism of animals
王琮
Thesis Advisor陈少华
2015
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline固体力学
Abstract壁虎、蜘蛛、蚂蚁、甲虫等自然界一类爬行生物不仅具有超强黏附能力,而且能轻松脱黏,实现可逆黏附。实验发现生物黏附系统分为两类,一类为多分级结构的纤维状表面,如壁虎、蜘蛛等;另一类采用相对光滑的黏附表面,如蚂蚁、树蛙等。其最基本的黏附原理为分子间范德华力或毛细力。揭示该类生物宏微观黏附机制对新型智能黏附材料及微型爬壁机器人黏附系统的设计具有重要指导意义,亦能为微纳机电系统及生物医学中的表面/界面黏附问题提供新的解决思路。本文选取蚂蚁和壁虎作为两种典型代表,重点针对其微观黏附机制及主要影响因素开展了实验和理论研究,主要研究内容及成果如下: 首先,针对不同生活环境下的四种典型蚂蚁,利用光学显微镜和扫描电镜对其黏附系统微结构进行系统观察,发现蚂蚁主要通过脚掌的囊状中垫与基底接触,囊状中垫分泌黏液通过毛细力产生超强黏附,而中垫表面亦规则分布微米尺度结构,不同种类蚂蚁的中垫尺寸及表面微结构明显不同。为表征中垫面积及微结构对黏附力的影响,通过自主研发的黏附力测量仪对不同蚂蚁黏附力进行了测量。结果表明,黏附力与中垫面积成正比,树栖蚂蚁由于具有较大的中垫面积比地栖蚂蚁具有更强的黏附力。进一步通过对蚂蚁黏附和脱黏动作的观察分析了其可逆黏附机制,发现蚂蚁主要通过控制中垫的撕脱角大小实现强黏附和弱脱黏。 针对实验发现中垫表面微结构对蚂蚁黏附性能的影响,建立了不同末端形状黏附纤维与基底接触的理论模型,同时考虑范德华力和毛细力的影响。结果发现,蚂蚁黏附过程中毛细力占主导,并且黏附力随着中垫微结构数目的增大而增强;单位面积的黏附强度与微结构面积分数成正比,并随微结构末端曲率增大而减小,理论解释了不同微结构导致黏附力明显不同的实验现象,同时推测蚂蚁是一种干、湿黏附共存的代表。 仿生研究了壁虎在水环境中的黏附行为,首先建立了单根纤维与基底在水中的黏附接触模型,模拟壁虎刚毛在水环境中的黏附。结果发现,疏水刚毛与不同浸润性基底间形成的纳米气桥显著影响壁虎刚毛的黏附力:疏水基底上,气桥产生的毛细力表现为较强吸引力,并且随基底疏水性的增强而增大;而该毛细力在亲水基底上黏附力较弱,甚至为排斥力。进一步建立了多纤维表面在水中的黏附模型,发现气桥产生的毛细力随纤维根数的增多而增大。同时考虑了分离距离、气体体积对黏附力的影响。理论结果合理解释了实验发现的壁虎在水中疏水基底上黏附力较强而在亲水基底上无法黏附的实验现象,揭示了水中界面间气桥对界面黏附力影响的机制。 理论分析了相对湿度对壁虎微观黏附行为的影响。鉴于壁虎黏附组织最小绒毛单元类似于纳米薄膜,建立了仿生薄膜撕脱模型,并考虑水膜和液桥对薄膜撕脱行为的影响。结果发现,当相对湿度小于90%时,界面处吸附单层水分子膜将增大薄膜与基底间的范德华力,并且撕脱力随着相对湿度的增大而线性增大;相对湿度大于90%时,水膜在界面裂纹尖端凝聚为液桥,液体与固体的表面/界面能对撕脱力有明显影响,液体的存在增强了可逆黏附的鲁棒性,揭示了环境湿度对壁虎黏附的影响机制,同时可以解释一类生物脚部黏液对纤毛黏附的影响。 最后,考虑生物材料的粘弹性性质,系统开展了粘弹性薄膜仿生撕脱实验,得到了粘弹性薄膜撕脱时典型力-位移曲线。结果表明,撕脱力随着加载速率的增大而增大,在加载速率保持不变时,撕脱力随撕脱角的增大而减小,同时考虑了薄膜厚度及基底粗糙度对撕脱行为的影响,发现撕脱力随薄膜厚度及基底粗糙度的增大而增大,同时利用高速摄像机实时在位测量内聚力区尺寸随加载速率、薄膜厚度及撕脱角的变化规律。进一步理论分析了粘弹性薄膜撕脱的能量释放率,发现能量释放率随撕脱角和撕脱速率的增大而增大,为发展粘弹性薄膜撕脱模型提供实验依据。
Call Number31245
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55080
Collection非线性力学国家重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
王琮. 一类爬行生物微观黏附机制的实验及理论研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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