甲壳虫脚爪微结构、在粗糙表面上的驱动力及其仿生研究

摘要

用力传感器测定了自由状态甲壳虫Pachnodamarginata(Coleoptera,Scarabaeidae)在不同粗糙的砂纸表面上的力输出特性和单个腿的力输出特性;用电子显微镜研究了脚爪的微结构;用弯曲断裂实验法测定了脚爪材料的机械强度.结果表明:基体表面粗糙度Ra(或者平均粒子直径)和甲克虫的爪端直径决定了其力输出特性.当表面粗糙度远大于爪端直径时,甲壳虫能紧紧抓住表面凸峰,脚爪能与基体自锁接触,输出力由甲克虫的"力气"决定.当表面粗糙度Ra低于或等于爪端直径时,脚爪与基底凸峰间的接触摩擦性能对甲克虫的输出力起关键作用.用测力传感器测量自由活动的单个腿能产生的力,据此来估算脚爪与基体间作用力的范围.根据电子显微镜得到的材料结构及其断面几何模型,脚爪材料的弯曲极限应力估计在143.4～684.2MPa.