大壁虎低预压黏附和快速脱附的力学分析和实验验证

摘要

仿生爬壁机器人在民用、航天、军事等很多领域都具有广泛的需求，而仿生爬壁机器人设计的一个关键环节在于其黏附系统的设计。自然界中的大壁虎具有三维空间无障碍运动能力，其分层体系的脚趾结构为仿生爬壁机器人黏附系统的设计与开发提供了极佳的仿生原型。大壁虎优异的黏附系统可使其在几乎任何表面实现低预压黏附和快速无冲击脱附，但是该机制尚不明确。为了揭示大壁虎黏附系统的奥秘，优化现有仿生爬壁机器人黏附系统的设计，本文开展了如下创新性工作。
　　1.采用传统的生物力学研究方法，采用冰冻切片技术以及显微表征等手段获取和量化了大壁虎脚趾黏附系统中脚趾和皮瓣的形态，通过查阅相关文献书籍获得各种生物组织的力学性质。
　　2.建立皮瓣和脚趾的三维模型，对大壁虎脚趾和皮瓣跨层级模型，以及皮瓣和刚毛跨层级模型进行动力学有限元分析，揭示了皮瓣在大壁虎脚趾黏附系统中的次级调控作用——通过肌腱末端收缩牵拉皮瓣，可以调控刚毛的黏附角度，服从于整个脚趾的外翻脱附和内收黏附过程。
　　3.通过现代快速成形工艺设计并制作简易模具，采用极具生物相容性的常温硫化硅胶材料浇筑皮瓣结构的放大实物模型，并对硅胶实物模型进行力学测试，实验验证了大壁虎低预压黏附和快速脱附中皮瓣的次级调控机理，尝试对皮瓣结构进行功能仿生，以期应用于现有爬壁机器人的黏附系统。

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注释表

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 本文研究的内容

第二章 大壁虎脚趾和皮瓣结构的生物力学基础

2.1 实验材料及主要方法

2.2 结果和分析

2.3 脚趾和皮瓣结构的力学性质

2.4 本章小结

第三章 大壁虎脚趾及皮瓣的建模与有限元分析

3.1 脚趾和皮瓣跨层级模型的建立

3.2 脚趾和皮瓣跨层级模型的动力学有限元分析

3.3 皮瓣和刚毛跨层级模型的建立

3.4 皮瓣和刚毛跨层级模型的有限元分析

3.6本章小结

第四章 皮瓣实物模型制作与力学试验分析

4.1 材料和方法

4.2 结果和讨论

4.3 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 总结

5.2 本文的创新点

5.3 本文的不足与展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录