壁虎最小黏附单元撕脱行为的仿生模拟

仿生黏附研究是超强黏附材料和微型爬壁机器人黏附系统设计的理论基础和技术要求，同时也是表面/界面力学发展的前沿探索。自然界中许多生物能在垂直墙壁或天花板上随意行走，壁虎由于体重的原因成为仿生黏附研究的主要对象。实验发现其超强的黏附能力依赖于多分级多纤维黏附系统，最根本的物理原理是分子间的范德华力。目前的研究大都利用柱状纤维与基底接触近似壁虎最小单个单元的黏附行为，讨论如何提高黏附，但却不能解释倾斜或垂直表面的黏附行为。本文根据壁虎最小黏附单元的真实铲状结构，建立了相应的力学模型，从数值模拟角度开展了研究。考虑了单个铲状单元的黏附长度、杨氏模量、厚度以及表面粗糙度对黏附行为的影响，并重点考虑了撕脱角对撕脱力的作用。研究表明，铲状单元的黏附类似于有限尺寸薄膜黏附，铲状单元尺寸满足黏附力达到最大值；杨氏模量与厚度对黏附行为的影响规律相似，并与宏观薄膜撕脱的理论及实验结果一致；撕脱角对黏附行为具有重要的影响：总的撕脱力随着撕脱角(0$^\circ\sim90^\circ$)的增大而减小，且当撕脱角较小时，切向力占主导，当撕脱角较大时，法向力占主导，与Autumn等人的摩擦黏附模型结果吻合；表面粗糙度对黏附的影响亦合理地解释了壁虎能够停留在任意表面的行为。该研究为进一步揭示壁虎微观可逆黏附机制提供了重要的理论依据，对超强黏附材料的设计具有一定的技术指导作用。

国家自然科学基金(10672165,10732050,10721202)