仿生水黽機(jī)器人超疏水性材料的微觀作用機(jī)理研究.pdf

1、仿生水黽機(jī)器人是模仿生物水黽在水面自由靈活的運(yùn)動(dòng)研制出的微型水上行走機(jī)器人,并且用來(lái)幫助人類(lèi)完成一定的作業(yè)任務(wù)。仿生水黽機(jī)器人的研究是涉及到仿生學(xué),微機(jī)電系統(tǒng),表面化學(xué),原子物理和納米材料等交叉學(xué)科的前沿課題,而且仿生水黽機(jī)器人性能的提高也依賴于諸多學(xué)科的共同進(jìn)步。目前的仿生水黽機(jī)器人存在超疏水性弱,穩(wěn)定性差,運(yùn)動(dòng)靈活性不夠,微型化不足等問(wèn)題,根本原因是沒(méi)有真正從機(jī)理上模擬水黽腿部超疏水性。因此,研究以實(shí)現(xiàn)機(jī)理上仿生為最終目的,基于分子

2、動(dòng)力學(xué)的方法,從微觀上分析超疏水性材料的微觀作用機(jī)理,根據(jù)對(duì)超疏水性材疏水機(jī)理分析得出結(jié)論,結(jié)合生物水黽微觀結(jié)構(gòu),來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水黽微觀作用機(jī)理的認(rèn)識(shí),最終實(shí)現(xiàn)水黽機(jī)器人機(jī)理上的仿生,具體的研究分為以下三個(gè)方面:
　　首先,觀察生物水黽腿部的特殊結(jié)構(gòu)并分析了其微觀作用,基于超疏水性理論,對(duì)仿生水黽機(jī)器人的支撐腿超疏水性材料的微觀機(jī)理進(jìn)行了深入分析,確定了仿生水黽機(jī)器人微觀作用機(jī)理的研究方法,通過(guò)對(duì)超疏水性材料的微觀組成分析,并且基于分子

3、動(dòng)力學(xué)理論建立了超疏水性材料的微觀模型,并根據(jù)這個(gè)模型確立了分子動(dòng)力學(xué)模擬仿真條件。
　　然后,根據(jù)生物水黽在水面上穩(wěn)定漂浮的現(xiàn)象,設(shè)計(jì)了超疏水性材料靜態(tài)微觀機(jī)理分析的方法,進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)平衡狀態(tài)模擬,利用幾何法測(cè)定微觀接觸角,并結(jié)合Cassie方程建立微觀接觸角與宏觀接觸角關(guān)系,通過(guò)改變微觀分子組成與排列方式分析影響材料浸潤(rùn)性的影響規(guī)律,采用自組裝單分子膜法方法制備相應(yīng)材料,實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明分析超疏水性材料疏水性的影響規(guī)律的正確性,

4、為疏水性材料的仿生制備提供理論基礎(chǔ)。
　　最后,依據(jù)生物水黽在水面跳躍和滑行過(guò)程中,存在相對(duì)于水面的豎直方向和水平方向上相對(duì)運(yùn)動(dòng),分別設(shè)計(jì)了豎直方向和水平方向的超疏水性材料動(dòng)態(tài)微觀機(jī)理分析的方法,其中豎直方向建立了水滴沖擊單板模型,水平方向建立了雙板擠壓反向運(yùn)動(dòng)模型。在每種動(dòng)態(tài)模擬方法中,分別研究了水滴與材料的相對(duì)速度和材料微觀組成與結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程的影響,并且對(duì)動(dòng)態(tài)模擬過(guò)程中浸潤(rùn)狀態(tài),微觀作用力,水滴質(zhì)心位置,接觸角滯后等方面