爬墙机器人中摩擦学原理的应用

爬墙机器人中摩擦学原理的应用

【摘要】：本文将从爬墙机器人的应用入手，简单探讨壁虎吸附原理在爬墙机器人中

的应用，同时简单分析其中摩擦学原理的应用与体现。

【关键词】：爬墙 摩擦 壁虎材料 吸附

一、综述

爬壁机器人的诞生是科学研究与实际生产的双重需要。就科学研究而言，对爬壁机器人的研究可以有力的促进仿生机械学的发展。对动物来说，运动是其捕食、逃逸、生殖、繁衍等行为的基础。而对机器人来说，运动也是现代机器人实现各种功能的基础。其中能够在光滑或粗糙的各种表面上自如运动的可控移动系统，即三维空间无障碍机器人(简称3DoF-3 dimensional-terrain obstacle free机器人即我们称作的爬壁机器人)是这类机器人的重要分支，其研究和研制水平已成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。就实际生产生活而言，人们也迫切要求爬壁机器人的出现。我们在实际生产过程中经常会碰到一些需要人们在危险陡峭的竖直面上作业的情况，比如大厦外壁清洗、船舶检测、航天舱外维修等等情况，此时就到了爬壁机器人大显身手的时候了。而在反恐、救援、首脑保卫、特种侦察等公共和国家安全领域以及狭小空间检测等在特殊环境下的作业，则更需要爬壁机器人的帮忙。

二、壁虎爬墙的原理分析

（1）、吸附原理

经研究发现，壁虎爪子上有特殊的结构，柔软并且有皱褶和纤毛，能形成凹陷以造成负压，从而抓牢墙壁。壁虎之所以能够产生如此大的吸附力是因为它脚掌的绒毛多,与基底的接触面积总周长很大。2000年，来自美国刘易斯克拉克大学的凯拉奥特姆（Kellar Autumn）小组和加州大学伯克利分校的罗伯特福（Robert Full）合作发表了文章，详细描述了壁虎脚刚毛的结构，计算出了壁虎脚的“吸力”大小。这些吸力就是范德华力，即分子间发生的吸引力。这些科学家选择了我国南方和东南亚地区常见的蛤蚧作为研究对象。之所以选了它，是因为蛤蚧是世界上体型最大的壁虎，成年体长近40厘米，重近300克。事实上蛤蚧几乎是依靠范德华力飞檐走壁的最重的动物。经过测量，蛤蚧每个脚掌的面积大约是227平方毫

米，共长着3268800根刚毛，总共可以产生约20牛顿的吸附力，而它的重力只有大概3牛顿。也就是说，仅凭一只脚，壁虎也可以牢牢的吸附在天花板上。

（2）、拔脚原理

通过高速摄像机，科学家们观察到壁虎每次拔脚都是从向上卷曲趾尖开始的，相当于先揭开一角。从弯曲趾尖到整个脚脱离平面，只用短短的15毫秒。

壁虎脚趾叶状结构上，有着数以百万计的刚毛，每根刚毛又都分成100-1000根更细的绒毛，这些绒毛极大的增加了壁虎脚掌的面积。

经过研究，壁虎的刚毛不但拥有像荷叶一样的“超疏水性”，任何水滴都会从它的表面滑落下来顺便带走灰尘；而且它刚毛上的绒毛尺寸比灰尘小得多，以至于这些绒毛对灰尘的吸附力不及灰尘与墙面的吸附力。

三、吸附技术中的摩擦学应用

要实现机器人爬壁的功能，吸附技术是核心。传统爬壁机器人有真空吸附、磁吸附和攀援式吸附三种吸附形式，由于这些方法都对壁面有着特殊的要求，无法适应各种复杂的壁面环境，科学家们不得不需找新的方法。近年来科学家研究较多的是一种叫作干性粘合剂(dry adhesive)的吸附技术并已获得较大进展。干性粘合剂实际是一种人造仿生壁虎脚。科学家在生物壁虎原型吸附的功能原理和作用机理的基础上，探索出一种与壁虎脚趾表面结构相近的、经物理改性的极性高分子材料 ( 人造仿生壁虎脚干性粘合剂)，并应用 MEMS加工技术，设计制作出模拟壁虎脚趾的吸附装置， 该吸附装置能适应各种材质(如玻璃、粉墙和金属等)和任意形状的表面(如平面、柱面、弧面和拐角等)，是一种比较理想的吸附装置。

四、结论

壁虎材料的应用在未来的发展必然将会更进一步，虽然现在的壁虎材料还存在着或多或少的问题，但是从理论上分析，它利用两个不同表面之间的摩擦，比起其他传统吸附原理，更加经济方便。

五、参考文献

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