多功能仿生壁虎黏附表面的制备及机理研究

作     者：罗小杭 

作者单位：中国石油大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：徐泉

授予年度：2023年

学科分类：081702[工学-化学工艺] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 

主      题：壁虎 黏附 微阵列结构 凝胶 响应驱动 传感 

摘      要：大自然的鬼斧神工成就了亿万生物,这些生物自身也存在着独一无二的特性。如壁虎脚掌强大的黏附性能、变色龙千变万化的皮肤,贻贝抗十级大风的足丝,蜘蛛丝优异的集水性能,猪笼草口缘快速逆向运输水的性能等等。这些自然造就的优异性能被人类发现依靠科技的力量模仿这些生物的独特结构,从而实现了仿生科技的发展,它不仅给人们日常生活带来了更多选择,也为国家的发展带来了深远的影响。早在1967年,壁虎脚掌黏附系统就已经被发现并进行了研究,由于当时的显微镜技术不发达,其中黏附内在的原理也迟迟未被发现。2000年,显微镜的技术得以发展,壁虎脚掌的黏附研究大门就此打开。直到今天,仿生壁虎黏附表面已经非常成熟,并逐渐在远程操控、传感器、医疗器件方面多功能化。在这里,本文在仿生壁虎黏附表面优异的黏附性能的基础上设计了具有红外刺激响应的驱动型仿生壁虎微阵列黏附表面和具有传感性能的仿生壁虎微阵列黏附表面。它们分别实现了远程操控抓取/释放功能和感知外界环境变化并实时反馈的功能。增加仿生壁虎黏附表面的多功能性。具体如下:（1）设计了一种快速响应红外光的凝胶,即聚（丙烯酰胺-共-N-异丙基丙烯酰胺-共-单宁酸）水凝胶并与三价铁离子螯合后的最终产物(简称p（AAm-co-NIPAAm-co-TA）-Fe),它能够在30s内从室温提升至107℃并具有优异的驱动能力,光照后30s从0°卷曲至180°。同时也设计了一种仿生壁虎微阵列表面,它能够实现21.88N/cm强大剪切力。将两种具有不同优秀能力的表面进行结合并制备出了具有快速响应红外光的柔性臂结构,该柔性臂能够被远程操控,并优化了柔性臂的设计结构从而极大的简化了远程操控方式。（2）设计了一种高拉伸性能（应变约560%,应力约220k Pa）、高灵敏传感性能（电流信号变化近800%）的离子凝胶,将其与仿生微阵列结构结合实现了仿生黏附系统在服役过程中能够实施反馈压力、拉伸、温度变化,并通过这些变化来判断仿生黏附系统在操作过程中所出现的一些问题。