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仿壁虎刚毛阵列的几何结构分析及制备

南京航空航天大学学报 2010年第6期42卷 739-743页

作者：于敏莫桂冬贾世星郭东杰戴振东南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 南京电子工业部第五十五研究所南京210016

以JKR理论为基础,从刚毛缠结表面能的变化及弯曲变形角度分析,得到了仿刚毛阵列避免缠结的结构设计方法,得出了在材料性质确定的情况下,避免缠结的发生刚毛群几何结构须满足的关系。采用光刻制模真空浇铸的方法制备了4种结构尺寸的微米... 详细信息

以JKR理论为基础,从刚毛缠结表面能的变化及弯曲变形角度分析,得到了仿刚毛阵列避免缠结的结构设计方法,得出了在材料性质确定的情况下,避免缠结的发生刚毛群几何结构须满足的关系。采用光刻制模真空浇铸的方法制备了4种结构尺寸的微米刚毛阵列。预期的设计与实际制造的刚毛阵列状态吻合,故证明该设计方法正确可行。

关键词：爬壁机器人高分子材料结构分析仿刚毛阵列微制造

不同环境条件下铝合金微弧氧化陶瓷膜的摩擦磨损性能

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中国有色金属学报 2007年第8期17卷 1266-1272页

作者：王远王美玲周飞丁红燕戴振东南京航空航天大学高新技术研究院仿生结构及材料防护研究所南京210016 南京航空航天大学材料科学与技术学院南京210016

在2A12铝合金表面通过微弧氧化制备氧化铝陶瓷膜。用X射线衍射仪分析薄膜的相构成,用涡流测厚仪测量膜层的厚度,用自动转塔显微硬度计测量薄膜的显微硬度,利用微摩擦磨损试验机研究Al2O3薄膜/Si3N4球在干摩擦及水润滑下的摩擦磨损特性,... 详细信息

在2A12铝合金表面通过微弧氧化制备氧化铝陶瓷膜。用X射线衍射仪分析薄膜的相构成,用涡流测厚仪测量膜层的厚度,用自动转塔显微硬度计测量薄膜的显微硬度,利用微摩擦磨损试验机研究Al2O3薄膜/Si3N4球在干摩擦及水润滑下的摩擦磨损特性,用非接触表面三维形貌仪测量薄膜的磨损体积,并采用扫描电镜观察磨痕的表面形貌。结果表明:2A12铝合金微弧氧化陶瓷膜主要由α-Al2O3相和γ-Al2O3相组成;干摩擦时,薄膜主要发生磨粒磨损和疲劳磨损,摩擦因数随法向载荷和滑行速度的增大分别从0.79和0.82增加到0.87,磨损率则分别从4.07×10?5mm3/(N.m)和4.36×10?5mm3/(N.m)增加到9.69×10?5mm3/(N.m);水润滑时,薄膜主要发生摩擦化学磨损和疲劳磨损,摩擦因数随法向载荷和滑行速度的增大分别从0.69和0.67下降到0.65,磨损率则分别从3.84×10?5mm3/(N.m)和2.89×10?5mm3/(N.m)增加到4.47×10?5mm3/(N.m);薄膜在干摩擦时的摩擦因数和磨损率都大于相同实验参数下水润滑时的摩擦因数和磨损率,表明水介质有效地改善了体系的摩擦条件,降低了薄膜的磨损。

关键词：铝合金微弧氧化润滑摩擦磨损

高温复合载荷下钛合金微动疲劳特性的研究(英文)

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应用科学学报 2001年第3期19卷 277-282页

作者：戴振东王珉朱如鹏潘升才南京航空航天大学机电学院江苏南京210016

实验研究了多个参数对钛合金与不锈钢摩擦副微动疲劳寿命和微动摩擦系数的影响 .结果表明 ,较低的拉应力下 ,微动疲劳寿命显著降低 ,其最大降低对应的接触应力下 ,微动副具有最大的摩擦功耗 .微动疲劳寿命随温度非线性变化 :从室温～ 2 ... 详细信息

实验研究了多个参数对钛合金与不锈钢摩擦副微动疲劳寿命和微动摩擦系数的影响 .结果表明 ,较低的拉应力下 ,微动疲劳寿命显著降低 ,其最大降低对应的接触应力下 ,微动副具有最大的摩擦功耗 .微动疲劳寿命随温度非线性变化 :从室温～ 2 0 0℃ ,随温度增加而降低 ;随后反而增加 ,3 0 0～ 5 0 0℃持续降低 .复合载荷下 ,低周幅值不变 ,增加高周载荷的幅值 ,微动疲劳寿命随幅值比的增加而降低 .最初 ,摩擦系数随循环参数增加 ,随后降低并趋于稳定 .高温下由于形成了润滑性氧化物而大幅度降低 .微动幅度小于临界值时 ,摩擦系数随微动幅度的增加线性增加 ,然后保持常值 .摩擦系数和正压力间的关系满足 f =2 .6 91 - 0 .40 9lnσN,从 5～ 45μm时 ,摩擦系数从 0 .2增加到 0 .8.

关键词：钛合金复合载荷微动疲劳微动摩擦系数微动疲劳寿命接触应力

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大壁虎脚趾运动和感觉的分区分级调控

科学通报 2009年第7期54卷 959-965页

作者：郭策蔡雷谢合瑞王周义戴振东孙久荣南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 北京大学生命科学学院北京100871

近年来,爬壁机器人是机器人领域研究和开发的一个热点课题.大壁虎是研究爬墙机器人的理想模型.在仿壁虎机器人的研制过程中,脚掌(趾)的设计是关键技术之一.采用高速摄像和电生理学方法,观测了大壁虎前、后脚在不同界面爬行时不同的运动... 详细信息

近年来,爬壁机器人是机器人领域研究和开发的一个热点课题.大壁虎是研究爬墙机器人的理想模型.在仿壁虎机器人的研制过程中,脚掌(趾)的设计是关键技术之一.采用高速摄像和电生理学方法,观测了大壁虎前、后脚在不同界面爬行时不同的运动模式;研究了5个脚趾的黏-脱附运动及其感觉信息传入的神经支配;发现了5个脚趾运动和感觉功能的不同分区,黏附和脱附行为及其感受传入的分级调控现象.这些结果为当前仿壁虎机器人,以及其他4足和多足机器人脚掌(趾)的结构和运动控制系统的设计提供重要的信息和理念.

关键词：大壁虎神经支配运动模式感觉传入机器人脚掌

碳纳米管阵列仿生黏附受静电作用影响的研究进展

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材料导报 2020年第19期34卷 19050-19060页

作者：孙成祥李阳徐迟陆明月戴振东南京航空航天大学航天学院南京210016 江苏省仿生功能材料重点实验室南京210016 南京航空航天大学机电学院南京210016

生物进化赋予了壁虎在各种表面上出色的黏附运动能力。受壁虎脚掌的微/纳黏附结构启发研制的仿生黏附材料,其黏附强度已优于壁虎。但壁虎脚掌的其他综合性能,如自清洁性、黏附可控性、可重复性等,仿生黏附材料还不具备,或者差距很大。... 详细信息

生物进化赋予了壁虎在各种表面上出色的黏附运动能力。受壁虎脚掌的微/纳黏附结构启发研制的仿生黏附材料,其黏附强度已优于壁虎。但壁虎脚掌的其他综合性能,如自清洁性、黏附可控性、可重复性等,仿生黏附材料还不具备,或者差距很大。本文对壁虎脚掌的黏附机制进行了深入分析,为提升仿生黏附材料性能指出方向。近期研究表明,壁虎黏附过程存在接触/摩擦电现象。通过对接触/摩擦电和黏附力的同步测定,发现壁虎黏附性能得益于范德华力并受静电力作用的影响。这一新的作用机制有助于理解仿生黏附材料性能局限的机理,指导其黏附性能的改进。在对不同材料接触电效应的研究中,静电作用对材料间相互作用力的影响也越来越多地被发现并量化分析,这些研究成果为仿生黏附材料黏附过程中静电作用的量化分析奠定了理论基础。碳纳米管仿生黏附材料具有优异的力学、电学性质,其接触电效应已得到验证并进行多样化的应用研究,这些研究成果为分析静电作用对碳纳米管仿生黏附材料的影响规律提供实验参考。此外,基于接触电能量转换特性的纳米摩擦发电机(TENG)已成功应用于能量收集,TENG的快速发展为研究接触电的原理和特性提供了实验平台。本文首先对壁虎黏附机制的近期研究进行梳理,总结范德华力、静电力等作用机制对壁虎黏附的影响规律;结合接触电的近期研究进展,总结静电作用对黏附力的影响规律;系统归纳碳纳米管的黏附性能和接触电现象的研究结果,讨论接触电效应对碳纳米管仿生黏附材料黏附性能的影响;最后结合相关的研究,建立初步模型分析静电作用对碳纳米管仿生黏附材料黏附力的影响。本文期望从静电作用的角度出发,为仿生黏附材料的性能优化提供新的研究思路。

关键词：壁虎黏附黏附机制接触电效应碳纳米管阵列仿生黏附材料

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碳基薄膜水润滑性能的研究进展

润滑与密封 2006年第7期31卷 185-189,195页

作者：周飞戴振东加藤康司南京航空航天大学高新技术研究院仿生结构与材料防护研究所江苏南京210016 日本东北大学机械学院摩擦学研究所

评述了碳基薄膜如类金刚石薄膜(DLC)和非晶氮化碳(a-CNx)薄膜水润滑的研究现状和进展。分析了第2元素加入和摩擦副材料对碳基薄膜在水中摩擦磨损特性的影响,探讨了碳基薄膜在水中的磨损机制。指出:氢化或氮化碳基薄膜的磨损率与摩擦副... 详细信息

评述了碳基薄膜如类金刚石薄膜(DLC)和非晶氮化碳(a-CNx)薄膜水润滑的研究现状和进展。分析了第2元素加入和摩擦副材料对碳基薄膜在水中摩擦磨损特性的影响,探讨了碳基薄膜在水中的磨损机制。指出:氢化或氮化碳基薄膜的磨损率与摩擦副材料的水合反应有关,若摩擦副材料易于摩擦水合反应,碳基薄膜的磨损率很低;3种DLC薄膜在水中的磨损率与DLC的种类和对磨钢球材料无关,都在10-8mm3/(N.m)的数量级上变动;a-CNx/Si基非氧化物陶瓷摩擦副显示很低的摩擦因数和低的磨损率;在相同条件下,a-CNx薄膜比a-C薄膜更能显示优异的水润滑性能。

关键词：碳基薄膜摩擦磨损水润滑

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大壁虎在天花板表面的运动行为与动力学研究

科学通报 2010年第9期55卷 841-848页

作者：王周义王金童吉爱红戴振东南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 南京航空航天大学机电学院南京210016

壁虎天花板表面运动作用力的测定对揭示壁虎运动的力学规律、获得仿生机器人控制设计的灵感均具有重要意义.用三维力传感器阵列测定大壁虎天花板表面运动的三维作用力,结合高速摄像讨论壁虎在天花板表面运动中壁虎脚掌的作用力和预压力... 详细信息

壁虎天花板表面运动作用力的测定对揭示壁虎运动的力学规律、获得仿生机器人控制设计的灵感均具有重要意义.用三维力传感器阵列测定大壁虎天花板表面运动的三维作用力,结合高速摄像讨论壁虎在天花板表面运动中壁虎脚掌的作用力和预压力,并比较分析了前后腿的作用.结果表明壁虎在天花板表面运动的速度为0.17～0.48m/s,前后腿向身体中线方向收拢.脚掌在与天花板表面初始接触时间内产生冗余的预压力,以确保运动的安全,前腿的法向预压力大于后腿.前后腿的侧向作用力大小相当.前腿运动方向的作用力始终和运动方向相同,起主要推动作用;后腿运动方向的作用力始终和运动方向相反.前后腿的法向作用力分别占体重的73.4%和60.6%.运动中,运动方向的作用力明显大于侧向和法向的作用力,前腿主要起到推动作用,后腿则主要起稳定作用.上述结果表明壁虎在天花板表面运动中腿功能的变化,使得壁虎能够在极端条件下自由运动,并启发机器人结构设计、步态规划和控制规律的选择.

关键词：三维运动作用力动力学天花板三维力传感器阵列壁虎

非连续约束变结构机器人运动机构的仿生:概念及模型

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科学通报 2007年第2期52卷 236-239页

作者：戴振东张昊张明代良全孙久荣南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 南京航空航天大学航空宇航学院南京210016 北京大学生命科学学院北京100086

机器人的运动能力、效率和可靠性是衡量机器人品质的重要指标,要进一步提高机器人的品质,还有若干关键科学问题尚没有得到澄清和解决.我们从仿生壁虎机器人运动协调的困惑中发现,这类机器人的腿式运动机构为开环-闭环转变,闭环状态下与... 详细信息

机器人的运动能力、效率和可靠性是衡量机器人品质的重要指标,要进一步提高机器人的品质,还有若干关键科学问题尚没有得到澄清和解决.我们从仿生壁虎机器人运动协调的困惑中发现,这类机器人的腿式运动机构为开环-闭环转变,闭环状态下与接触体形成拟态构件长度也有变化的变结构机构,开环到闭环转变中自由度和约束也呈现非连续变化.提出了非连续约束的变结构运动机构的概念,建立了非连续约束的表述方程,这类机构的驱动和控制设计是机器人运动系统进一步提高性能和效率的关键之一.借鉴生物脊椎-外周运动神经系统对运动的控制策略,提出这类机构的运动控制和驱动策略,并指出腿式机器人未来发展必须解决的若干关键问题.

关键词：非连续约束变结构机构机器人运动机构仿生控制仿生驱动

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层级仿生微阵列的制备及黏附性能

科学通报 2012年第8期57卷 673-681页

作者：张昊吴连伟贾世星郭东杰戴振东南京航空航天大学仿生结构与材料防护研究所南京210016 南京电子工业部第五十五研究所南京210016

采用电火花穿孔技术,制备了直径0.5mm、倾斜度为75°的大孔铜基阴型模板,利用氢硅烷型硅橡胶浇注该模板,得到大直径倾斜阵列,作为一级结构刚毛阵列.接着,采用等离子刻蚀技术制备了3种不同结构(Φ=15,10,5μm)的单晶硅基阴型模板,真空下... 详细信息

采用电火花穿孔技术,制备了直径0.5mm、倾斜度为75°的大孔铜基阴型模板,利用氢硅烷型硅橡胶浇注该模板,得到大直径倾斜阵列,作为一级结构刚毛阵列.接着,采用等离子刻蚀技术制备了3种不同结构(Φ=15,10,5μm)的单晶硅基阴型模板,真空下氢硅烷型硅橡胶浇注,得到3种精细微阵列,作为二级结构刚毛阵列.最后,利用烯硅烷型硅橡胶进行硅氢化反应将二级微阵列键合在一级阵列的支杆末端,得到3种层级刚毛阵列.利用高灵敏力传感器测试了3种层级刚毛阵列的法向、切向黏附性能.结果表明:3种层级刚毛阵列的切向滑动黏附力均随滑移距离先增后减,呈现了各向异性的黏附特性;不同二级结构刚毛阵列的切向、法向黏附强度与其二级阵列的直径、密度密切相关.

关键词：刚毛硅橡胶黏附层级结构