昆虫钩爪和黏附垫的协同作用研究

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昆虫优异的附着、运动性能得益于其精细的功能性附着系统,对昆虫附着系统的研究不仅能够帮助人们深入地理解昆虫的附着机制,还能启发仿生附着系统的设计和改进,提高仿生机器人的环境适应能力。  以往的研究结果表明昆虫单一的附着器官往往不能满足其附着和运动需求,因而不同附着器官之间的协同作用可能起到了重要作用。  本文的目的在于研究钩爪和黏附垫的协同附着行为,并探讨表面颗粒尺度对附着性能的影响。为此,设计了一种兼具钩爪和黏附垫的仿生附着系统,并挑选了一系列不同尺寸的钢球来模拟不同尺度的基底颗粒。在一种多功能的三维附着力测试平台上对附着系统的性能进行测试。  通过实验获得了附着系统在大颗粒的基底上的极限附着力,并计算了相应的附着破裂能耗。基于这些结果讨论分析了钩爪和黏附垫之间的协同作用以及基底尺寸对附着系统的极限附着力和附着破裂能的影响。钩爪与兼具钩爪和黏附垫的附着系统的附着性能随着基底尺寸的增加而减弱,而黏附垫的附着性能则随基底颗粒尺寸的增加而增加;颗粒尺寸相对较小时,钩爪与颗粒之间的接触摩擦作用提供主要的附着力;颗粒尺寸相对较大时,黏附垫提供了主要的附着力。黏附垫的法向黏附力大大的增加了钩爪的切向摩擦力,而这个切向力反过来强化了黏附垫的抗剪切性能,这种协同作用大大的扩展了附着系统的基底颗粒尺度适应范围。  最后我们建立了三维的钩爪和黏附垫的协同作用力学模型,并讨论了其他钩爪参数对昆虫附着性能及其协同作的影响。
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