具有电致动特性的仿壁虎刚毛阵列结构构筑及粘附-脱附可控性研究

壁虎脚掌刚毛的粘附为干性粘附，特点是粘附力大、可控制脱附、适应性强、自清洁、可反复利用，而实现刚毛粘附-脱附的可控性是目前仿壁虎刚毛结构材料研制中的难点之一。本项目针对壁虎通过控制刚毛形变来控制粘附-脱附的机理，从仿生学和微纳结构制造的基本原理出发，提出利用离子交换膜金属复合材料（IPMC）构筑仿壁虎刚毛阵列结构的方法，研制具有电致动特性的仿壁虎刚毛阵列结构材料；研究IPMC仿壁虎刚毛阵列结构在不同电信号下的致动规律，探讨IPMC仿壁虎刚毛阵列结构电致动机理，实现通过电信号的途径控制IPMC仿壁虎刚毛形变，达到IPMC仿壁虎刚毛粘附-脱附的可控性，为仿壁虎干性粘附材料的应用和爬壁机器人的研制打下坚实的理论基础。

自然界中，壁虎能够在竖直的墙壁或天花板自由攀爬行走，这种特殊能力产生的根源在于其脚掌布满微纳分级的刚毛阵列结构，这些刚毛在与物体表面接触时，能够产生分子间作用力，从而实现脚掌和壁面间的粘附。这种粘附为干性粘附，具有粘附力大、可控制脱附、适应性强、自清洁、可反复利用等特点，有广阔的应用前景。本项目以壁虎脚掌的粘附为研究对象，围绕仿壁虎刚毛阵列结构，并拓展到其它生物刚毛结构，研究仿生刚毛构筑的新方法，以及形貌调控下的表面界面性能。在此基础上，引入电致动材料，构筑具有电致动性能的仿壁虎刚毛阵列结构并研究电致动特性对仿壁虎刚毛阵列粘附力的影响。取得的重要结果如下：一、基于MEMS工艺，制备出了不同结构的聚合物仿生粘附刚毛阵列，最大切向粘附力达5N/cm2，法向粘附力达4.5N/cm2；二、利用特殊的软模板复形技术，制备出了具有不同顶端形貌的仿生粘附刚毛阵列，顶端结构不仅可以调控阵列的粘附力，还可以调控阵列表面的浸润性；三、利用自组装单层胶体微球作掩模，结合氧等离子体刻蚀，制备出了具有微纳分支结构的仿生刚毛阵列和大长径比的仿生刚毛阵列；四、通过调控表面具有微纳分级结构的仿生刚毛阵列，获得了具有超疏水性和自清洁性的聚合物表面；五、利用碳纳米管/壳聚糖为体系制备电极层，利用丁基咪唑四氟硼酸盐/壳聚糖/丙三醇为体系制备电解质层，然后将电极层和电解质层结合固化制备具有夹心结构的电致动膜材料；六、在聚氨酯(PU)中引入软磁性的Fe3O4磁性纳米粒子进行掺杂，并通过PDMS软模板法浇注成型，制备出了具有磁相应的Fe3O4/PU复合微米柱阵列结构。这些研究为仿生刚毛阵列结构材料研发应用以及爬壁机器人的研制提供了理论基础和技术路径。