壁虎的运动及仿生研究进展

壁虎的运动及仿生研究进展（推荐2篇）

壁虎的运动及仿生研究进展 篇1

研究揭示,壁虎脚底毛为具有活性的细胞组织,靠分子间作用力实现在任意表面上的.黏附;仿生壁虎脚底毛的微制造已有大量研究但尚没有突破.壁虎外周神经对脚掌的运动控制采用独立模式,控制策略简单有效,脚底对接触力及方向有明确感受,对仿生壁虎机器人的控制设计很有启发.脑科学和信息科学结合,能够实现活体壁虎运动的人工干预和控制.

作 者：戴振东 孙久荣 作者单位：戴振东(南京航天航空大学仿生结构与材料防护研究所,南京,210016)

孙久荣(北京大学生命科学学院,北京,100871)

壁虎的运动及仿生研究进展 篇2

自然界存在一类生物, 如壁虎、苍蝇等, 它们不但能自由爬行在垂直的墙壁上, 而且能倒悬在天花板上行走。这种超强粘附引起了人们的研究兴趣。研究发现壁虎的脚掌不仅具有疏水性能, 还能够对光滑表面产生可逆粘附。这种可逆的黏附作用主要是源于它们脚趾末端的多尺度微纳结构。 (如图1)

通过电镜可以看到, 壁虎脚上的薄片结构上排布着密集的刚毛阵列, 1mm2上面积上约有5000根长度为30~130μm的刚毛, 每只脚上共有接近50万根的刚毛, 而在每根刚毛上又有400~1000根直径为0.2~0.5μm的细分叉, 因此壁虎与附着物体之间存在极大数目的接触点, 总的范德华力相当大, 足以支持壁虎的全身重量[1]。

二、壁虎仿生材料的研究现状

Qu[2]等利用化学气相沉积法, 在硅基底上生长出竖直排列的多壁碳纳米管阵列, 并研究了其粘附性能。碳纳米管由竖直部分及端部的弯曲部分组成, 分别用来仿生壁虎脚部的刚毛和铲状绒毛。当碳纳米管阵列与基底接触时, 弯曲部分与基底表面的线接触有效地增大了接触面积, 并且在切向力的作用下, 取向基本一致。取4mm×4mm的碳纳米管集簇, 碳纳米管的直径约为10?15nm, 长度约为150μm, 密度约为1010~1011cm-2。该样品能牢牢与玻璃基底接触, 吊起一本重为1.480kg的书。经测定, 切向粘附力约为90.7N·cm-2, 达到壁虎粘附力的10倍;而法向粘附力随着碳纳米管的长度的变化由10N仅增大到20N且远小于切向粘附, 并且总粘附力随着拉脱角的变化而变化。

Geim等[3]首次采用电子束刻蚀及氧等离子处理的方法制备出非黏性的聚酰亚胺壁虎带, 用这种壁虎胶带覆盖200cm2可以在水平光滑的玻璃天花板上固定一个60kg的蜘蛛人玩具。但是由壁虎带中绒毛之间相互粘连, 降低了绒毛与基底的接触面积, 因而黏附能力和壁虎的脚掌相比还相差很远, 此外还存在耐久性差, 不宜重复使用等问题。

美国麻省理工学院Mahdavi[4]等受壁虎粘附的启发, 利用生物相容和生物可降解材料制备了一种仿生医用绷带。将绷带黏贴于活的小白鼠腹部, 其粘附力仍能达到0.8N·cm-2。研究者们希望这种医用绷带将来能够在伤口急救和外科手术中作为一种特殊的缝合线使用, 使用非常方便, 可大大减少救治的步骤, 但目前该研究尚处在实验室阶段。

三、问题与讨论

BAE公司的研制的人造壁虎材料吸附作用显著, 1mm2面积的该材料可以吊起一辆家用汽车。研究小组介绍说“我们先研制出了少量材料, 并且证实它的确能有效黏附于光滑玻璃表面上。同时, 它还可以多次使用, 尽管现在还没有研制成功真正的‘蜘蛛侠’服, 但就理论而言, 应该不成问题”[5]。然而, 对壁虎的黏附力的研究要实现其实际应用仍然有一些难题亟需解决。Sun等[6]发现在潮湿条件下壁虎刚毛阵列的黏附力增强达50%, 而在水中黏附则会急剧减小。仿壁虎粘附材料性能优异, 但是我们很难制备出像壁虎的天然粘附结构那么精细的仿生材料。此外, SEM显示过于纤细的微突起与物体表面接触时很容易倒下, 微突起过于浓密容易自身聚集, 降低了与被粘表面的接触面积, 同时微突起需要具备合适的强度和韧性, 才能保证良好的粘接性能。另外, 仿壁虎粘附材料要想在医学上广泛应用也需要克服很多难题, 首先要考量它的粘附力能否达到临床上使用的要求, 同时生物相容性、血液相容性等问题都需进一步进行研究。如何开发出适合于工业化生产的仿壁虎刚毛的微制造技术也是值得思考的课题。

摘要：自然界中存在许多具有优良的粘附特性的生物结构, 受此启发, 许多课题组对粘附材料开展了深入研究。壁虎的脚掌可以在光滑的表面自如行走, 并且脚掌与物体表面粘附属于可逆粘附, 研究发现这一特性主要源于壁虎脚上的多尺度微纳结构, 使其能够与接触面形成范德华力。目前, 仿生制备具有多尺度微纳米结构的黏附表面已成为仿生材料研究领域的一个热点。本文主要介绍了壁虎仿生粘附材料的研究现状并对该领域的研究进行展望。

关键词：仿生材料,粘附,壁虎,微纳结构

参考文献

[1]Hansen W R, Autumn K.Proc.Natl.Acad.Sci.USA, 2005, 102 (2) :385—389.

[2]陈少华, 彭志龙.壁虎粘附微观力学机制的仿生研究进展[J].力学进展, 2012, 42 (3) :282-292.

[3]Geim A K, Dubonos S V, Grigorieva I V, Novoselov K S, Zhukov A A, Shapoval S Y.Nat.Mater., 2003, 2 (7) :461—463.

[4]Mahdavi A, Ferreira L, Sundback C, et al.A biodegrad-able and biocompatible gecko-inspired tissue adhesive[J].Proceedings of the National Academy of Sciences of theUnited States of America, 2008, 105 (7) :2307-2312.

[5]张文毓.新型仿生材料的研究进展[J].技术综述, 2009, 06:610