仿生学在摩擦中的发展研究

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1、. . . 仿生学在摩擦中的发展研究摘要 通过千百万年的演变，动物和植物已形成了优化的几何结构、 智能拓扑材料和多功能表面纹理，以优异的摩擦学特性，成为仿生摩擦学设计模型。本文提出了仿生摩擦学的定义与基础，调查自洁净的固-液界面、 动物的脚与固体表面黏附、 生物表面磨损特性和仿生设计以与摩擦和固-液界面的仿生设计的地位。对摩擦学仿生学的进一步发展进行讨论。关键词： 仿生摩擦学、 自洁、 粘附、 摩擦、 生物摩擦学。摩擦学是科学和技术在相对运动中的交互式曲面。运动是各种动物行为（如捕食、逃避和生育）的基础。通过过去 35 亿年进化和竞争，动物已经形成了优化的几何结构、 微妙的材料拓扑、 简单和有

2、效的控制模式和多功能的表面纹理。这些结构、 材料、 曲面和调制方式，使动物的运动比任何人工系统更稳定、 灵活、 稳健、 高效、 适应周围环境。例如，猫的运动是高度的和无声的，由于其微妙脚结构，猫的脚掌与目标曲面的高摩擦系数以与它脚掌落在地上的低影响力度，被用于引用在改进驾驶汽车的轮胎的设计。人体关节的摩擦系数可能会低至 0.005，这只有软钢之间的2%。当鲨鱼游的时候，非光滑表面纹理的鲨鱼可以有效地减少摩擦阻力，这已激发了游泳布的设计，特定的表面纹理布的摩擦阻力减少了 4%一8%。智能抗磨设计中磨损的生物系统的自诊断能力已经得到极大的关注。人类手棕榈科植物对其它表面摩擦接触导致胼采取的抗磨函数

3、。植物也有演变的表面纹理和摩擦学性能优异，如加固框架的竹，和不粘上猪笼草的口缘纹理强度拓扑。这些结构、 拓扑结构和优异的摩擦学性能表面纹理已成为现代摩擦学设计模仿的模型。这里的生物摩擦学定义和仿生摩擦学介绍、 相关领域在过去几年的主要发展进行回顾，并提出一些关键技术在今后发展。1 定义、基础、历史回顾 摩擦学是机械科学与应用的跨学科科学的前沿。其基础涉与力学、 材料科学、 制造科学和机械设计和其研究包括揭示和理解的润湿、 粘连、 摩擦、 磨损的针对其他材料的生物曲面或曲面，包括仿生原则建立和制造系统的发展，以支持各种工作条件的仿生设计的生物物理机制。研究目标正在试图找到解决摩擦问题和磨损在固态

4、、 固液和固气接口进行的的线索。摩擦学，通过整合与生命科学的研究领域已扩展和加强了摩擦学的基础。仿生摩擦学是指摩擦学与生命科学和目的在探索和加强摩擦学系统和通过从生物系统学习元素的属性与调查机制的摩擦减少或增加，遵守或抗黏附抗磨损的有机融合与高有效润滑的生物系统。人体生物摩擦学应用理论和技术的摩擦学和人类皮肤进行摩擦副摩擦，例如摩擦、 磨损和配对与组织 ； 相互作用的植入式接头人工心脏瓣膜、 磨损的牙齿与皮肤摩擦所造成的破坏上的血的遵守。 生物材料的主要化学成分是碳、 氢、 氧、 氮等轻元素。数百万年的演变，通过生物是极其保守的化学成分的选择，所以进化的生物系统和生物材料的主要途径是优化的拓扑

5、结构和表面纹理，也就是说，几何的优化。另一方面，人类设计中的最难创作是创新的几何配置，此后是无限的几何配置中的选择。通常情况下，很难发现规律。应当强调仿生摩擦学的以下方面： (1) 评价的摩擦学的生物系统和材料 ；(2) 寻找微观几何配置、 材料拓扑和生物结构和摩擦学性能优异 ； （3）材料的表面纹理的发展历史和制造仿生表面图案和构造仿生结构和材料。2 重要进展和进一步的发展2.1 在流固 表面 遵守情况和固体表面自动清洗 严格地讲，自洁技术，其特点是对润湿表面纹理的影响和固体液体的做的派，不属于摩擦学的研究领域。我们在这里讨论它，因为与润滑行为密切相关作的派。光合作用是植物成长的关键过程。叶

6、是光合作用，负责的机关，所以保持环境清洁的叶子是最重要的植物。Barthlott 和 Neinhuis 表明水在荷叶上的接触角是蛮大的和其超疏水的行为结果从叶上三维微-纳米复杂表面纹理（图1）。这种疏水表面可以减少在叶子上的水滴的接触面积。当水滴落在叶时，污染物颗粒是湿润和因此坚持到水滴上。当雨放卷叶时、 滴带走污染物。叶上液滴的污染物占去。这种现象被称为莲花效应。Neinhuis 和 Barthlott 已衡量了 200 余种的植物，并表明这些 plantsleaves 的接触角大于 1500年。这些超级自洁性能产生的协同效应的微-到纳米纹理和蜡晶体材料，其理论基于润湿滞后。超过 200 相

7、关技术一种在德国专利和技术广泛应用于纺织、 油漆、 玻璃、 瓷砖和塑料工业。 四肢和树干的一些动物也是疏水性，如很高的水跨越、 脚疏水和可以使这种昆虫运行速度非常快的水面上。另一方面，关于 97 测量各种昆虫翅膀表明有些是疏水和一些亲水。这些疏水翅膀有下雨水或露水的自洁功能。前胸背板的蜣螂水的接触角上的Copris ochus Motschulsky是 91一106。非光滑纹理与集成的疏水性使得甲虫在重污染物下有优秀的反关联性。表面的力量，例如毛细管力量，德华力，是主要阻力在微机电系统，所以疏水表面是很重要的提高性能，减少能源成本和提高可靠性。已知的荷叶自洁性能和高疏水性，可能不适合 MEMS

8、 表面因为纹理可能允许太少的实际接触面积，并且它并没有足够的承载能力。自动清洗表面的科学研究和技术开发中的关键问题应包括以下：(1) 低成本、 专利制造技术和相关的材料的格式自动清洗的表面，没有沉重的承载要求，是也不发达。材料、 制造技术与相关的设备应进行研究。（2） 另一方面，基本理论的沉重负荷，自洁表面需要进一步探讨。2.2 粘连的动物的脚到固体表面和与其仿生学有广泛工程应用和粘结固体表面的生物的背景。胶合是不能拆除的实体曲面之间的连接方法。道路上的各种车辆车轮遵守行为严重影响驾驶效率和运动稳定性 ；要坚持在固体表面上是单元格植被的基本条件。脚设计已成为粘稠的动物，如蚂蚁、 飞、 蜂、 蝗

9、虫、 蜘蛛和壁虎，遵守他们的脚在天然环境中的各种不同表面的知识技术。为了获得良好的遵守职能，动物进化各种力学和微结构。胶粘剂器官可由其作为爪、 顺利垫和毛 pulvillus 的形状进行分类。许多动物用爪，以保持稳定并生成运动力和爪的胶粘剂能力取决于表面粗糙度之间爪尖爪和磨擦系数的笔尖大小。顺利垫有软和容易的可还原表面，被选的蟑螂、 蜂、 蝗虫等（图2） ；顺利垫与目标表面黏附取决于存在的分泌液，如蝗虫垫。垫的宏观结构有限元法分析表明垫上的接触区域的背靠背变形接触的过程中，过程生成与对面的立体阵垂手可得的摩擦力和冗余切线部队应增加附加的稳定性。大多数幼虫遵守基于一样的机制。哈森审查粘附光滑表面

10、生活的 71 种鳞翅目幼虫的薄流体脂质膜使用光线的反射方法，发现胶粘剂的角质层的两种主要表面： (1) 与表面光滑，灵活和 (2) 与颏和几尖的很多小预测 （microtrichia） 的角质层的角质层。物理化学理论显示的表面力和两个实体曲面之间的液体的粘度可能来自作为粘连的毛细力。然而，（例如，脚） 幼虫的附件器具的粘附机理是东西从毛细管理论 (1) 自不同动物的附件垫都太软，以满足要求的弹性接触力学和联系人的几何计算 ；(2) 脱离程序的昆虫的港口与机场发展逐步剥离和在垫上的凸出部分仍可能下接触状态与目标表面突出部分。Hairy pulvillus，而一些甲虫、 苍蝇、 蜘蛛和壁虎成，覆盖

11、着长细、 可还原的头发或刚毛 （图。3）。可还原刚毛大多数头发表面粗糙的联系非常紧密，并生成粘附可能使动物的港口。Peressadko 和 Gorb 相信每个刚毛的终端元素 （TE） 是平坦的并具有终端联系元素的功能。TE 几何规模减少动物的体重 ；例如，松针金龟、 飞和壁虎的尺度分别是 7 p m，12 pm 和 10100 nm。Autumn认为德华力TE 和接触的表面之间产生，和总黏附的底导致TE 和 板与表面之间紧凑的数目。TE 的人数是不同的不同品种的昆虫与 homozonic 不同个体 ；例如，有大约 500 数以千计的壁虎。有些昆虫是源于编码器附件设备 ；一般来说，爪的粗糙的表面

12、和顺利地垫，如蝗虫或如表面光滑的壁虎的毛管。考虑到仿生和粘弹性接触模型 （JKR 模型），已在过去年研究人工毛附件垫。理念，较小的头发直径是，附着力越大，让很多研究人员试图使较小的毛数组。Gorb。人工头发 0.4 毫米的高度和 0.250x0.125 mmz 中使用的成型方法，和它的横截面的逐字记录数组被发现，当预加载了 150一400 mN，附着力是 60mN 并粘附的单一刚毛正要 0.56 mN、 较平滑的表面的粘附。两种不同的纳米成型方法制作合成壁虎脚毛纳米结构报告西提和担心。第一种方法使用的探测器缩进扁蜡表面的原子力显微镜 （AFM） 和第二个使用纳米孔膜作为模板。这些模板塑造硅橡胶

13、、 聚酰胺和聚酯真空条件下的，该模板剥掉或蚀刻掉。结果表明这些合成纳米头发原型为自然标本 （每个约 100 nN） 粘附接近预测值，Geim。备使用电子人工壁虎头发束刻蚀和所作的天花板上坚持 40 g 玩具。图4 (a) 显示由四个顶级研究组编写一个模压的数组： 麻省理工学院、 加州大学伯克利分校、 哈佛大学和 negie 梅隆。可以看到其粘附是远远低于壁虎。图4 (b) 显示刚毛数组编造的电子束束蚀刻。部粘连之间人工刚毛结果粘附力显著减少。这有助于高附着力的毛附件设备生物因素是什么？测量数据表明附着力的活壁虎脚趾比死壁虎脚趾和解剖观察，表明刚毛壁虎的脚趾上应该还活着。开发仿生多毛垫的主要问题

14、是，如下所示：(1) 更多的研究需要显示基于生物和物理知识，尤其是对粘附行为影响生物活性的组织的遵守机制。实验装置研制也是极其需要的。(2) 微细加工技术是仿生毛港口与机场发展的关键。更多的关注，以制定一项新制作机制、 技术和过程。(3)自连接之间在纳米尺度的毛发仍然是一个重要的问题，一直是一个瓶颈发展人工壁虎脚。(4) 有缺乏顺利附件设备的了解。此设备可能会激发高负荷承载元素的设计。也是缺乏系统调查的附件的几何设计、 力学性能、 表面力和毛细力对黏附效果。2.3生物表面和生物启发抗磨技术的磨损特点磨损是不可避免的当生命体的外部曲面交互的环境。生物材料组成了优化拓扑微结构，适应遭受压力并成为更

15、多紧凑和强在高应力区，变成更加多孔和低强度低应力区通过的千年的演变。另一方面，动物或植物的外部表面质地也逐渐提高耐磨损的能力。耐磨组织中的动物包括昆虫的触角、 鸟爪和羽毛、 动物的牙齿和头发，鱼和爬行动物和哺乳动物脚或蹄的薄片。主要化学成分是角蛋白、 甲壳素和节肢弹性蛋白。其他例子包括穿山甲反下沉在地球和蛇冲浪在沙漠表面。图5 阐释的特点是高耐磨性的甲虫爪截面扫描电镜图像。这种材料显然是作为契约中 外角质层和多孔里面角质层中的拓扑结构。一样的特征也可以发现牙齿材料中。毛齿鱼生活在撒哈拉沙漠中，可以快速移动在沙漠里，以便其规模应具有出色的砂侵蚀的耐磨性。使用砂侵蚀毛齿鱼的规模、玻璃和 10 h

16、软钢表面进行实验，结果表明毛齿鱼的皮肤磨损的痕迹是最小的 ，哪些暗示其耐磨性是远高于钢铁和玻璃的表面，如上图6所示。表面纹理、 微结构和强度拓扑的毛齿鱼的皮肤与抗磨机理的地面和地下组织职能的理解将是一个重要的项目。软体动物壳，现有的在海滩上，并已发展更好地甚至有时比类金刚石涂层的耐磨性能，总是受命对水沙。研究发现金字塔表面纹理上，海螺是有利于预防从磨料磨损和磨料磨损第一次出现凸纹理和后，将变成壳甲壳素的磨损。一些工具和农业机械、 地球移动机械往往作为这种地形机器零件磨损对泥沙、 粉状的煤炭、 食品等研磨材料。开发非光滑表面改性技术，不但能降低土壤和地形机械工作表面之间的摩擦，还增强了耐磨性。结果显示凸出的施工单位快速穿，但工作表面总磨损率下降。高耐磨耐表面仿生设计理论仍然不好设置和进行只失散的实验调查。作者假设在以下领域可能会被推向前大大。(1