仿生水黾机器人腿部接触角对其水面支撑力影响研究.pdf

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1、仿生水黾机器人腿部接触角对其水面支撑力影响研究胡培军，田梦君，尹恒许，何洋(西北工业大学机电学院，陕西西安710072)EffectofContactAngletotheSupportForceontheBio——mimeticWaterStriderRobotLegsHUPei—jun，TIANMeng—jun，YINHeng—XB，HEYang(SchoolofMechanicalEngineering，NorthwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072

2、，China)摘要：基于水黾腿部疏水原理，提出一种水上微已引起了广泛的关注，其腿部的制备是一个热点。小机器人腿部用钢丝制备方法，同时利用Young—国际上已经开始研制被称为仿生水黾的水上行走机Laplace方程对其漂浮机理进一步进行详尽的力学器人。其特点是利用表面张力在液体表面站立和行分析，即水黾腿部材料与水的接触角越大，能够获得走，在降低能源消耗的同时对液体的扰动也非常水面提供的支撑力也越大。小_1]。因此，它在军事侦察、液面清污等方面具有十关键词：仿生水黾机器人；腿部制备；超疏水；分重要的应用前景

3、。·Young—Laplace方程腿部制备是仿生水黾的一个重点和难点，有关中图分类号：TP273水黾的漂浮机理研究也早已展开。如早在1998年文献标识码：AKeller[2证明了利用水的表面张力漂浮的物体受到文章编号：1001—2257(2013)05—0053—04的总支撑力与其排开水的重量相同。而在2003年，Abstract：Thebio—mimeticwaterstriderrobot美国MIT的Hu[3等研制出了全世界第一个能够appealsagrowingnumberofscholars’

4、interestre—利用水的表面张力在水面站立和行走的机器人。cently．Thepreparationoflegsisahotareaofre—2005年清华大学吴立成[4]等研制出了名为“Wa—search．AmethodpreparationoflegsbasedontheterDancer”的水上行走机器人。principlethatwaterstridecouldwakeonwater现有水上机器人一般用涂有防水塑料的金属丝surfaceisintroduced．inthispaper，b

5、asedonthe制成腿部，并通过涂蜡等表面处理方法使腿部表面Young—Laplaceequation，thereasonwhythewa—具有疏水性]。但是这种方法对其疏水性能提高terstridecanwakeonwaterisfurtherstudied，空间有限。为了进一步提高腿部的支撑能力，采用仿生的方法制备类似水黾腿部的微观结构，从而提whichthelargerthecontactangleofthelegsur—高其表面与水的接触角是一种最为有效的方faceis，thelargert

6、hesupportforceis．法[8]。从仿生角度出发，基于水黾腿部疏水原理，Keywords：waterstriderrobot；preparation提出一种可获得具有极大疏水性的理想水黾腿部材method；super—hydrophobic；Young—Laplacee—料的制备方法。并且利用Young—Laplace方程对quation水黾腿部表面疏水性能对其从获得水面支撑力的影响进行深入分析。0引言1仿生水黾机器人腿部制备方法目前，被称为仿生水黾水上行走机器人的研究现有研究表明，水黾腿部

7、具有极高的疏水性能，收稿日期：2012—12—24基金项目：国家自然科学基金资助项目(51oo5187)；陕西省自然科学这是由其表面附着的数千根按同一方向排列的带有基础研究计划(2OLOJM7012)；航空科学基金(2011ZE53055)微纳二级结构刚毛决定的。同时，水黾腿具有《机械与电子}2013(5)·53·生水黾机器人腿部接触角对其水面类似弹簧的功能使水黾能在有波动的水面上保持身会形成一定角度a，当平板沿逆时针倾斜时a为正，体的平衡，所以要求水上行走机器人的腿部还应具当沿顺时针倾斜时a为负。此

8、时将三相交界处弯曲有一定的强度和刚度，通过以下方法制备的疏水钢的液面近似看作是一段圆弧面，圆弧半径为R，圆弧丝能满足以上性能要求。角度为T，液面长度为L，三相接触线与液面之间的选用直径为0．5mm的钢丝作为腿部原材料。距离为h。首先用浓硫酸腐蚀的方法在其表面制备出粗糙微结2．2．1当0≤T≤7c／2时，固体平板倾斜角对液面构，然后再用疏水液氟硅烷溶液修饰其表面，可以获支撑力的影响分析得具有良好疏水性能的钢丝腿部。其中使用的试剂固体平板倾斜进入水中时三相交