很多生物，从蚂蚁和蟑螂等袖珍虫豸到猫和鹰等大型动物，都能在毛糙的墙壁上附着。
它们通过爪子上的微棘与毛糙名义上的小突起互锁来完了这少许。
这种智商不仅在当然界中多数存在，在东谈主类生计中也有无为应用。
我的团队征询了目田行走甲虫爪子与砂纸之间的切向附着行径，要点接头了爪尖尺寸与毛糙度之间的干系。
征询发现，这种附着样式对多尘、毛糙名义具有极佳的适合性，这在当然界和东谈主类环境中都很常见。
仿生狡计的灵感
咱们的灵感来自犀牛甲虫（鞘翅目：Phileurus didymus）的爪子。
这种甲虫凭借其脚重要的适合性，大约很好地附着在毛糙的墙壁上，而且不错反向紧紧抓取。
咱们狡计了一种夹持器，将微棘枚举成八个微棘盒的圆形阵列，每个微棘盒包含10个微脊柱。
这些微棘粘合到柔性结构上，由丝杠螺母机构驱动。
统统这个词夹持器仅由一个电机驱动，不错同期完了附着和分离。
微棘的狡计与制造
微棘的结构对附着性能至关垂危。
表面上，脊尖半径越小，对毛糙度较小的名义的适合性越强。
但是，脊尖半径越小，强度也越低，单个脊柱能承受的最大黏效率也会受到为止。
此外，顶端容易磨损、塑性变形，致使断裂，这会缩小微刺的黏效率。
为了加多刺的强度和耐磨性，咱们使用不锈钢制成微棘，并在其名义镀铬。
商用针的针尖样式为三角形圆锥，针柄直径约0.7毫米，针尖锥角约24°，针尖半径10微米至20微米。
当微棘收拢墙壁时，它会滑动一定距离，直到遭逢合乎的毛糙峰值。
这个历程会导致微棘的顶端磨损，曲率半径增大，约为40微米至60微米，从而缩小其锁定毛糙峰的智商。
因此，统统这个词微棘的性能也会受到影响。
柔性结构的垂危性
柔性结构主要用于提高微棘对毛糙壁面的适合性，使不同微棘的负荷尽可能均匀散布，共同承受泛泛和切向粘附，幸免单个微棘因过载而受损。
- 均匀散布举座切向力和法向力，幸免损坏单个脊柱并防患“剥离”故障。
- 在相邻的棘之间提供充足的落寞性，使每个脊柱都能找到并假寓在我方的毛糙度上，而不影响或受到其邻居的影响。
- 保持每个脊柱的标的，使其不会跟着负载的加多而滑落。
- 适合脊柱阵列和墙壁之间的对都破绽，并适合墙名义的局部曲率。
为了称心这些条件，征询东谈主员尝试了多种纯真实结构制备决议。
Asbeck等东谈主运用样式千里积制造（SDM）技艺，通过多组分红型制作出具有非线性刚度的柔性结构，并配置了弹簧杆模子来分析其力学行径。
但是，SDM制造的柔性结构强度低，老本高。
Parness等东谈主阐明小行星附着和采样条件，用激光切割顺序制作了多种柔性结构。
Liu等则运用取舍性激光烧结（SLS）快速成型，师法节肢动物的适合特色，制成锯齿形柔性结构。
咱们的团队取舍立体光刻外不雅（SLA）法制备了访佛的柔性结构，并阐明需要进行了优化。
打印材料取舍Future 8200 Pro材料，具有雅致的韧性和高印刷质地。
力学性能分析
在详情柔性结构狡计尺寸的历程中，咱们领先取舍了三种结构，并通过有限元仿真计较了刚度矩阵。
刚度矩阵暗示施加到针尖的载荷与其位移之间的干系。
- Kxx应适中，使柔性结构既能称心水平张拉方进取变形大于墙面平均粗峰间距的条件，又能承受较大的荷载。
- KYY应较小，以称心微脊柱对毫米级壁几何样式的适合性。
- KXY应小于零，在附着阶段，锚定毛糙峰后，给剩余的微棘一个力，不时接近壁，使尽可能多的微棘大约很好地战斗壁，锚定合乎的毛糙峰。
有限元分析在Comsol Multiphysics 6.0中进行，单元长度的位移别离施加到针尖上，并计较作用在针尖上的力。
刚度矩阵被视为线性系统，刚度矩阵是对角对称矩阵。
自动筛选机制
柔性结构的锯齿形装配不错完了正向和切向柔性，其刚度总计不错通过标注的尺寸进行治愈。
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在抓取历程中，微脊柱的顶端在壁上水平滑动，以找到合乎的毛糙峰。
当它遭逢毛糙的峰值时，会承受水平标的的力，导致微棘的角度偏转，这会使微棘更容易跳过毛糙的峰值。
此机制称为自动筛选，不错在抓取之前过滤掉那些不行靠的毛糙峰，从而使微脊柱找到充足可靠的毛糙峰进行附着。
此外，微脊柱在受到切向力后，有隔离壁的趋势，这标明微脊柱锚定后，它将驱动其他微棘接近墙壁。
在提高和装载的历程中，微脊柱的顶端将承受来自墙壁的法向力，切向力也会加多。
此时，这两个标的的力会使微脊柱的角度尽可能还原到启动现象，这将提高微脊柱顶端与抓抓后的毛糙峰之间的战斗可靠性。
应力浊度的最大应力约为50 MPa，发生在畅通根部。
但在本体使用中，应力经常不会杰出此负载，即使在某些稀奇情况下发生过载，单个柔性结构断裂也不会对举座粘合性能产生权臣影响。
性能测试
为了充分了解微棘夹持器的性能，咱们狡计了一个测试台，用在三个级别上测试单个微脊柱、微脊柱单元和夹持器。
二维畅通台用于完了水温煦垂直畅通，微棘单元通过三维力传感器安装在位移台上，不错监测针尖在畅通历程中给与到的三向力。
畅通的壁摒弃在平台上，并用限位螺钉固定。
统统这个词施行安装配置在光学平台上，单个微脊柱和微脊柱模块的测试历程基本疏浚，模块不错在安装历程中获胜更换。
测试夹持器时，将其安装在力传感器下方。
在每个施行中，夹持器领先抬起微脊柱的单脚，垂直位移台向下转移，使可转移微棘的顶丝战斗墙面。
然后泛泛的战斗力不错自动判断是否战斗，战斗完成后，使用夹具进行驱动和抓取。
临了，垂直位移台进取转移，将夹具从壁上拉开，并测量峰值黏效率。
应用长进
基于虫豸的仿生附着，咱们建议了一种仿生微棘抓手。
夹持器取舍轴对称狡计，连合仿生柔性结构和欠驱动联动机构，完了了对壁面毛糙度和几何样式的被迫适合。
使用驱动电机，它不错适合毫米级到厘米级的名义毛糙度，使用80个微棘完了杰出60 N的泛泛粘赞美杰出30 N的切向粘附。
具有柔性结构和欠驱动连杆机构的刚柔耦合模子不错灵验提高微棘在各式工况下的粘附性能，为微棘的狡计提供了表面指挥。
这种仿生微棘抓手不仅不错应用于工业范畴，如机器东谈主抓取和攀爬，还不错用于医疗开拓、航空航天等范畴。
将来，咱们将不时优化狡计，探索更多应用场景，为东谈主们的生计带来更多便利。
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生计。
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